虛擬儀器技術及其發（fā）展趨勢分析介紹

 
           虛擬儀器是在（zài）電腦基礎上（shàng）通過增加相關（guān）硬體和軟（ruǎn）體構建而成的、具有（yǒu）視覺化（huà）介麵的儀器。 
 
          虛擬儀器徹（chè）底打破了傳統儀（yí）器隻能由生產廠家（jiā）定義，用戶無法改（gǎi）變的局麵（miàn），從而使得任何一個用戶都可以方便（biàn）靈活地用滑（huá）鼠或按鍵在（zài）電腦顯示幕幕上操作虛擬儀器軟麵板的各種“旋鈕（niǔ）”進行測試工作，並可以根據不同的測試要求通過視窗切換不同的虛擬儀器，或通過修改軟體來改變、增減虛擬儀器係統的功能與規模。虛擬儀器具有的這種“可開發性”和“可擴展性”等優越（yuè）特點使虛擬儀器具有強大的生命力和競爭力。 
 
          虛擬儀器技術由三大部分組成一、的軟體（tǐ）。軟體是虛擬儀器技術中zui重要的（de）部分。使用正確的軟體工（gōng）具並通過設（shè）計或調用特定的程（chéng）式模組，工程師們可以地（dì）創建自己的（de）應用以及友好的人機交互介麵。NI公司提供的行業標準圖形化編程軟體---LabVIEW，不僅能輕鬆方便（biàn）地完（wán）成與各種軟硬體的連接，更能提供強（qiáng）大（dà）的後續資料處（chù）理能力（lì），設置資料處理、轉換、存儲的（de）方式，並將結果顯示給用戶。此外（wài），NI提供了更多（duō）互（hù）動式的測量工具和更（gèng）高層的係統管理軟體工具，滿足客戶對高性能應用的需（xū）求。二、模組化的I/O硬體（tǐ）。麵對如今日益複雜的測試測量應用，NI提（tí）供了的軟硬體的解（jiě）決方（fāng）案。無論（lùn）用戶（hù）是使（shǐ）用PCI、PXI、PCMCIA、USB或者是1394匯流排，NI都能提供相應的模組化的硬體產品，產（chǎn）品種類從（cóng）資料獲取、信號處（chù）理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控製、分（fèn）散式I/O到CAN介麵等工業通（tōng）信，應有盡有。NI高性能的硬體（tǐ）產品結（jié）合靈活的開發軟體，可以為負責測試和設計工（gōng）作（zuò）的工程師們創建*自定義的測量係統，滿足各種獨特的應用要求。目前，NI已經（jīng）達到（dào）了每兩個工作日推出一款硬體產（chǎn）品的速度，大大拓寬（kuān）了用戶的選擇麵。三、用於集成的軟硬體平（píng）臺。NI首（shǒu）先提出的專為測試任務設計的（de）PXI硬體平臺，已經成為（wéi）當今測試、測量和自（zì）動化應用的標準平臺（tái），它的開放式構架、靈活性和PC技術的成本優勢，為測量和自（zì）動化行業帶來了一場翻天覆地的（de）變革。由NI發起的PXI係統聯盟現已吸引了68家廠商，聯盟（méng）屬下（xià）的產（chǎn）品數量也（yě）已激增至近千種。 
 
          1、硬體技術 
 
          1.1卡式儀器 
 
          傳統儀器主要由控製麵板和內部處理電路組成；而卡式儀器自（zì）身不帶儀器麵板，它必須借助（zhù）電腦強大的圖形環境，建立圖形化的虛擬麵板，完成對（duì）儀器的控製、資料（liào）分析和（hé）顯示。以（yǐ）資料獲取卡為（wéi）例（lì），它通常具有A/D轉（zhuǎn）換、D/A轉換、數位I/O和計（jì）數器（qì）/計時（shí）器（qì）等功能，有些還具有數位濾（lǜ）波和數位信號（hào）處理的功能。現（xiàn）在的（de）多功能資料（liào）獲取卡多採用了“虛（xū）擬硬體（VirtualHardware，簡稱VH）的技（jì）術，它的思想源於可編（biān）程（chéng）器件，使用戶通過程式能夠方便地改變硬體（tǐ）的功能或性能參數，從而依靠硬體設備的柔性來增強其適用性和靈（líng）活性。目前市麵上的（de）VH，其採樣率和精度都是可（kě）變的。 
 
          由於卡式儀器與電腦結合緊密，能夠充分利（lì）用（yòng）已（yǐ）有的電腦資源，較之傳統儀器成本更低（dī）廉（lián）、使用更靈活（huó）、性（xìng）能更強，因此它是一種極具潛力的儀器種類。 
 
          1.2匯流排技術 
 
          1.2.1儀器匯流排 
 
          GPIB匯流排（即IEEE488匯流排）是一（yī）種數位式平行匯流排，主要用（yòng）於連（lián）接測試儀器和電腦。
  該匯流排zui多可以連接15個設備（包（bāo）括作為主控器（qì）的主機）。如果採用高速HS488交互握手協定，傳輸速率可高到8MBps。 
          VXI匯（huì）流排（pái）（即IEEE1155匯流排）是一種高速電（diàn）腦匯（huì）流排—VME匯流排在儀器領域的擴（kuò）展。它是在1987年，由五家測試（shì）和儀（yí）器（qì）公司（Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments）製訂的儀器匯流排標準。VXI匯流排具有標準開放、結構緊湊、資料吞吐能（néng）力強，zui高可（kě）達（dá）40MBps，定時和同步（bù）精確、模組可（kě）重複利用、眾多儀器廠家支援的特點，因（yīn）此得到了廣泛的應用。不過，由於價格較高，推廣應（yīng）用受到一定限製，主要集中在航空、航太等國防軍工領域。 
 
          PXI匯流排是以CompactPCI為基礎的，由具有開放性的PCI匯流排擴展而來（NI公（gōng）司於1997年提出）。PXI匯流排符合工業標準，在機（jī）械（xiè）、電氣和軟體特性方麵充分發揮了PCI匯流排的全部優點。PXI構造（zào）類似於VXI結（jié）構，但它的設備成本更低、運（yùn）行速度更快（kuài），體積更緊湊。目前基於（yú）PCI匯流（liú）排的軟硬體均（jun1）可應用（yòng）於PXI係統中，從而使PXI係統具有良好的相容性。PXI還有高度的可擴展性，它有8個擴展槽，而臺（tái）式PCI係統隻有3～4個擴展（zhǎn）槽。PXI係統通過使用PCI-PCI橋接器，可擴展到256個（gè）擴展槽。PXI匯流排的傳（chuán）輸速率已經（jīng）達到132Mbps（zui高為500Mbps），是目前已經發佈的zui高傳輸速率。因此，基於PXI匯流排的儀器硬體將會得到越來越廣泛的應用。 
 
          1.2.2電腦匯流排 
 
          ISA匯流排是一種8位元或16位元（yuán）非同步資料匯流排，工作頻率為8MHz，zui高資料傳輸（shū）率在8位時為24MBps，16位時為48MBps。這種匯流排對於低速（sù）資料採樣（yàng）與（yǔ）處理來說是有效的，但對於基於高性能PC機的多工作業（yè）係統和高速（sù）資料獲取（qǔ）係統（tǒng）來（lái）說，ISA匯流排由於其帶（dài）寬、位數等的限製（zhì），故不能滿足係統工作的要求。新型主板和高（gāo）版（bǎn）本作業（yè）係統已不再支援ISA匯流排。 
 
          PCI匯流排是一種同步的（de）獨（dú）立於CPU的32位元或64位元區域匯流排，時鐘頻率為33MHz，資料傳輸率高達（dá）132～264MBps，PCI匯流排技（jì）術的無限讀（dú）寫突發方式，可在一瞬間發送（sòng）大量資料。PCI匯流排上的週邊設備可與CPU併發工作，從而提高了整體性能。PCI匯流排還有（yǒu）自（zì）動（dòng）配置功（gōng）能，從而使所有與PCI相容的（de）設備實現真正的“即插即用”（plug&play）。PCI匯流排由於上述優點而得到了廣泛應用，已成為PC工業的（de）事實標準。 
 
          USB通用串（chuàn）列匯流排（Universalserialbus）和IEEE1394匯流排（又叫Fireware匯流排）是被PC機廣泛（fàn）採用的（de）兩種匯流排，它（tā）們已被集成到（dào）電腦主板上。 
 
          USB匯流排能以雛菊鏈方式連接127個裝置，需要一對信號（hào）線（xiàn）及電源線。USB2.0標準的資料傳輸率能達到480Mbps。該匯流排具有輕巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的特（tè）點（diǎn），現（xiàn）在（zài）已被廣泛用於寬頻數位攝像機、掃描器、印表機及存儲設備。IEEE1394匯流（liú）排是由蘋果公（gōng）司於1989年設計的高性能串口匯流排，目前傳輸速率為100、200、400Mbps，將（jiāng）來可達（dá）3.2Gbps。這種匯流排需要（yào）兩對信號線和一對電（diàn）源線，可以用任意方式（shì）連接（jiē）63個裝置，它是專為需要大資料量串列傳送的數碼相（xiàng）機、硬（yìng）碟等（děng）設計的。
 
        USB及（jí）IEEE-1394匯流排均具有“即插即（jí）用”的能力，與平行匯流排相比，更適（shì）合於連接多外設的需要。 
 
          1.2.3工業現場匯流排 
 
          為了共用測試係統資源，越來越多的用戶（hù）正（zhèng）在轉向網（wǎng）路。工業現場匯流排是一個網（wǎng）路通訊標準，它使得不同（tóng）廠家的產（chǎn）品通過（guò）通訊匯流排使用共同的協定進行通訊。現在，有很多現場匯流排標準，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它們競爭非常激烈。通（tōng）用現場匯流排的發展需要一段時間。 
 
          1.3虛擬儀器係統組建方案 
 
          虛擬儀器的突出成就是（shì）不僅可以利用PC機組建（jiàn）成為靈活的虛擬儀器，更重要的是（shì）它可（kě）以通過各種不同的介麵匯流排，組建不同規模的自動測試係統。虛擬儀器係統按（àn）硬體構成（chéng）方式（shì），可（kě）有以下幾種組建方案： 
 
          （1）GPIB儀器通過GPIB介麵卡與計算機組成GPIB係統。 
 
          （2）VXI儀器與計算機組（zǔ）成VXI係（xì）統。 
 
          （3）PXI儀器組成PXI係統。 
 
          （4）以（yǐ）DAQ和信號調理部分（fèn）為硬體組成PC-DAQ測試係統。 
 
          （5）平行匯流排（pái）儀（yí）器組成平行匯流排係統。 
 
          （6）串列匯流排儀器組成串（chuàn）列匯流排係統。 
 
          （7）現場匯流排設備（bèi）組成現（xiàn）場匯流排係（xì）統（tǒng）。 
 
          一般來（lái）說，GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測試係統；PC-DAQ、並行口式、串列口式（shì）（如（rú）USB式）係統適合普及型的廉價係統；現場（chǎng）匯流排係（xì）統主（zhǔ）要用（yòng）於大規（guī）模的網路測試。有（yǒu）時，可以根據不同需要組建不同規模的自動（dòng）測試（shì）係統，也（yě）可以將上述（shù）幾（jǐ）種方案（àn）結合起來組成混（hún）合測試係統。 
 
          2、軟體技術 
 
          軟體（tǐ）是虛擬儀器的關鍵，以下介紹虛擬儀器應用（yòng）軟體的開發平臺（tái）、儀（yí）器驅動程式（shì）以及I/O介麵軟體。 
 
          2.1軟體發展平臺 
 
          虛擬儀（yí）器（qì）的開發環境主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司的（de）VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等（děng）。VC、VB、LabWindows/CVI雖然是視覺化的開發工具，但它們對開發人員的編程能力要求很高，而且開發週期（qī）較長。HPVEE是一個基（jī）於圖形的虛擬儀器編程（chéng）環境（jìng），擁有較多的用戶，缺點是其生成的應用程（chéng）式是解釋執行的，運行速度較慢。 
 
          LabVIEW是目前國際上*的基於資（zī）料流程的編譯型圖形編（biān）程環（huán）境，它把（bǎ）複雜、煩瑣、費時的語言編程簡化（huà）成用簡單或圖示提（tí）示的方法選擇功能（圖形），並用線條把（bǎ）各種圖形連接起（qǐ）來的簡單圖形編程（chéng）方式，使得不熟悉編程的工程技（jì）術人員都可以按照測試要求和任務快（kuài）速“畫（huà）”出自（zì）己的程式，“畫”出儀器麵板，這大大提高了（le）工作效率，減輕（qīng）了科研和工程技術人員的工作量，因此，LabVIEW是一種優秀（xiù）的虛擬儀器軟體發展平臺。
 
        2.2儀器驅動程式 
 
          儀（yí）器驅動程式是測試係統中zui重要的組（zǔ）成部分之一，用（yòng）來實現儀器硬體的通（tōng）信、控製功能。傳統的儀器驅動程式由儀器硬體廠商隨（suí）硬體提供，由於不同廠（chǎng）家儀器硬體的差異，使得在更換儀器硬體的同時不得不修改（gǎi）測試代碼。為了能自由互換（huàn）儀器硬（yìng）體而無需修改測（cè）試程式，即解決儀器的互操作問（wèn）題，VXIplug&play聯盟開發了儀器驅動標（biāo）準VISA。VISA用（yòng）G語言（圖形語言）或ANSIC語言寫成，它可（kě）以用於多種虛（xū）擬儀器開發環境和多（duō）種作業係統。 
 
          1999年NI公司（sī）提出了可互換虛擬（nǐ）儀器標準IVI（InterchangeableVirtualInstruments），使程式的開（kāi）發*獨立於硬（yìng）體。IVI是建立在VXIplug&play驅動程式標準之上的，它解決（jué）了儀（yí）器的（de）互操作問題。IVI驅動器通過一個通用的類驅動器實現對（duì）儀器的控製。類驅動（dòng）器（qì）是儀器的功能和屬性（xìng）集，通過這些功能和屬性集實現（xiàn）對一種儀器類（示波器、數位電壓（yā）表、函數發生器等）中的儀器進行控製。應用（yòng）程式調用類驅動器，類驅動器再通過專用的驅（qū）動（dòng）器與物理（lǐ）的儀器通信（xìn）。專用的儀器驅動器（和對應的物理儀器）可以被（bèi）改變，但應（yīng）用程式（shì）碼保持不變。採用IVI技術，可以降低軟體的維護費用，減少係（xì）統停（tíng）運時間，提高測試代碼的可重（chóng）用性，使儀器編程更簡單。 
 
          2.3I/O介（jiè）麵軟體 
 
          I/O介麵軟體是虛（xū）擬儀器係統軟體的基（jī）礎，用於處理電腦與（yǔ）儀器硬體間連接的低層通信協定。當今（jīn）優秀的（de）虛擬儀器（qì）測試軟體都建立在一個標準化I/O介麵軟體元件的通用內核之上，為用戶提（tí）供一個一致的（de）、跨電腦平臺的應用編程介麵（API），使用戶的測試係統能夠選擇不同的電腦平臺和（hé）儀器硬體。 
 
          3、發展趨勢 
 
          隨著電腦技術、儀器（qì）技術和網路通信技（jì）術（shù）的不斷*，虛擬儀器將向以下三個方向發展： 
 
          （1）外掛式虛擬儀器 
 
          PC-DAQ式虛擬儀器是現（xiàn）在比較流行的虛擬儀（yí）器係統，但是（shì），由於基於PCI匯流排的虛擬儀器在（zài）插入DAQ時都需要打開機箱等，比較麻煩，而且，主機上的PCI插（chā）槽有限（xiàn），再加上測試信號（hào）直接進入電（diàn）腦，各種現場（chǎng）的被測信號對電腦的安全造成很大的威脅，同時，電腦內部的強電磁幹擾對被測信號（hào）也會造成很大（dà）的影響，故以USB介麵方式（shì）的外掛式虛擬儀（yí）器係（xì）統將成為今後廉價型虛擬儀器測試係統的主流。 
 
          （2）PXI型高精度集（jí）成虛擬儀器測試（shì）係統 
 
          PXI係統高度的可擴展性（xìng）和良好的相容性，以及比VXI係統更高的（de）性價比，將使（shǐ）它成為未（wèi）來大型高精（jīng）度集成（chéng）測試係統的主流虛擬儀器平臺。 
 
          （3）網路（lù）化虛擬儀器 
 
          儘管Internet技術zui初並沒有考慮如（rú）何將嵌入式智慧型儀器（qì）器設備連接在一起，不過NI等公司已開發了通過Web流覽器觀測這些嵌入式儀器設備的產品，使人們可以通（tōng）過Internet操作儀器設備。根據虛擬儀器的（de）特性，我們能夠方便地將虛擬儀器組成電腦網路。
 
  利用網路技術將（jiāng）分（fèn）散（sàn）在不同地理位置不同功能的測試設備聯繫在一起，使昂（áng）貴的硬體設備（bèi）、軟體在網（wǎng）路上（shàng）得以共用，減少了設備重複投資。現在，有關MCN（MeasurementandControlNetworks）方（fāng）麵的標準正在（zài）積極進行，並取得了一（yī）定進展（zhǎn）。由此可見，網路化虛擬儀器將具有廣泛的應用前（qián）景（jǐng）。 
          4、虛擬儀器技術凸顯四大優勢 
 
          虛擬儀（yí）器技術就（jiù）是利用高性能的模組化（huà）硬體，結合（hé）靈活的軟體來完成各種測試、測量和自動化的應用（yòng）。隻有同時擁有的軟體、模組化I/O硬體和用於集成的軟硬體平臺這三大（dà）組成部分（fèn），才能充分（fèn）發揮虛擬儀器技術性能高、擴（kuò）展性強、開發時間少以及出色的集成這（zhè）四大優勢。 
 
          4.1性能高 
 
          虛擬儀器技術是（shì）在PC技術（shù）的基礎上發展起來的，所以*"繼承"了以現成即用的PC技術為主導的商業技術的優點，包括功能的處理（lǐ）器和檔I/O，使用戶在資料（liào）高速導入磁片的同時，就能即時進行複雜的分析。此外，不斷發展的網際網路和越來越快的電腦網路使得虛擬儀器（qì）技術（shù）展現其更強大的優勢。 
 
          4.2擴展性強 
 
          得益於（yú）NI軟體的靈活性，隻需更新（xīn）電腦或測量硬體，就能以zui少的硬體投資和極（jí）少的、甚至無需軟體上的升級即（jí）可改（gǎi）進用戶的整（zhěng）個係統（tǒng）。在（zài）利用（yòng）科技的時候，用戶還可以把它們集成（chéng）到現有的測量設備，zui終以較少的成（chéng）本加快產品上市（shì）時間。 
 
          4.3開發時間少 
 
          在驅動和應用兩（liǎng）個層麵上，NI的軟體構（gòu）架能與電腦、儀器儀錶和通信方麵的技（jì）術結合在一起。NI設計這一軟體架構的初衷就是為了（le）方便用戶的操作，同時還提供了靈活（huó）性和強大的功能，使用（yòng）戶輕鬆（sòng）地配置、創建、發（fā）佈、維護和修（xiū）改（gǎi）高性能、低成本的測量和控製解決方案。 
 
          4.4集成 
 
          虛擬儀器技術（shù）從本質上說是一（yī）個集成的軟硬體概念。隨著產（chǎn）品在功能上不斷趨於複雜，工程師們通（tōng）常需要集成多（duō）個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集（jí）成這些不同設備總是要耗費大（dà）量的時間。NI的虛擬儀器（qì）軟體平臺為所有的I/O設備提供了標準的介麵，幫助用戶輕鬆地將多個測量設備集成到單個係統，減少了任務（wù）的複雜性。