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虛擬儀器技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)(上)
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http://www.mamogu.com 發(fā)稿日期:2008-8-15
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虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的儀器。
虛擬儀器徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)廠家定義，用戶無法改變的局面，從而使得任何一個(gè)用戶都可以方便靈活地用鼠標(biāo)或按鍵在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進(jìn)行測(cè)試工作，并可以根據(jù)不同的測(cè)試要求通過窗口切換不同的虛擬儀器，或通過修改軟件來改變、增減虛擬儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬儀器具有的這種可開發(fā)性和可擴(kuò)展性等優(yōu)越特點(diǎn)使虛擬儀器具有強(qiáng)大的生命力和競(jìng)爭(zhēng)力。
虛擬儀器技術(shù)由三大部分組成一、高效的軟件。軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部分。使用正確的軟件工具并通過設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程序模塊，工程師們可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面。NI公司提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟件－－-LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的方式，并將結(jié)果顯示給用戶。此外，NI提供了更多交互式的測(cè)量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，滿足客戶對(duì)高性能應(yīng)用的需求。
二、模塊化的I/O硬件。面對(duì)如今日益復(fù)雜的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用，NI提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論用戶是使用PCI、PXI、PCMCIA、USB或者是1394總線，NI都能提供相應(yīng)的模塊化的硬件產(chǎn)品，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、聲音和振動(dòng)測(cè)量、視覺、運(yùn)動(dòng)、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通信，應(yīng)有盡有。NI高性能的硬件產(chǎn)品結(jié)合靈活的開發(fā)軟件，可以為負(fù)責(zé)測(cè)試和設(shè)計(jì)工作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測(cè)量系統(tǒng)，滿足各種獨(dú)特的應(yīng)用要求。目前，NI已經(jīng)達(dá)到了每?jī)蓚�(gè)工作日推出一款硬件產(chǎn)品的速度，大大拓寬了用戶的選擇面。
三、用于集成的軟硬件平臺(tái)。NI首先提出的專為測(cè)試任務(wù)設(shè)計(jì)的PXI硬件平臺(tái)，已經(jīng)成為當(dāng)今測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，它的開放式構(gòu)架、靈活性和PC技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)，為測(cè)量和自動(dòng)化行業(yè)帶來了一場(chǎng)翻天覆地的變革。由NI發(fā)起的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟現(xiàn)已吸引了68家廠商，聯(lián)盟屬下的產(chǎn)品數(shù)量也已激增至近千種。
1 硬件技術(shù)
1.1卡式儀器
傳統(tǒng)儀器主要由控制面板和內(nèi)部處理電路組成；而卡式儀器自身不帶儀器面板，它必須借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。以數(shù)據(jù)采集卡為例，它通常具有A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等功能，有些還具有數(shù)字濾波和數(shù)字信號(hào)處理的功能。現(xiàn)在的多功能數(shù)據(jù)采集卡多采用了“虛擬硬件(VirtualHardware，簡(jiǎn)稱VH)的技術(shù)，它的思想源于可編程器件，使用戶通過程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數(shù)，從而依靠硬件設(shè)備的柔性來增強(qiáng)其適用性和靈活性。目前市面上的VH，其采樣率和精度都是可變的。
由于卡式儀器與計(jì)算機(jī)結(jié)合緊密，能夠充分利用已有的計(jì)算機(jī)資源，較之傳統(tǒng)儀器成本更低廉、使用更靈活、性能更強(qiáng)，因此它是一種極具潛力的儀器種類。
1.2總線技術(shù)
1.2.1儀器總線
GPIB總線(即IEEE488總線)是一種數(shù)字式并行總線，主要用于連接測(cè)試儀器和計(jì)算機(jī)。
該總線最多可以連接15個(gè)設(shè)備(包括作為主控器的主機(jī))。如果采用高速HS488交互握手協(xié)議，傳輸速率可高到8MBps。
VXI總線(即IEEE1155總線)是一種高速計(jì)算機(jī)總線—VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。它是在1987年，由五家測(cè)試和儀器公司(Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments)制訂的儀器總線標(biāo)準(zhǔn)。VXI總線具有標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)，最高可達(dá)40MBps，定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。不過，由于價(jià)格較高，推廣應(yīng)用受到一定限制，主要集中在航空、航天等國防軍工領(lǐng)域。
PXI總線是以CompactPCI為基礎(chǔ)的，由具有開放性的PCI總線擴(kuò)展而來(NI公司于1997年提出)。PXI總線符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械、電氣和軟件特性方面充分發(fā)揮了PCI總線的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。PXI構(gòu)造類似于VXI結(jié)構(gòu)，但它的設(shè)備成本更低、運(yùn)行速度更快，體積更緊湊。目前基于PCI總線的軟硬件均可應(yīng)用于PXI系統(tǒng)中，從而使PXI系統(tǒng)具有良好的兼容性。PXI還有高度的可擴(kuò)展性，它有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3～4個(gè)擴(kuò)展槽。PXI系統(tǒng)通過使用PCI-PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽。PXI總線的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到132Mbps(最高為500Mbps)，是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速率。因此，基于PXI總線的儀器硬件將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。
1.2.2計(jì)算機(jī)總線
ISA總線是一種8位或16位非同步數(shù)據(jù)總線，工作頻率為8MHz，最高數(shù)據(jù)傳輸率在8位時(shí)為24MBps，16位時(shí)為48MBps。這種總線對(duì)于低速數(shù)據(jù)采樣與處理來說是有效的，但對(duì)于基于高性能PC機(jī)的多任務(wù)操作系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，ISA總線由于其帶寬、位數(shù)等的限制，故不能滿足系統(tǒng)工作的要求。新型主板和高版本操作系統(tǒng)已不再支持ISA總線。
PCI總線是一種同步的獨(dú)立于CPU的32位或64位局部總線，時(shí)鐘頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)132～264MBps，PCI總線技術(shù)的無限讀寫突發(fā)方式，可在一瞬間發(fā)送大量數(shù)據(jù)。PCI總線上的外圍設(shè)備可與CPU并發(fā)工作，從而提高了整體性能。PCI總線還有自動(dòng)配置功能，從而使所有與PCI兼容的設(shè)備實(shí)現(xiàn)真正的即插即用(plug&play)。PCI總線由于上述優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，已成為PC工業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
USB通用串行總線(Universalserialbus)和IEEE1394總線(又叫Fireware總線)是被PC機(jī)廣泛采用的兩種總線，它們已被集成到計(jì)算機(jī)主板上。
USB總線能以雛菊鏈方式連接127個(gè)裝置，需要一對(duì)信號(hào)線及電源線。USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸率能達(dá)到480Mbps。該總線具有輕巧簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、連接方便快捷的特點(diǎn)，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、掃描儀、打印機(jī)及存儲(chǔ)設(shè)備。IEEE1394總線是由蘋果公司于1989年設(shè)計(jì)的高性能串口總線，目前傳輸速率為100、200、400Mbps，將來可達(dá)3.2Gbps。這種總線需要兩對(duì)信號(hào)線和一對(duì)電源線，可以用任意方式連接63個(gè)裝置，它是專為需要大數(shù)據(jù)量串行傳送的數(shù)碼相機(jī)、硬盤等設(shè)計(jì)的［1］。
USB及IEEE-1394總線均具有“即插即用”的能力，與并行總線相比，更適合于連接多外設(shè)的需要。
1.2.3工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線
為了共享測(cè)試系統(tǒng)資源，越來越多的用戶正在轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)，它使得不同廠家的產(chǎn)品通過通訊總線使用共同的協(xié)議進(jìn)行通訊。現(xiàn)在，有很多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它們競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。通用現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展需要一段時(shí)間。
1.3虛擬儀器系統(tǒng)組建方案
虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機(jī)組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)按硬件構(gòu)成方式，可有以下幾種組建方案：
(1)GPIB儀器通過GPIB接口卡與計(jì)算機(jī)組成GPIB系統(tǒng)。
(2)VXI儀器與計(jì)算機(jī)組成VXI系統(tǒng)。
(3)PXI儀器組成PXI系統(tǒng)。
(4)以DAQ和信號(hào)調(diào)理部分為硬件組成PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)。
(5)并行總線儀器組成并行總線系統(tǒng)。
(6)串行總線儀器組成串行總線系統(tǒng)。
(7)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備組成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。
一般來說，GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng)；PC-DAQ、并行口式、串行口式(如USB式)系統(tǒng)適合普及型的廉價(jià)系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)主要用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。有時(shí)，可以根據(jù)不同需要組建不同規(guī)模的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，也可以將上述幾種方案結(jié)合起來組成混合測(cè)試系統(tǒng)。
2軟件技術(shù)
軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，以下介紹虛擬儀器應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)、儀器驅(qū)動(dòng)程序以及I/O接口軟件。
2.1軟件開發(fā)平臺(tái)
虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。VC、VB、LabWindows/CVI雖然是可視化的開發(fā)工具，但它們對(duì)開發(fā)人員的編程能力要求很高，而且開發(fā)周期較長。HPVEE是一個(gè)基于圖形的虛擬儀器編程環(huán)境，擁有較多的用戶，缺點(diǎn)是其生成的應(yīng)用程序是解釋執(zhí)行的，運(yùn)行速度較慢。
LabVIEW是目前國際上唯一的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，它把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡(jiǎn)化成用簡(jiǎn)單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種圖形連接起來的簡(jiǎn)單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測(cè)試要求和任務(wù)快速“畫”出自己的程序，“畫”出儀器面板，這大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術(shù)人員的工作量，因此，LabVIEW是一種優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。
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