基于虛擬儀器系統的設計方案

　　虛擬儀器是全新概念的儀器，它是對傳統儀器概念的重大突破，它的出現開(kāi)始了儀器發(fā)展的全新時(shí)代，是儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。設計功能強大、高效、集成完美，應用于測試和測控領(lǐng)域的虛擬儀器系統是信息時(shí)代的需求。

　　1 虛擬儀器系統的構成

　　虛擬儀器由硬件設備與接口、設備驅動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC為基礎的內置功能插卡、通用接口總線(xiàn)接口卡、串行口、VXI總線(xiàn)儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅動(dòng)程序，虛擬儀器通過(guò)底層設備驅動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶(hù)用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便。

　　1.1 虛擬儀器系統的硬件構成

　　虛擬儀器的硬件系統一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類(lèi)型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著(zhù)虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因此，計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò )、總線(xiàn)標準等方面的發(fā)展，導致了虛擬儀器系統的快速發(fā)展。

　　按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線(xiàn)五種標準體系結構，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數轉換。

　　1.2 虛擬儀器系統的軟件構成

　　測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實(shí)用成果時(shí)，就用軟件就是儀器來(lái)表達虛擬儀器的特征，強調軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開(kāi)始就推出豐富而又簡(jiǎn)潔的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件。使用者可以根據不同的測試任務(wù)，在虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來(lái)實(shí)現當代科學(xué)技術(shù)復雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統中用靈活強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件，特別是系統中應用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個(gè)儀器從系統中消失，而由計算機的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能。虛擬儀器測試系統的軟件主要分為以下四部分。

　　1.2.1儀器面板控制軟件

　　儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶(hù)與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。

　　1.2.2 數據分析處理軟件

　　利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件功能強大的函數庫可以極大提高虛擬儀器系統的數據分析處理能力，節省開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　1.2.3 儀器驅動(dòng)軟件

　　虛擬儀器驅動(dòng)程序是處理與特定儀器進(jìn)行控制通信的一種軟件。儀器驅動(dòng)器與通信接口及使用開(kāi)發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開(kāi)發(fā)環(huán)境信息。儀器驅動(dòng)器是虛擬儀器的核心，是用戶(hù)完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅動(dòng)程序的核心是驅動(dòng)程序函數/VI集，函數/VI是指組成驅動(dòng)的模塊化子程序。驅動(dòng)程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入參數、收發(fā)數據、查看儀器狀態(tài)等。高層是應用函數/VI層，它根據具體測量要求調用底層的函數/VI。

　　1.2.4 通用I/O接口軟件

　　在虛擬儀器系統中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統軟件結構中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來(lái)越重要。VXI總線(xiàn)即插即用聯(lián)盟，為其制定了標準，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標準，VISA具有與儀器硬件接口無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)， 即這種軟件結構是面向器件功能而不是面向接口總線(xiàn)的。應用工程師為帶GPIB接口儀器所寫(xiě)的軟件，也可以于VXI系統或具有RS232接口的設備上，這樣不但大大縮短了應用程序的開(kāi)發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開(kāi)發(fā)的方式和手段。

　　2 虛擬儀器系統軟面板的設計標準

　　虛擬儀器軟面板是用戶(hù)用來(lái)操作儀器，與儀器進(jìn)行通信，輸入參數設置，輸出結果顯示的用戶(hù)接口。其設計準則是：

　?。?） 按照VPP規范設計軟面板，使面板具有標準化、開(kāi)放性、可移植性。

　?。?） 根據測試要求確定儀器功能。根據測試任務(wù)確定儀器軟面板具體測試、測量功能，開(kāi)關(guān)、控制等設置要求。

　?。?） 用面向對象的設計方法設計軟面板。按照面向對象的設計思想，一個(gè)虛擬儀器集成系統由多個(gè)虛擬儀器組成，每個(gè)虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控件組成。

　　3 虛擬儀器系統的組建方案

　　在虛擬儀器系統的組建方案，主要包括底層硬件、軟硬件接口、應用程序以及驅動(dòng)程序的設計與開(kāi)發(fā)。

　　3.1 制定所設計儀器的接口形式

　　如果儀器設備具有RS-232串行接口，則直接用連線(xiàn)將儀器設備和計算機的RS-232串行口連接即可。如果是GPIB接口，需要額外配備一塊GPIB-488接口板，將接口板插入計算機的ISA插槽，建立起計算機與儀器設備之間的通信橋梁。如果使用計算機來(lái)控制VXI總線(xiàn)設備，則需要配置一塊GPIB接口卡，通過(guò)GPIB 總線(xiàn)與VXI主機箱零槽模塊通信。零槽模塊的GPIB-VXI翻譯器將GPIB 的命令翻譯成VXI命令并把各模塊返回的數據以一定的格式傳回主控計算機。DAQ數據采集卡是基于計算機標準總線(xiàn)的，因此可以將數據采集卡直接插到計算機的插槽上。

　　3.2 開(kāi)發(fā)硬件采集卡

　　一種典型的數據采集卡組成包括，先用傳感器把非電的物理量轉變成模擬電量，采樣/保持器可以保持信號，實(shí)現對瞬時(shí)信號進(jìn)行采集，以便ADC進(jìn)行數字轉換，提高ADC轉換器的轉換精度。實(shí)現在測量中同時(shí)對多路模擬信號進(jìn)行采樣。多路模擬開(kāi)關(guān)可以分時(shí)選通來(lái)自多個(gè)輸入通道的某一路信號，這樣在多路開(kāi)關(guān)后的單元電路，只需一套即可，也可以采用計算機進(jìn)行多路選擇控制。當傳感器輸出的信號比較小，可以用放大器放大和緩沖輸入信號，如果采用的是可編程增益放大器就可以通過(guò)計算機進(jìn)行增益選擇控制確定增益倍數。精度及性能是儀器系統的生命，而這完全依賴(lài)于提供基礎數據的信號采集控制電路，因此在硬件采集電路的設計時(shí)，需根據所設計的虛擬儀器所要達到的性能指標和被測信號的特點(diǎn)，設計合理的系統結構。系統的結構合理與否，對系統的可靠性、性能價(jià)格比等有直接影響，在硬件和軟件功能的設計上要盡量使虛擬儀器的結構簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低廉，選用合適的單元器件，盡可能的提高采集卡采集的精度和速度。

　　3.3 確定設計采集卡的設備驅動(dòng)程序方案

　　采集卡的設備驅動(dòng)程序是控制各種硬件采集卡的驅動(dòng)程序，是連接主控計算機與信號采集調理部件的紐帶。驅動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶(hù)提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數集，它是虛擬儀器核心軟件之一。

　　3.4 確定虛擬儀器系統應用程序編程語(yǔ)言

　　虛擬儀器系統軟件結構的設計在體現整個(gè)系統的性能和靈活性方面作用很大，因此在開(kāi)發(fā)虛擬儀器系統的軟件部分時(shí)，首先要根據所開(kāi)發(fā)的虛擬儀器功能和性能，確定應用程序和軟面板程序的模塊結構和功能，畫(huà)出各部分的流程圖，采用合適的編程語(yǔ)言。在編制虛擬儀器軟件中可采用兩種編程方法。一種是采用面向對象的可視化的高級編程語(yǔ)言，如VC++、VB和Delphi等編寫(xiě)虛擬儀器的軟件，這種方法實(shí)現的系統靈活性高，易于擴充和升級維護。另一種是采用圖形化編程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用圖形化編程的優(yōu)勢是軟件開(kāi)發(fā)周期短、編程較簡(jiǎn)單，特別適合工程技術(shù)人員使用?？傊诰帉?xiě)程序時(shí)，要盡可能的讓每一模塊都有一定的獨立性，模塊之間明確定義接口，模塊之間可以采用數據傳遞的形式進(jìn)行聯(lián)系。

　　3.5 軟件調試和運行

　　程序編寫(xiě)好以后要對各模塊進(jìn)行調試和運行，可以通過(guò)采集各種標準信號來(lái)驗證虛擬儀器系統功能的正確性和性能的優(yōu)良性。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文研究了虛擬儀器系統的設計方案，主要包括了虛擬儀器系統的構成，虛擬儀器系統軟面板的設計標準、以及虛擬儀器系統的組建方案，用虛擬儀器技術(shù)組建的系統，更加靈活、更緊湊、更經(jīng)濟、功能更強大。無(wú)論是測量、測試、計量或是工業(yè)過(guò)程控制和分析處理，還是其它更為廣泛的測控領(lǐng)域，設計虛擬儀器系統都是理想的、高效率的解決方案。

　　5 本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)

　　本文系統的闡述了先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)的設計方案，提高了虛擬儀器系統設計的標準化程度，節省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，大大的降低了系統的開(kāi)發(fā)成本。

參考文獻:

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