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虛擬儀器技術(shù)及其在數據采集中的應用
作者：
時(shí)間：2012-11-05
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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虛擬儀器是以一種全新的理念來(lái)設計和發(fā)展的儀器，他是90年代發(fā)展起來(lái)的一項新技術(shù)，主要用于自動(dòng)測試、過(guò)程控制、儀器設計和數據分析等領(lǐng)域，其基本思想是在儀器設計或測試系統中盡可能用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”，他是在通用計算機平臺上，根據用戶(hù)需求來(lái)定義和設計儀器的測試功能，其實(shí)質(zhì)是充分利用計算機的最新技術(shù)來(lái)實(shí)現和擴展傳統儀器的功能。
1、虛擬儀器的特點(diǎn)和構成
1.1 虛擬儀器的特點(diǎn)
與傳統儀器相比，虛擬儀器具有高效、開(kāi)放、易用靈活、功能強大、性?xún)r(jià)比高、可操作性 好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現為：
智能化程度高，處理能力強 虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶(hù)完全可以根據實(shí)際應用需求，將先進(jìn)的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專(zhuān)家系統應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。
復用性強，系統費用低 應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個(gè)高 速數字采樣器，可設計出數字示波器、邏輯分析儀、計數器等多種儀器。這樣形成的測試儀 器系統功能更靈活、更高效、更開(kāi)放、系統費用更低。通過(guò)與計算機網(wǎng)絡(luò )連接，還可實(shí)現虛 擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。
可操作性強，易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶(hù)定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的 多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀(guān)、簡(jiǎn)便、易于理解，測量結果可以直接進(jìn)入數 據庫系統或通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線(xiàn)，這些都使得儀器的 可操作性大大提高而且易用、靈活。
1.2 虛擬儀器的構成
虛擬儀器的構建主要從硬件電路的設計、軟件開(kāi)發(fā)與設計2個(gè)方面考慮。
硬件電路的設計主要根據用戶(hù)所面對的任務(wù)決定，其中接口設計可選用的接口總線(xiàn)標準包 括GP IB總線(xiàn)、VXI總線(xiàn)等。推薦選用VXI總線(xiàn)。因為他具有通用性強、可擴充性好、傳輸速 率高、抗干擾能力強以及良好的開(kāi)放性能等優(yōu)點(diǎn)，因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀 器生產(chǎn)廠(chǎng)家的認可，目前VXI模塊化儀器被認為是虛擬儀器的最理想平臺，是儀器硬件的發(fā) 展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺的基本組成是一些通用模塊和專(zhuān)用接口。因此硬件電 路的設計一般可以選擇用現有的各種不同的功能模塊來(lái)搭建。通用模塊包括：信號調 理和高速數據采集；信號輸出與控制；數據實(shí)時(shí)處理。這3部分概括了數字化儀 器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來(lái)，就能構成任何一種虛擬儀器。 例如使用高速數據采集模塊和高速實(shí)時(shí)數據處理模塊就能構成1臺示波器、1臺數字化儀或 1臺頻譜分析儀；使用信號輸出與控制模塊和實(shí)時(shí)數據處理模塊就能構成1臺函數發(fā)生器、1臺信號源或1臺控制器。專(zhuān)用接口是針對特定用途儀器需要的設計，也包括一些現場(chǎng)總線(xiàn) 接口和各類(lèi)傳感器接口。系統的主要硬件包括控制器、主機箱和儀器模塊。常用的控制方案 有GPIB總線(xiàn)控制方式的硬件方案、MXI總線(xiàn)控制方式的硬件方案、嵌入式計算機控制方式的硬件方案3種。VXI儀器模塊又稱(chēng)為器件（devices）。VXI有4種器件：寄存器基器件、消 息基器件、存儲器器件和擴展器件。存儲器器件不過(guò)是專(zhuān)用寄存器基器件，用來(lái)保存和傳輸 大量數據。擴展器目前是備用件，為今后新型器件提供發(fā)展通道。將VXI儀器制作成寄存器 基器件，還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像VME總線(xiàn)器件 ，是在低層用二進(jìn)制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點(diǎn)在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制這一層次上進(jìn)行通信的。這種高速通信可以使測試系統吞吐量大大提高。因此，寄 存器基器件適用于虛擬儀器中信號/輸出部分的模塊（如開(kāi)關(guān)、多路復用器、數/模轉換輸出 卡、模/數轉換輸入卡、信號調理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用A SCII字符進(jìn)行通信，與這種器件十分相似是獨立HPIB儀器。消息基器件用一組意義 明確的 “字串行協(xié)議”相互進(jìn)行通信，這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數據所需的掛鉤 要求。消息基器件必須有CPU（或DSP）進(jìn)行管理與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器 中數字信號處理部分的模塊。
軟件的開(kāi)發(fā)與設計包括3部分：VXI總線(xiàn)接口軟件、儀器驅動(dòng)軟件和應用軟件（軟面板） 。軟件結構如圖1所示。 
圖1 系統軟件構成
VXI總線(xiàn)接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和 編程函數庫等。該軟件在編程語(yǔ)言和VXI總線(xiàn)之間建立連接，提供對VXI背板總線(xiàn)的控制和支 持，是實(shí)現VXI系統集成的基礎。
儀器驅動(dòng)程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅動(dòng)軟件，他 的設計必須符合VPP的2個(gè)規范，即VPP3.1《儀器驅動(dòng)程序結構和模型》和VPP3.2《儀器 驅動(dòng)程序設計規范》。
“軟面板”設計就是設計具有可變性、多層性、自助性、人性化的面板，這個(gè)面板應不 僅同傳統儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動(dòng)條、開(kāi)關(guān)按鈕、報警裝 置等功能部件，而且應還具有多個(gè)連貫操作面板、在線(xiàn)幫助功能等。
2、虛擬儀器在數據采集中的應用
利用虛擬儀器制作數據采集器可以按照硬件設計、軟件設計兩個(gè)步驟來(lái)完成。
2.1 硬件設計
硬件設計要完成以下內容：
(1) 模/數轉換及數據存儲
設置具有通用性的數據自動(dòng)采集系統，一般應滿(mǎn)足能對多路信號盡可能同步地進(jìn)行采集，為了使所采集到的數據不但能夠在數據采集器上進(jìn)行存儲，而且還能及時(shí)地在采集過(guò)程中 將數據傳送到上位機，選用存儲量比較適中的先進(jìn)先出存儲器，這樣既能滿(mǎn)足少量數據存儲 的需要，又能在需要實(shí)時(shí)傳送數據時(shí)，在A(yíng)/D轉換的同時(shí)進(jìn)行數據傳送，不丟失任何數據。
(2) VXI總線(xiàn)接口
VXI總線(xiàn)數據采集器通?？梢岳脙煞NVXI總線(xiàn)通用接口消息基接口和寄存器基接口。消 息基接口的作用是通過(guò)總線(xiàn)傳送命令，從而控制儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡(jiǎn)單的讀寫(xiě)來(lái)控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進(jìn)行設計，具體消息基接口的框圖見(jiàn)圖2。
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