虚拟仪器是以一种全新的理念来设计和发展的仪器,他是90年代发展起来的一项新技术,主要用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域,其基本思想是在仪器设计或测试系统中尽可能用软件代替硬件,即“软件就是仪器”,他是在通用计算机平台上,根据用户需求来定义和设计仪器的测试功能CONTROL ENGINEERING China版权所有,其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能。
1虚拟仪器的特点和构成
1.1虚拟仪器的特点
与传统仪器相比CONTROL ENGINEERING China版权所有,虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性 好等明显优点,具体表现为:
智能化程度高,处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求,将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成,从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
复用性强,系统费用低 应用虚拟仪器思想,用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器,如同一个高 速数字采样器,可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪 器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计
可操作性强,易用灵活 虚拟仪器面板可由用户定义,针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的 多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解,测量结果可以直接进入数 据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线,这些都使得仪器的 可操作性大大提高而且易用、灵活。
1.2虚拟仪器的构成
虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。
硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定,其中接口设计可选用的接口总线标准包 括GP IB总线、VXI总线等。推荐选用VXI总线。因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速 率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点,因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪 器生产厂家的认可,目前VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台,是仪器硬件的发 展方向。由于VXI虚拟仪器的硬件平台的基本组成是一些通用模块和专用接口。因此硬件电 路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括:信号调 理和高速数据采集;信号输出与控制;数据实时处理。这3部分概括了数字化仪 器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来CONTROL ENGINEERING China版权所有,就能构成任何一种虚拟仪器。 例如使用高速数据采集模块和高速实时数据处理模块就能构成1台示波器、1台数字化仪或 1台频谱分析仪;使用信号输出与控制模块和实时数据处理模块就能构成1台函数发生器、 1台信号源或1台控制器。专用接口是针对特定用途仪器需要的设计,也包括一些现场总线 接口和各类传感器接口。系统的主要硬件包括控制器、主机箱和仪器模块。常用的控制方案 有GPIB总线控制方式的硬件方案、MXI总线控制方式的硬件方案、嵌入式计算机控制方式的 硬件方案3种。VXI仪器模块又称为器件(devices)。VXI有4种器件:寄存器基器件、消 息基器件、存储器器件和扩展器件。存储器器件不过是专用寄存器基器件,用来保存和传输 大量数据。扩展器目前是备用件,为今后新型器件提供发展通道。将VXI仪器制作成寄存器 基器件,还是消息基器件是首先要做出的决策。寄存器基器件的通信情况极像VME总线器件 ,是在低层用二进制信息编制程序。他的明显优点在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制这一层次上进行通信的。这种高速通信可以使测试系统吞吐量大大提高。因此控制工程网版权所有,寄 存器基器件适用于虚拟仪器中信号/输出部分的模块(如开关、多路复用器、数/模转换输出 卡、模/数转换输入卡、信号调理等)。消息基器件与寄存器基器件不同,他在高层次上用A SCII字符进行通信,与这种器件十分相似是独立HPIB仪器。消息基器件用一组意义 明确的 “字串行协议”相互进行通信,这种异步协议定义了在器件之间传送命令和数据所需的挂钩 要求。消息基器件必须有CPU(或DSP)进行管理与控制。因此控制工程网版权所有,消息基器件适用于虚拟仪器 中数字信号处理部分的模块。
软件的开发与设计包括3部分:VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件(软面板) 。软件结构如图1所示。
VXI总线接口软件由零槽控制器提供,包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和 编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之间建立连接,提供对VXI背板总线的控制和支 持www.cechina.cn,是实现VXI系统集成的基础。
仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序,也即模块的驱动软件,他 的设计必须符合VPP的2个规范,即V