虛擬儀器技（jì）術及其（qí）發展趨勢分析介紹

 
           虛擬儀器是在電腦基礎上通過增加相關硬體和軟體構建而成的、具有（yǒu）視覺化介麵的儀（yí）器。 
 
          虛擬儀器徹底打破了傳統儀器隻能由生產廠家定義，用（yòng）戶無法改變的局麵，從而（ér）使得任何一個用戶（hù）都可（kě）以方便靈（líng）活地用滑鼠或按鍵在電腦顯示幕幕上操作虛擬儀器軟麵（miàn）板的各種“旋鈕”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（ruǎn）體來改變、增減虛擬儀器（qì）係統的功能與規模。虛（xū）擬儀器具有的這種“可開發性”和（hé）“可（kě）擴展性”等優（yōu）越特點使虛擬儀器具有強大的生命（mìng）力和競（jìng）爭力。 
 
          虛擬儀器技術由三大部分組成一、的軟體。軟體是虛（xū）擬儀器技術中zui重要的部分。使用正確的軟體工（gōng）具並通過設計或調用特定的程式模（mó）組（zǔ），工程師們可以地創建自己的應用以及友好的人（rén）機交互介麵。NI公司（sī）提供的行業標準圖形化編程軟體---LabVIEW，不僅能輕（qīng）鬆方便地完成與各種軟硬體的連接，更能提供強大的後續資料處理能力，設置資料處理、轉換、存儲的方式，並將結（jié）果顯示給用戶（hù）。此外，NI提供了更（gèng）多互動式的（de）測量（liàng）工具（jù）和更高（gāo）層的係統管理軟體工具，滿足客戶對（duì）高性能應用的需求。二、模組化的I/O硬體。麵對如今日益複雜的（de）測試測量應用，NI提供了的軟硬體的解決方案。無論用（yòng）戶是使用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，產品種類從資料獲取、信號處理、聲音和振動（dòng）測量、視覺、運動、儀器控製、分散式I/O到CAN介麵等工業通信，應有盡有（yǒu）。NI高性能（néng）的硬體產品（pǐn）結合靈活的開發軟體，可以為負責測（cè）試和（hé）設計工作的工程師（shī）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已經達到了（le）每兩個工作日推出一款硬體產品的速度，大大拓寬了用戶的選擇（zé）麵。三、用於集成（chéng）的軟硬體平臺（tái）。NI首先提出的專為測（cè）試（shì）任務設（shè）計的PXI硬體平臺，已經成為當今測試、測量和（hé）自動化應用的標準平臺，它的開放式構架、靈活（huó）性和PC技術的成本優（yōu）勢，為測量和自動化行業帶來了一場翻天覆（fù）地的變（biàn）革。由NI發起的PXI係統聯盟現已吸引（yǐn）了68家廠商，聯盟（méng）屬下的產品數量也已激增至近（jìn）千種。 
 
          1、硬體（tǐ）技術 
 
          1.1卡（kǎ）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（yí）器自身不帶儀器麵板，它必須借助電腦強大的圖形環境，建立圖形化的虛擬麵板，完成對儀器的控製、資料分析（xī）和顯示。以資料獲取（qǔ）卡為例，它通常具有A/D轉換、D/A轉換、數位I/O和計數器/計時器等功能，有些還（hái）具有數位濾波和數（shù）位（wèi）信號處理的功能。現在的多功能資料獲取（qǔ）卡多採用了“虛擬硬體（VirtualHardware，簡稱VH）的技術（shù），它（tā）的思想源於可編程器（qì）件，使（shǐ）用戶（hù）通過程式能夠方便地改變（biàn）硬體的（de）功能或性（xìng）能參數（shù），從（cóng）而依靠硬體設備的柔性來增強其適用性和靈活性。目前市麵上的VH，其採樣率（lǜ）和精度都是可變的。 
 
          由於卡式儀器與電腦結合緊密，能夠充分利用已有的電腦（nǎo）資源，較之傳（chuán）統儀器成本更低廉、使用更靈活、性能更強，因此它是一種極具潛力（lì）的儀器種類。 
 
          1.2匯流排技術 
 
          1.2.1儀器匯流排 
 
          GPIB匯（huì）流排（即IEEE488匯流排）是一種數位式平行匯流排，主（zhǔ）要用於（yú）連接測試（shì）儀器和電腦。
  該匯流排zui多可以連接15個設備（包括作為（wéi）主控器的主機）。如果採用高（gāo）速（sù）HS488交互握手協定，傳輸速（sù）率可高到8MBps。 
          VXI匯流排（pái）（即IEEE1155匯流（liú）排）是一種高速電腦匯流排（pái）—VME匯流排在儀器領域的（de）擴（kuò）展。它（tā）是在1987年，由五家測試和（hé）儀器公司（Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments）製（zhì）訂的儀器匯流排標準（zhǔn）。VXI匯流排具有標準開放、結構緊湊、資料吞（tūn）吐能力強，zui高可達40MBps，定時和同步精確、模組可重複利用、眾多儀（yí）器廠家支援的特點，因此得到了廣泛的應用。不過，由（yóu）於價格較高，推廣應用受（shòu）到一定限製（zhì），主要集中在航空、航太等國（guó）防軍工領域。 
 
          PXI匯流排是以CompactPCI為基礎（chǔ）的，由具有開放性的PCI匯流排（pái）擴展而來（NI公司於1997年提出）。PXI匯流排符合工業標準，在機械、電氣和軟體特性方麵（miàn）充分發揮了PCI匯流排的全部優點。PXI構造類似於VXI結（jié）構（gòu），但它的設（shè）備（bèi）成本更低、運行速度更快，體積更（gèng）緊湊。目前（qián）基於PCI匯流排的軟硬體均可（kě）應（yīng）用於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（kě）擴展性，它有8個（gè）擴展槽，而臺式PCI係（xì）統隻有3～4個擴展槽。PXI係統通過使用PCI-PCI橋接器，可（kě）擴展（zhǎn）到256個擴展槽。PXI匯流排的傳輸速率已經達到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（yuè）來越廣泛的應用。 
 
          1.2.2電腦匯流排 
 
          ISA匯流排（pái）是一種8位元或16位元非同步資料匯流排，工作頻率為8MHz，zui高資料傳輸率在8位時為24MBps，16位時為48MBps。這（zhè）種（zhǒng）匯流排對於低速資料採樣與處理來說是（shì）有效的，但對於基於高性能PC機的多工作業係統和（hé）高速資料獲取係統來說，ISA匯流排由於其帶寬、位數等的限製，故不能滿足係統工作的（de）要求。新型主板和高版本作業係統已不再支援ISA匯流排。 
 
          PCI匯流排是（shì）一種同步的獨（dú）立於CPU的32位元或64位（wèi）元區域匯流排，時鐘頻率為33MHz，資料（liào）傳（chuán）輸率（lǜ）高達（dá）132～264MBps，PCI匯流排技術的無限讀寫突發方式，可在一瞬（shùn）間發送大量資料。PCI匯流排上的週邊（biān）設備可與CPU併發（fā）工作，從而提（tí）高了整體性能。PCI匯（huì）流排還有自動配置功能，從而使所有與PCI相容的設備實現真正的“即（jí）插即（jí）用”（plug&play）。PCI匯流排由於上述優點而得到了廣泛應（yīng）用，已成為PC工業的（de）事實標準。 
 
          USB通用串列匯流排（Universalserialbus）和IEEE1394匯流排（又叫Fireware匯流排）是被PC機廣泛採用的兩種匯流排，它們已被集成到電腦主板上。 
 
          USB匯流（liú）排能以雛菊鏈方式連接127個裝置，需要一對信（xìn）號線及電源線。USB2.0標準的資料傳輸率能達（dá）到480Mbps。該匯流排具有輕（qīng）巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的特點，現在已被廣泛用於寬（kuān）頻數位攝像機、掃描器、印表（biǎo）機及存儲設備。IEEE1394匯流排是由蘋果公司於1989年設計的高性能串口匯流（liú）排，目前傳輸速率（lǜ）為100、200、400Mbps，將來可達3.2Gbps。這種匯流排（pái）需要（yào）兩對信號線和（hé）一對電（diàn）源線，可以用任意（yì）方式連接63個裝置，它是專為需要大資料量串列（liè）傳送的數碼相機、硬碟等設計的。
 
        USB及IEEE-1394匯（huì）流排均具有“即插即用”的能力，與平（píng）行匯流排相比，更適合於連（lián）接多外設的需要。 
 
          1.2.3工（gōng）業（yè）現場匯流排 
 
          為了共用測試係（xì）統資源，越來越多的用戶正在轉向網路。工業現場匯流排是一個網路通訊標準，它使得不同廠家的產品通過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（zhǔn），如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和（hé）DeviceNet等，它們（men）競（jìng）爭非常激烈。通用（yòng）現場匯流排的發展需要一段（duàn）時間。 
 
          1.3虛擬儀器係統組建方案 
 
          虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機組建成為靈（líng）活（huó）的虛擬儀器，更重要的是（shì）它可以通過各種不同的介麵匯流排，組建不同規模的自動測（cè）試係（xì）統。虛擬儀器（qì）係統按（àn）硬體構成方式，可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（chéng）GPIB係統（tǒng）。 
 
          （2）VXI儀器與（yǔ）計算（suàn）機組成（chéng）VXI係統。 
 
          （3）PXI儀器組成PXI係統。 
 
          （4）以DAQ和信號調理部分為硬體組（zǔ）成PC-DAQ測試係統。 
 
          （5）平行匯流排儀器組成（chéng）平行匯流排係統。 
 
          （6）串（chuàn）列匯流排儀器組成串列匯流排係統。 
 
          （7）現場匯（huì）流排設備組成現場匯流排係（xì）統。 
 
          一般來說，GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成（chéng）測試係（xì）統；PC-DAQ、並行口式（shì）、串列口式（shì）（如USB式）係統適合普及型的廉價係統；現場匯流排係統主要用於大規模的網路測試（shì）。有時，可以根據（jù）不同需要組建不同規模（mó）的自動測試係統（tǒng），也可以將上述幾種（zhǒng）方案結合（hé）起來組成混（hún）合（hé）測試係統（tǒng）。 
 
          2、軟體（tǐ）技術 
 
          軟體是虛（xū）擬儀器的關鍵（jiàn），以下介紹虛（xū）擬（nǐ）儀器應用軟體的開發（fā）平臺、儀器驅動程式以及I/O介麵軟體。 
 
          2.1軟體發展平臺 
 
          虛擬儀器的（de）開發環境（jìng）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（shì）視覺化的開發工具，但它們對開發人員的（de）編（biān）程能力要（yào）求很（hěn）高，而且開（kāi）發週期較長。HPVEE是（shì）一個基於圖形的虛（xū）擬儀器編程環（huán）境，擁有較多的用戶，缺點是其生（shēng）成的應用程式（shì）是解釋執行的，運行（háng）速度較慢。 
 
          LabVIEW是目前國際上*的基於資料流程的（de）編譯型（xíng）圖（tú）形編程環境，它（tā）把複雜、煩瑣、費時的語言編程簡（jiǎn）化成用簡單或圖示（shì）提示的方法選擇功能（圖形（xíng）），並用線條把（bǎ）各種（zhǒng）圖（tú）形連（lián）接起來的簡單（dān）圖形編程方式，使得不熟悉編（biān）程的（de）工程技（jì）術人員都可以按照測試要求和任務快速“畫”出自己的程式，“畫”出儀器麵板，這大大提（tí）高了工作效率，減輕了科研和工程技術人員的工作量，因此，LabVIEW是一種優秀的虛擬儀（yí）器軟體發展平臺。
 
        2.2儀器（qì）驅動程式 
 
          儀器驅動程式（shì）是測試係統中zui重要的組成部分之一，用來實現儀器硬體的通信、控製功能。傳統的儀器驅（qū）動程式由儀器硬體廠商隨硬體提供，由於不同廠家儀器硬（yìng）體的差異，使得（dé）在更換儀器硬（yìng）體的同時不得（dé）不修改測試代碼。為了能自由（yóu）互換儀器硬體而無需修改測試程式，即解決儀器的互操（cāo）作問題，VXIplug&play聯盟開發了儀（yí）器驅動標準VISA。VISA用G語言（圖形語言）或（huò）ANSIC語（yǔ）言寫成，它可以用於多種虛擬儀器開發環境和多種作業係統。 
 
          1999年NI公司提出了可互（hù）換虛擬儀（yí）器標準（zhǔn）IVI（InterchangeableVirtualInstruments），使程式的開發*獨立於硬體。IVI是建立在VXIplug&play驅（qū）動程式標準之上的（de），它解決了儀器的互操作（zuò）問題。IVI驅動器通過一個通用的類驅動器實現對儀器的控製。類驅動器是（shì）儀器（qì）的功能和（hé）屬性集，通過這些功（gōng）能和屬（shǔ）性集實現對一種儀器（qì）類（示波器、數（shù）位電壓表、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（yòng）的驅動（dòng）器與物理的儀器通信。專（zhuān）用（yòng）的儀器驅動器（和對應的物理儀器）可以被（bèi）改變，但應用程式碼保持不（bú）變。採用IVI技術，可以降低軟（ruǎn）體（tǐ）的維護費用，減少係統停運時間，提高測試代（dài）碼的可重用性，使儀器編程更簡單。 
 
          2.3I/O介麵軟體 
 
          I/O介麵（miàn）軟（ruǎn）體是虛擬儀器係統軟體的基礎，用於處理電腦與儀器硬（yìng）體間連接的低層（céng）通（tōng）信協定。當今優（yōu）秀的虛擬儀器測試軟體都建立在（zài）一個標準化I/O介麵（miàn）軟體元（yuán）件的通用（yòng）內核之上，為（wéi）用戶提供一個一致的、跨電腦平臺（tái）的（de）應用編程介麵（API），使用戶的測（cè）試係統能夠選擇不同的電腦平臺和儀器硬體。 
 
          3、發展趨勢 
 
          隨著（zhe）電（diàn）腦技術、儀器技術和網路通信技術的不斷完善，虛擬儀器將向以下（xià）三個方向發展： 
 
          （1）外掛式虛擬儀（yí）器 
 
          PC-DAQ式虛擬儀器是現在比較流行的虛擬儀器係統，但是，由於基於PCI匯流排的虛擬儀器在插入DAQ時都需要打開機箱等，比較麻煩（fán），而且，主機上的PCI插槽有限（xiàn），再加上測試信號直接進（jìn）入電腦，各種現（xiàn）場的被測信號對電腦的安全造成很大的（de）威脅，同時，電腦內部的強電磁幹擾（rǎo）對被測信號也會造成很大（dà）的影響，故（gù）以USB介（jiè）麵（miàn）方式的外掛式虛擬儀器係統將成為今後廉價型虛擬儀器測試係（xì）統的主流。 
 
          （2）PXI型高精度集成（chéng）虛擬儀器測試係統 
 
          PXI係統高度的可擴展性和良好的相容性，以及比VXI係統（tǒng）更高的性（xìng）價比，將使它成為未來（lái）大型高精度集成測試係統的（de）主流虛擬儀器平臺。 
 
          （3）網路化虛擬（nǐ）儀器（qì） 
 
          儘管Internet技術zui初（chū）並沒（méi）有（yǒu）考（kǎo）慮如何將嵌入式智慧型儀器器設備連接在一（yī）起，不過NI等公（gōng）司已開發（fā）了通過Web流覽器觀測這些（xiē）嵌入式儀器設備的產品，使人們可（kě）以通過Internet操作儀器設備（bèi）。根據虛擬儀器的特性（xìng），我們（men）能夠方便地將虛擬儀器組成電腦網路。
 
  利用網路（lù）技術將分散在不同地理位置（zhì）不同功能的（de）測試設備聯（lián）繫在一起，使昂貴的硬體（tǐ）設備（bèi）、軟體（tǐ）在網路上得以共用，減少（shǎo）了設備重複投（tóu）資。現在，有關MCN（MeasurementandControlNetworks）方麵（miàn）的標準正在積極進行，並（bìng）取得了一定（dìng）進展。由此可見，網（wǎng）路（lù）化虛擬儀器將具有廣泛（fàn）的應用前景。 
          4、虛擬儀器技術凸（tū）顯四大優勢 
 
          虛擬儀器技術就是利用高（gāo）性能的模組化硬體，結合靈活的（de）軟體來完成各種測（cè）試、測量和自動化的應用（yòng）。隻有同（tóng）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（sān）大組成部分，才能充分發揮虛擬儀器技術性（xìng）能（néng）高、擴展性強、開發時間少以及出色的集成這四（sì）大（dà）優勢。 
 
          4.1性能高 
 
          虛擬儀器（qì）技術（shù）是在PC技術的基礎上發展（zhǎn）起來的，所以*"繼承"了以現成即用的PC技術為主導的（de）商業技術的優點，包括功能的處（chù）理器和檔I/O，使用戶在資料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（zhǎn）的網際（jì）網路和越來越（yuè）快的電腦網路使得虛擬儀器技術（shù）展現其更強大的優勢。 
 
          4.2擴展性強 
 
          得益於NI軟體的靈活性，隻需更新電腦或測量硬體，就能以zui少的（de）硬體投資和極（jí）少的（de）、甚至無需軟體上的升（shēng）級即可改進用戶（hù）的整個係統。在利（lì）用科技的時候，用戶還可（kě）以把它們集（jí）成到現有的測量設備（bèi），zui終以較少（shǎo）的成本加快（kuài）產（chǎn）品上（shàng）市時間。 
 
          4.3開發（fā）時間少 
 
          在驅動和應用兩個層（céng）麵上，NI的軟體構架能（néng）與電（diàn）腦、儀器（qì）儀錶和通信方（fāng）麵的技術（shù）結合在一起。NI設計這一（yī）軟體架構的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強（qiáng）大的功能，使用戶輕鬆地（dì）配置、創建、發佈、維護和修改高性能、低成本（běn）的測量和控製解決方案。 
 
          4.4集成 
 
          虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬（yìng）體概念。隨著產品在功能上不斷趨於複雜，工（gōng）程（chéng）師們通常需要集成（chéng）多個測量設備來滿足完（wán）整的測試需求，而連接和集成這些（xiē）不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟體（tǐ）平臺為所有的（de）I/O設備（bèi）提供了標（biāo）準的介麵，幫（bāng）助用戶輕（qīng）鬆地將多個測量（liàng）設備集成到單個係統，減少了任務的複雜（zá）性。