虚拟仪器技术在现代测试技术中的应用

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1、虚拟仪器技术在现代测试技术中的应用伴随着以信息技术、网络技术和计算机技术为核心的第四代科技浪潮的到来，电子测量仪器领域法身了一场革命性的变革，测试技术在全球化的驱动下，正朝着保准化、通用化、网络化的方向迈进。传统的测试仪器逐步被与PC机相结合使用的模块式仪器所取代，形成了所谓的“虚拟仪器”。虚拟仪器是用通用计算机硬件加上软件来仿真歘弄测量仪器的设备，是以测量、分析、显示为主，控制为辅的更加先进的科学仪器，它为仪器的测量分析带来了更加辉煌的未来。虚拟仪器技术是计算机测控技术的重要分支。1. 虚拟仪器的基本结构所有的恶虚拟仪器系统都是将仪器硬件搭载到各种计算机平台加上应用软件而构成的。虚拟仪器的基

2、本结构由计算机硬件平台、模块化的I/O接口硬件和虚拟仪器软件三部分构成。1.1 计算机硬件平台计算机硬件平台可以使各种类型的计算机，计算机管理者虚拟仪器的硬件资源、是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在现实、储存能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，促使了虚拟仪器系统的快速发展。1.2 模块化的I/O接口硬件I/O接口硬件根据不同的标准接口总线转换输入或输出信号，供其它系统，在此基础上组成虚拟仪器测试系统。I/O硬件部分可有数据采集卡、GPIB几口、串并口、VIX接口、LAN接口、现场总线接口等构成，他们的主要功能是完成对被测信号的采集、传输和现实测量的结果。1.3 虚拟仪器软件软件是虚拟仪

3、器技术中最重要的部分。使用正确的软件工具并通过设计和调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效的穿件自己的应用以及友好的人机交互界面。有了功能强大的软件，用户就可以在以其中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。虚拟仪器的软件是核心、关键部分，用于实现对一起硬件通信和控制，对信号进行分析处理，对结果表达和输出。虚拟仪器实质上是“软硬结合”、“虚实结合”的产物，它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。它强调软件的应用，提出“软件就是仪器”的概念，在虚拟仪器中，硬件仅仅解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键。用户可以根据自己的需要通过编制不同的测试

4、软件来构成各种功能的测试系统，其中许多硬件功能可直接由软件实现，系统具有极强的通用性和多功能性。2. 虚拟仪器的构成方式虚拟仪器的硬件平台由计算机和其I/O接口设备两部分组成。I/O接口设备主要执行信号的输入、数据采集、放大、模/数转换等任务。根据I/O接口设备总线类型的不同，虚拟仪器构成方式主要有插卡式DAQ、GPIB、VXI、PXI、串口总线、现场总线六种标准硬件体系结构，如图1所示。图1 虚拟仪器的构成方式2.1 基于PC的插卡式虚拟仪器通过在PC内直接插入一块内插式多功能数据采集卡，将前端仪器传来的模拟信号采集到计算机，直接经过PCI总线，由CPU进行分析、处理，再通过显示器显示。微处

5、理器可以立即访问这些数据，数据由微处理器和数据采集板共享。它更加充分利用计算机的资源，大大怎家了测试系统的灵活性和扩展性。一块DAQ卡可以玩横A/D转换、D/A转换，数字输入输出，计数器定时器等多种功能，再配以乡音的信号调理电路组件，即可构成各种虚拟仪器硬件平台。这种仪器功能灵活，通用性强、可靠性高、性价比高，是一种非常实用的虚拟仪器结构方案，应用非常广泛。2.2 基于GPIB总线的虚拟仪器GPIB是计算机和仪器间的标准通信协议，也是最早的仪器总线。一个典型的GPIB测试系统包括一台PC、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器，每台GPIB仪器有单独的地址，有计算机控制操作。一块GPIB接口卡

6、最多可连接15台GPIB仪器。GPIB接口板插入计算机的插槽中，建立起计算机与具有GPIB接口的仪器设备之间的通信桥梁。利用GPIB技术，可以用计算机实现对仪器的操作和控制，由此替代传统的人工操作方式、排除人为因素造成的测量误差。同时由于可以预先编制好测试程序，实现自动测试，提高了测试的可靠性和效率。利用GPIB技术，可以翻边的将多台一起组合起来，形成较大的自动测试系统。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件做想应该懂，就可高效、灵活的完成各种不同规模的测试任务。2.3 基于VXI总显得虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线在仪器领域的扩展。VXI总线是在VME总线、IEEE

7、48等基础上形成的一种开放型仪器总线标准。VXI系统由VXI标准机箱、零槽控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。它最多可包含256个模块，系统中各种功能模块可随意更换，即插即用组成新的系统。VXI总线标准具有标准开放，即插即用，结构紧凑，数据吞吐能力强，定时与同步精确，模块可重复使用，众多仪器生产厂商支持等优点，应用越来越广。VXI规范使用得用户在组建VXI系统时可不比局限于一家厂商的产品，允许根据自己的要求自由选购各仪器厂商的仪器模块，从而使一起达到最优。2.4 基于PXI总线的虚拟仪器NI公司于1997年推出PXI控制方案，基于PCI总线的虚拟仪器系统框架，PXI将

8、主流PCI计算技术和控制器采用流行的奔腾MMX处理器，带有标准GPIB接口、并/串口、以太网接口及显示器接口，为用户组件速度快、成本低、结构紧凑的测试系统提供了可行性。PXI是一种新的基于工业标准的PCI总线的开放式、模块化仪器总线规范，其核心是CompactPCI结构和MicrocoftWindows软件。PCI是在PCI总线内核技术基础上增加了成熟的技术规范和要求形成的，例如增加了多板同步的触发总线和参考时钟，用于定时的星形触发总线以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等。2.5 基于串口总线的虚拟仪器通过串口可实现仪器与计算机、仪器与仪器之间的相互通信，从而组成由多台一起构成的自动测试系统

9、。RS-232总线是早期采用的PC通用串行总线，适合于单台仪器与计算机的连接，但控制性能较差。当今PC已更多采用USB和IEEE 1394 总线。但是，USB总线目前只用于较简单的测试系统。在用虚拟仪器组建自动测试系统时，目前最有发展前景的是采用IEEE 1394高速串行总线。2.6 基于现场总线的虚拟仪器现场总线系统以现场总线为纽带，把多个分散的智能仪表、控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络与控制系统。用于现场总线系统的智能传感器、变送器、仪表灯统称为现场总线仪表。各种现场总线仪表采用标准化、开放式通信协议，这样不同厂商的产品可以方便的连接在现场总线上，是系统具有可操作性。

10、现场总线是一种全数字化，穿行、双向、多站的通信网络，采用一对简单的双绞线进行数据传输与信息交换。影响广泛的现场总线由FF总线。LON总线、LongWorks总线、CAN总线、ProfiBus总线等。3. 构建虚拟仪器的步骤如何提高实验室中各种各样的仪器与设备？最有效的方法是采用“虚拟仪器”技术，即充分利用计算机强大的管理与处理能力，以此为基础，将实验室相关设备搭配起来，构成一种全新的实验环境。构建虚拟仪器系统的步骤如下：3.1 确定所用仪器或设备的接口形式如果设备具有RS-232串行总线借口，则不用进行处理，直接用连接线将仪器设备与见算计的RS-232串口连接即可。如果是GPIB或HP-IB接

11、口，则需要额外配备一块GPIB接口板卡，将借口板卡插入计算机的ISA插槽，建立起计算机与仪器设备之间的通信渠道。如果使用计算机来控制VXI总线设备，则也需要配备一块GPIB接口卡，通过GPIB总线与VXI主机线零槽块通信，零槽块的GPIB-VXI翻译器将GPIB的命令翻译成VXI命令，并把个模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。3.2 确定所选择的接口卡是否具有设备驱动程序接口卡的设备驱动程序是控制各种硬件接口的驱动程序，是连接主控计算机与仪器设备的纽带。如果有设备驱动程序，看他适合于何种操作系统；如果没有，或者所带的驱动设备驱动程序不符合用户所用的操作系统，用户就有必要针对所用接口卡，编

12、写设备驱动程序。3.3 确定应用程序的编程语言如果用户有专业的图形化编程软件，如HPVEE、LAbVIEW、LabWindows/CVI等，那么就可以采用专业的图形化编程软件进行编程了；若没有，则可以采用通用编程语言进行编写。3.4 编写用户的应用程序在硬件连接无误的情况下，编写用户的应用管理程序。可根据仪器的功能，确定软件所采用的算法、处理分析方法和显示方式。有事用户需要建立具有特定功能的虚拟仪器，那么可以根据具体要求进行构造。同其他应用程序一样，虚拟仪器软件的设计也要经历需求分析、总体设计、模块设计、代码编写、总体城市的过程。3.5 调试运行应用程用数据或仿真的方法，验证仪器功能的正确性，

13、调试并运行仪器。虚拟仪器软甲的开发又有着自身的特殊性，这种特殊性主要体现在虚拟仪器软件在某种程度上式传统硬件的“仿真”，其设计目的之一就是用软件实现硬件的功能。为此，就必然要求虚拟仪器软件的开发总从一些特殊的规则。4. 虚拟仪器的应用虚拟仪器由于其功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。在测量系统方面，虚拟仪器的应用空间更为广阔。环顾当今社会，随着信息技术的迅猛发展，各行各业舞步转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算机应用成为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬件配合计算机实现专用设备的数据处理、数据

14、传输的计量场合。测量与处理，结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、储存、处理、分析一条龙操作，及有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替。在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样广泛应用，绝大部分闭环控制系统要求精确地采样，及时的处理数据和快速地传输数据。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体的设计。尤其在制造业，虚拟仪器的卓越据算能力和巨大的数据吞吐能力必将使其在温控系统、在线检测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。5. 虚拟仪器的开发平台实例应用结合本科阶段的对其中的一种开发平台的使用来介绍一下虚拟仪器的简单应用。5

15、.1 实例介绍应用源于工程实际，主要目的是进行消防设备的状态检测，在掌握消防车辆主要设备工作原理的基础上进行功能区分，信息分类整理，设计合适的控制界面，完成相应的功能实现。对于简单虚拟仪器系统的应用软件，用直接涉及的方法即可解决问题，即先根据需要设计出程序框图，然后选用某种程序语言及开发工具编制程序。该界面的设计主要选用Labwindows/CVI完成，它以ANSIC为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和现实的测控专业工具有机结合起来。它的交互式开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和函数库大大增强了C语言的功能。以设计的操作面板和硬件为基础，确定系统的信号采集及其处

16、理，结合系统工作环境的特点做好硬件和软件的功能分配，结合被监测信号的特点确定的性能指标。最后模拟运行该监控界面，调试程序。总体结构如图2所示。图25.2 前面板设计Labwindows/CVI编辑的界面通过集合各虚拟仪器的面板来模拟真实的工作环境，根据对消防系统的功能分析，结合确定的主要检测参数及控制量确定面板的结构框图。面板和控件是虚拟仪器的重要组成部分。面板是用户界面的基础，用户可以任意添加各种控件来建立用户界面。Labwindows/CVI中的面板就是对传统以其中控制面板的模拟。处同意其中常见的刻度盘、旋钮、开关等要素在软件的控件中都有反映，是我们可以更方便的建立专业、有好的界面。监控界

17、面面板的控件布置如图3所示。图3Labwindows/CVI的编程技术主要采用事件驱动与回调函数方式，编程方法简单易学。对每一个函数都提供了一个函数面板，用户可以通过函数面板交互的输入函数的每个参数。在脱离主程序C源代码的情况下，可直接在函数面板中执行函数操作，并能方便的把函数语句嵌入C源代码中，还可通过变量声明窗口交互的声明变量。这种交互式编程技术大大地减少了源代码语句的键入量，减少了程序语法可能出现错误的机会，提高了工程设计的效率和可靠性。基于Labwindows/CVI的消防泵与炮的监控界面的设计实现了对消防泵与消防炮以及若干附件的主要参数信息的监控功能。操作简单，极大地缩短消防人员熟悉掌握的时间，为及时处理火灾现场节省宝贵时间。操作界面友好，使整机的操作、信息的显示、数据的处理集中控制，使系统更加稳定，大部分操作功能都集中在可视系统上，让操作变得更加简便和直观。6. 总结现代测控技术正逐步向智能化、系统化与标准化、微型化与大型化、网络化、分布式的方向发展。而随着计算机技术更加广泛和成熟的应用，虚拟仪器技术的应用也将更加广泛。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”，它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器的全部功能。虚拟仪器系统已成为仪器领域的一个基本方案，是技术进步的必然结果。