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當前位置

虛擬實驗室和虛擬儀器

 虛擬儀器( VI - Virtual Instrumentation )是指通過應用程序將通用計算機與功能化硬件結合起來,用戶可通過友好的圖形界面來操作這臺計算機,就像在操作自己定義、自己設計的一臺單個儀器一樣,從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數據存儲等。

      labviewLaboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實驗室虛擬儀器工程平臺)是NI公司的圖形化、交互式的編程設計環境,為虛擬儀器提供了實現途徑。本文首先在設計虛擬示波器的基礎上,熟悉labview編程原理。然后結合固體電介質的體電阻和表面電阻測量實驗編制了一套實驗室虛擬儀器系統。該虛擬儀器包括前面板和框圖程序兩個部分,前面板是跟用戶進行信息交換界面,框圖程序相當于傳統儀器的內部結構,它對用戶來說是透明的。前面板又可以分為兩個部分:控制部分和顯示部分。前面板編制完成后,在框圖程序中將數據發生模塊、處理模塊、數據顯示模塊按照儀器的內部結構連接起來。最后將網絡協議TCP/IP添加到數據發生模塊中,這一儀器就可以通過網絡進行數據采集,完成實驗。
    20
世紀80年代中期,美國國家儀器公司(National Instrument簡稱NI)首先提出了軟件就是儀器The Software is the Instrument)這一虛擬儀器概念。這個概念為用戶定義、構造自己的儀器系統提供了完美的解決途徑。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體,從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起,大大縮小了儀器硬件的成本和體積,并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。從發展史看,電子測量儀器經歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器。當硬件平臺I/O接口設備與計算機確定后,編制某種測量功能的軟件就成為該種功能的測試儀器。因為虛擬儀器可與計算機同步發展,與網絡及其他周邊設備互聯,用戶只需改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴展增強它的測量功能。這就是說,儀器的設計制造不再是廠家的專利。虛擬儀器開創了儀器使用者可以成為儀器設計者的時代,這將給儀器使用者帶來無盡的收益。 
     
虛擬儀器從概念的提出到目前技術的日趨成熟,體現了計算機技術對傳統工業的革命。大致說來,虛擬儀器發展至今,可以分為三個階段,而這三個階段又可以說是同步進行的。

     
第一階段利用計算機增強傳統儀器的功能。由于GPIB總線標準的確立,計算機和外界通信成為可能,只需要把傳統儀器通過GPIBRS-232同計算機連接起來,用戶就可以用計算機控制儀器。隨著計算機系統性能價格比的不斷上升,用計算機控制測控儀器成為一種趨勢。這一階段虛擬儀器的發展幾乎是直線前進。
     
第二階段開放式的儀器構成。儀器硬件上出現了兩大技術進步:一是插入式計算機數據處理卡 ( plug-in PC-DAQ );二是VXI儀器總線標準的確立。這些新的技術使儀器的構成得以開放,消除了第一階段內在的由用戶定義和供應商定義儀器功能的區別。
      
第三階段虛擬儀器框架得到了廣泛認同和采用。軟件領域面向對象技術把任何用戶構建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來。許多行業標準在硬件和軟件領域以產生,幾個虛擬儀器平臺已經得到認可并逐漸成為虛擬儀器行業的標準工具。發展到這一階段,人們也認識到了虛擬儀器軟件框架才是數據采集和儀器控制系統實現自動化的關鍵。
     
在虛擬儀器技術發展中有兩個突出的標志,一是VXI總線標準的建立和推廣;二是圖形化編程語言的出現和發展。前者從儀器的硬件框架上實現了設計先進的分析與測量儀器所必須的總線結構,后者從軟件編程上實現了面向工程師的圖形化而非程序代碼的編程方式,兩者統一形成了虛擬儀器的基礎規范。
要保證虛擬儀器具備與傳統儀器匹配的實時處理能力和可靠性,很重要的一點是取決于傳輸測量數據的總線結構。在虛擬儀器中,其分析功能是由計算機來完成的或由計算機來控制的。因此,接口、總線的速度和可靠性是關鍵,VXI總線標準的建立,使得用戶可以像儀器廠商一樣,從訪問寄存器這樣的低層資源來設計和安排儀器功能,也使得用戶化儀器功能設計得以實現。
      VXI
總線的出現,使得虛擬儀器設計有了一個高可靠性的硬件平臺。目前已出現了用于射頻和微波領域的高端VXI儀器。當然,采用普通PC總線,尤其是工業PCI總線的虛擬儀器也在不斷發展,這類虛擬儀器主要面向一般工業控制,過程監測和實驗室應用。

 

除了硬件技術外,軟件技術的發展和有關國際標準的建立,也是推動虛擬儀器技術發展的決定性因素之一,在GPIB接口總線出現以后,關于程控儀器的句法格式、信息交換協議和公用命令的標準化,一直是人們關心的問題。標準程序命令(SCPI)標準的建立,向解決程控命令與儀器廠家無關這一目標邁進了重要的一步。
      
隨著虛擬儀器思想的深入,用戶自己開發儀器驅動器已成為技術發展的客觀要求。過去儀器驅動都是由儀器廠家專門設計的,缺乏標準,使得用戶在儀器軟件方面的投資得不到保護。為此,國際上專門制定了虛擬儀器軟件體系(VISA)標準,建立了與儀器接口總線無關的標準I/O軟件,與LabviewHPVEE   Labwindows等先進開發環境軟件相適應。開發一個用戶定制的虛擬儀器在軟件技術上已經成熟。可以預計,未來電子測量儀器和自動化測試技術的發展還將更多地滲透虛擬儀器的思想。
   
與傳統儀器一樣,它同樣劃分為數據采集、數據分析處理、顯示結果三大功能模塊(如圖所示)。虛擬儀器以透明方式把計算機資源和儀器硬件的測試能力結合,實現儀器的功能運作。
          
     
應用程序將可選硬件 ( GPIBVXIRS-232DAQ ) 和可重復使用源碼庫函數等軟件結合起來實現模塊間的通信、定時與觸發,源碼庫函數為用戶構造自己的虛擬儀器系統提供了基本的軟件模塊。當用戶的測試要求變化時,可以方便地由用戶自己來增減軟件模塊,或重新配置現有系統以滿足現有系統的測試要求。
     
所以,虛擬儀器是由用戶自己定義、自由組合的計算機平臺、硬件、軟件以及完成系統所需的附件,而這在由供應商定義、功能固定、獨立的傳統儀器上是達不到的。


虛擬儀器的組成
      
虛擬儀器系統的構成有多種方式,主要取決于系統所采用的硬件和接口方式。
         
虛擬儀器的功能
     
虛擬儀器是虛擬技術的一個重要組成部分,是由計算機技術、測量技術和微電子技術高速發展而孕育出的一項革命性技術。虛擬儀器系統的概念不僅推進了以儀器為基礎的測控系統的改造,同時也影響了以數據采集為主的測控系統的傳統構造方法的進化。過去獨立分散、互不相干的許多領域,在虛擬儀器系統的概念之下,正在逐漸靠攏、相互影響,并形成新的技術方法和技術規范。

     
虛擬儀器系統的概念是測控系統的抽象。不管是傳統的還是虛擬的儀器,它們的功能都是相同的:采集數據,對采集來的數據進行分析處理,然后顯示處理的結果。它們之間的不同主要體現在靈活性方面。虛擬儀器由用戶自己定義,這意味著您可以自由地組合計算機平臺、硬件、軟件、以及各種完成應用系統所需要的附件。它可代替傳統的測量儀器,如示波器、邏輯分析儀、信號發生器、頻譜分析儀等;可集成于自動控制、工業控制系統;可自由構建成專有儀器系統。它由計算機、應用軟件和儀器硬件組成。因此,虛擬儀器的出現,徹底改變了傳統的儀器方法,開辟了測控技術的新紀元。而這種靈活性在由供應商定義、功能固定、獨立的傳統儀器上是達不到的。這一創新使得用戶能夠根據自己的需要定義儀器功能,而不像傳統儀器那樣,受到儀器廠商的限制。
     
我們常見到硬件工程師的工作臺上堆砌著紛亂的儀器,交錯的線纜和繁多待測器件。然而在集成的虛擬測量系統中,我們見到的是整潔的桌面、條理的操作,不但使測量人員從繁復的儀器堆中解放出來,而且還可實現自動測量、自動記錄、自動數據處理。不但方便之極,而且設備成本大幅降低。
     
虛擬儀器包括硬件和軟件兩個基本要素。硬件的主要功能是獲取真實世界中的被測信號,可分為兩類:一類是滿足一般科學研究與工程領域測試任務要求的虛擬儀器。最簡單的是基于PC總線的插卡式儀器,也包括帶GPIB接口和串行接口的儀器;另一類是用于高可靠性的關鍵任務,如航空、航天、國防等應用的高端VXI儀器。虛擬儀器系統將不同功能、不同特點的硬件構成為一個新的儀器系統,由計算機統一管理、統一操作。軟件的功能定義了儀器的功能。因此,虛擬儀器最重要、最核心的技術是虛擬儀器軟件開發環境。作為面向儀器的軟件環境應具備以下特點:一是軟件環境是針對測試工程師而非專業程序員,因此,編程必須簡單,易于理解和修改;二是具有強大的人機交互界面設計功能,容易實現模擬儀器面板;三是具有強大的數據分析能力和數據可視化分析功能,提供豐富的儀器總線接口硬件驅動程序。 

與傳統儀器相比,虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價格比、可操作性等方面都具有明顯的技術優勢,具體表現為:
  (1)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。用戶完全可以根據實際應用需求,將先進的信號處理算法、人工智能技術和專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新的層次。
  (2)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、系統費用更低。通過與計算機網絡連接,還可實現虛擬儀器的分布式共享,更好地發揮儀器的使用價值。
    
(3)可操作性強。虛擬儀器面板可由用戶定義,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、簡便、易于理解,測量結果可以直接進入數據庫系統或通過網絡發送。測量完后還可打印,顯示所需的報表或曲線,這些都使得儀器的可操作性大大提高。
  從虛擬儀器的定義來說,它更多地強調軟件在儀器中的應用,但虛擬儀器仍離不開硬件技術的支持,信息的獲取仍需要通過硬件來實現。目前,虛擬儀器的類型主要取決于儀器所采用的接口總線類型。從儀器與計算機采用的總線連接方式的不同,可分為內插卡式和外接機箱式兩大類。內插卡式就是將各種數據采集卡插入計算機擴展槽,再加上必要的連接電纜或探頭,就可形成一個儀器。外接機箱式采用背板總線結構,所有儀器都連接在總線上或采用外總線方式,用外部主控計算機來實現控制。這種類型的虛擬儀器以VXI儀器為典型代表。無論哪種虛擬儀器,都離不開數據采集硬件的支持。
           
    
上圖描述了插入式DAQ的組成。通常一塊DAQ卡可以完成多種功能,包括A/DD/A轉換,數字輸入/輸出以及計數器操作等。 
              
    
數據采集系統的功能模塊如圖所示。使用模塊化的設計思想完成特定任務,會使用戶程序的重新組織易于控制和實現。

  設計虛擬儀器的過程與主要工作內容就是編制應用軟件的過程。設計虛擬儀器必需有合適的軟件工具。因此,提供應用軟件開發工具的軟件平臺技術也相應快速發展。
    
目前流行的軟件開發工具主要有兩類:文本式編程語言:如Visual C++,Visual BasicLabWindowsCVI等;圖形化編程語言:如LabVIEWHPVEE等。 
在這篇論文的以下章節中主要介紹LabVIEW這種圖形化編程語言,并應用這種語言進行實際程序的編制。

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