虚拟仪器的构建方法
摘要:虚拟仪器是计算机技术与现代电子测量技术在仪器应用上的前沿技术.介绍了虚拟仪器这一全新测控仪器的概念,软、硬件构建原理以及实现方法.
关键词:虚拟仪器;总线仪器;VISA;仪器驱动程序;软面板
近几年,随着微电子技术、计算机技术和现代电子测量技术在仪器领域的应用和普及,电子测量仪器得到了飞速的发展,由传统仪器、数字化仪器发展到全新的测控仪器“虚拟仪器”.虚拟仪器(Virtual Instru-ment,简称VI)的概念是由美国国家仪器公司(National Instruments Corporation,简称NI)提出的.虚拟仪器这种计算机操纵的模块化仪器系统彻底改变了人们传统的仪器观.它一经诞生迅速得到了各行各业的广泛认同和应用,必将引发测控领域的一次新革命.
1 虚拟仪器的概念
所谓虚拟仪器就是具有仿真仪器面板的个人计算机,主要由计算机(PC机)、硬件接口模块和虚拟仪器软件构成,如图1所示.虚拟仪器以PC机为核心,将现代仪器测量系统和计算机系统融合于一体,在计算机的显示器上虚拟传统仪器物理面板,用计算机软件实现传统仪器的硬件功能.在虚拟系统中,硬件仅解决信号的输入、输出,软件才是整个仪器系统的核心技术.通过修改软件就可灵活改变系统的功能与规模,组建满足各种需求的智能化测试系统.与传统仪器相比,虚拟仪器具有开发维护方便、扩展性好、处理能力强、智能化程度高、费用低等优点.彻底改变了人们对传统仪器“结构固定”、“功能单一”、“可扩展性差”的仪器观,充分体现了“软件即仪器”这一新概念.
2 虚拟仪器的硬件构建
目前虚拟仪器的硬件构建方式主要有基于数据采集的PC-DAQ型虚拟仪器、基于GPIB接口的虚拟仪器、基于串行口或其它工业标准总线的虚拟仪器、基于VXI,PXI总线仪器实现的虚拟仪器系统等.虚拟仪器把厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能,用户可根据自己测试需要和现有条件选择适合的方式设计所需要的虚拟仪器系统.
2.1 PC-DAQ型虚拟仪器
这是一种被广大的普通用户广泛采用的构建虚拟仪器的方法.它充分利用计算机的总线、机箱、电源和软件等资源,借助于插入PC机或工控机内的DAQ卡和LabVIEW,LabWindows/CVI等图形化专用软件. 被测对象经信号调理、A/D转换,将转换后的数字信号采集到计算机内进行分析、处理和显示.在DAQ卡的选取和设计中,要从以下几方面加以考虑:
(1)DAQ卡应选用目前主流计算机的PCI插卡类型;
(2)应选用带有标准驱动程序的DAQ卡,减轻程序开发的负担;
(3)应选用带有前置放大器的DAQ卡,扩大输入信号的范围.这种基于数据采集的PC-DAQ型虚拟仪器以实现方便、价格低廉、应用广泛具有较大的发展空间.
2.2 基于GPIB接口的虚拟仪器
GPIB(General Purpose Interface Bus)接口也就是IEEE488接口,是基于IEEE488标准的虚拟仪器早期发展的产物.基于GPIB接口的虚拟仪器系统通常由1台PC机、1块GPIB接口卡将若干台带有GPIB接口的数字化测量测试仪器通过GPIB电缆连接起来.在计算机控制下组成大型柔性自动测量测试系统,灵活高效地完成各种测量测试任务.1块GPIB接口卡可连接多达14台GPIB接口仪器,连接长度可达40 m.它的出现改变了手工测量操作所带来的测量误差,使电子测量技术从独立的单台手工操作向大规模自动测试系统迈进.但对于目前测量系统要求大数据量、高速传输的今天,GPIB接口的虚拟仪器系统将逐步退出市场.
2.3 基于串行口或其它工业标准总线的虚拟仪器
目前,USB端口已成为如今PC机上的标准配置,有的(如苹果电脑)甚至还提供IEEE1394接口.它们都具有传输速度快、可以热插拔、联机使用方便等特点.随着USB端口技术的普及,许多仪器厂商都为自己的仪器和数据采集设备提供USB端口.如多功能数据采集设备NI DAQPad-6015;提供集成式的信号调理功能的NIUSB-9211;15MHz数字示波器NI 5102 forUSB;数据记录器NI 4350 forUSB等.用户可以方便地采用提供USB端口的DAQ卡或测量测试仪器组成虚拟仪器系统.USB主机内嵌式操作系统会自动探测加入的新装置,并辨识其身分,然后适当地配置其驱动程序.USB端口使用多点布线技术,这一技术使同一个端口可以连接多达127个设备.虽然USB口和IEEE1394口还存在排线没有工业标准规格等缺点,但它以其特有的优势必将成为未来虚拟仪器市场的主流平台之一.
2.4 基于VXI,PXI总线的虚拟仪器系统
VXI(VMEbus eXtension for Instrumentation)总线是计算机VME总线在仪器领域的扩展.VXI总线以其标准开放、结构紧凑、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计等,已成为公认的21世纪总线仪器系统和自动测试系统的优秀平台.构建VXI总线仪器有嵌入式和外接式2种.嵌入式,即将主控计算机直接插入VXI机箱零槽并直接与背板总线相连,因而可获得最高的系统性能.外接式,有GPIB-VXI,VXI-1394,MXI/MXI-2,MXI-3,FOXI和局域网等多种控制方式[1],用户可根据现有仪器设备的情况选择其一实现. PXI(PCI eXtension for Instrumentation)总线方式是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的.PXI增加了多板同步触发总线的参考时钟,用于精确定时的星形触发总线,以使用于相邻模块的高速通讯的局部总线.构建PXI总线仪器可采用PXI远程控制或PXI嵌入式控制2种方式,通过PCI-PCI桥接器,可将8个扩展槽扩展到256个.它把台式PC机的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来,大有取代VXI主导虚拟仪器总线平台的趋势.
采用VXI,PXI总线特别适合组建中型或大型规模、开放的、模块化的自动测量与测试系统.
3 虚拟仪器的软件构成
硬件系统的构建是实现虚拟仪器工作的基础,软件才是虚拟仪器的关键.通过不同的软件设计,用户可以灵活地自己定义和实现虚拟仪器的各种功能,正所谓“软件即仪器”.虚拟仪器软件的设计要遵循开放和标准化的原则,使设计出的软件具有复用性和互换性以及硬件更换的无关性.
3.1 虚拟仪器软件结构
根据VPP(VXI Plug&Play)系统规范的定义,虚拟仪器软件结构如所示,由I/O接口软件、仪器驱动程序和软面板3部分组成.
3.1.1 I/O接口软件
I/O接口软件是实现I/O接口设备与仪器驱动程序之间传递信息的底层软件.通常仪器生产厂商提供符合VPP规范的VISA软件.
3.1.2 仪器驱动程序
该程序是实现虚拟仪器各种功能的操作函数集.它通常由2部分组成.通用仪器模块的仪器驱动程序通常由仪器生产厂商提供;而仪器特有的功能则由用户自行定义应用函数集.仪器驱动程序的设计通常通过调用I/O软件所提供的VISA函数库来实现,它屏蔽了程序与仪器的通信细节,使用户在进行软面板设计时不需要了解仪器内部的具体操作细节而直接使用.
3.1.3 软面板
该面板是在计算机显示器上实现虚拟仪器图形化人机交互操作的控制界面.用户通过对显示器上与实际仪器相似的旋钮、开关等控件的交互操作,完成对仪器的初始化、组态、效准、测量和显示等功能.软面板的设计要尽量遵守VPP对软面板的布局、字体和色彩等方面的要求,使设计出的软面板具有开放性和标准化,符合操作者的风范.
3.2 虚拟仪器软件开发环境
虚拟仪器软件开发环境一般可以分为2类:
3.2.1 基于图形化编程环境
目前在国际上流行最广泛的图形化编程环境要首推美国NI公司的Lab-VIEW和HP公司的VEE.LabVIEW它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量的高级信号分析工具,而且还非常易于和各种DAQ板卡集成、与多种计算机主流总线通信、与大多数通用实时数据库链接[2].使用LabVIEW开发虚拟仪器,不需要具备丰富的编程经验和了解仪器内部的通信细节,特别适合于快速组建测试系统.开发效率比用基于传统文本的程序语言可以提高10~15倍.
3.2.2 基于传统文本的程序语言编程环境
主要有Lab Windows/CVI,Visual C++,BC++,Delphi,VB等,适合于具备丰富编程经验的用户群体开发虚拟仪器.
虚拟仪器自诞生以来,得到了极大的发展.目前,在国外正以每年30%~40%的速度成为仪器系统发展的主流.我国虚拟仪器技术起步较晚,但发展势头极其强劲,尤其近几年部分高校已逐步开设LabVIEW等课程,为我国虚拟仪器技术的发展奠定了坚实的基础.
参考文献:
[1]喻剑锋,宋忠平,王仕成,等.VXI总线控制方式及其性能分析[J].计算机测量与控制,2003,11(2):114-118.
[2]雷震山.LebVIEW 7 Express实用技术教程[M].北京:中国铁道出版社,2004.
