虚拟仪器技术文献综述

虚拟仪器技术综述1引言随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCorporation，简称NI)在20世纪80年代最早提出虚拟仪器(VirtualInstrument，简称VI)的概念。其核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性[1]。2虚拟仪器的概念和特点虚拟仪器是模拟仪器、数字化仪器、智能仪器后的新一代仪器技术。目前虚拟仪器技术已应用于各个行业，在医学、航空等行业已开发出DAQ仪器、VXI及PXI等标准体系结构的虚拟仪器，这些仪器应用方便，成本低廉，从而导致了虚拟仪器技术在其他行业的迅猛发展。虚拟仪器利用现有的个人计算机,加上特殊设计的仪器硬件和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器它对实验水平和生产效率的提高产生不可佑里的影响其特点如下[2]（1）功能由用户自己定义；（2）面向应用的系统结构，可方便地与网络外设、应用等连接；（3）展现全汉化图形界面、计算机直接读数；（4）数据可编辑、存储、打印；（5）软件是关键部分；（6）价格低廉,可重复利用；（7）基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器；（8）技术更新快(周期为1——2年)；（9）基于软件体系的结构,大大节省开发维护费用。3虚拟仪器的构成3.1虚拟仪器的硬件构成根据虚拟仪器的总线类型，可以把虚拟仪器分为三大类：GPIB体系结构、VXI体系结构和PXI体系结构。(1)基于数据采集的虚拟仪器系统这种方式借助于插入计算机的数据采集卡与专用的软件，如LabVIEW（或LabWindows/CVI）相结合，通过A/D变换将模拟信号采集到计算机进行分析、处理、显示等，通过D/A转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。一个好的数据采集产品不仅应该具备高的性能、高的可靠性，还应该提供高性能的驱动程序、简单易用的高层语言接口，只有这样才能为用户快速建立高可靠的应用系统提供最大的方便。目前，由于多层电路板技术、可编程仪器放大器技术、即插即用技术、系统定时控制器技术、高速数据采集的双缓冲区技术以及DMA等高新技术的应用，使得最新的数据采集板卡能保证仪器级的性能、精度与可靠性。为用户建立功能灵活、性能价格比高的数据采集控制系统提供了很好的解决方案(2)基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，GPIB（通用接口总线）尤如一座金桥，把可编程仪器与计算机紧密地联系起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级、维护方便、仪器功能和面板自定义、开发和使用容易、可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务，排除人为因素造成的测试测量误差。从此，电工电子测量用仪器由独立的、手工操作的、单台式的向组成大规模自动测试系统方向迈进了一大步。(3)利用VXI总线仪器实现虚拟仪器系统[3]VXI(VMEbusExtensionforInstrumentation)总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。VXI总线是一种高速计算机总线—VME总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放、结构紧凑、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、使用方便灵活、众多仪器厂商支持等优点，很快得到了广泛的应用。尤其是在组建中大规模自动测量测试系统，以及对速度、精度要求较高的集成化系统，有着其他仪器系统无法比拟的优势。一个基本的VXI仪器系统可以有三种不同的配置方法：=1\*GB3①GPIB控制方案该控制方案包括插于通用计算机的GPIB接口板、位于VXI零槽的GPIB_VXI/c模块、连接两者的GPIB电缆、一个VXI机箱以及若干VXI仪器模块。GPIB控制方案的数据传输速率约为1Mbps。如果使用HS488协议可使GPIB的数据传输速率提高到1.6Mbps（ISA总线）和3.4Mbps（EISA总线），最高可达8Mbps。其中零插槽模块起GPIB和VXI总线的翻译器作用。该方案的优点在于可以利用熟悉的GPIB技术来控制VXI仪器系统，且系统造价较低，适用于对总线控制的实时性要求不高，并需在系统中集成较多GPIB的仪器场合。缺点是GPIB总线的数据传输速率远远低于VXI总线（GPIB为1Mbps；VXI为40Mbps），形成整个系统的数据交互的瓶颈。②嵌入式计算机控制方案嵌入式计算机控制方案组件包括一个VXI机箱，插入VXI零插槽嵌入式计算机模块（除有VXI系统控制功能外还具有一台通用PC机全部功能），若干VXI仪器模块以及VXI软件开发平台。缺点是成本较高。优点是所有的模块均直接插在VXI机箱的背板总线上，能实现高速的数据传送（40Mbps左右），其在系统的紧凑性、控制速率和电磁兼容方面具有优势，适合要求较高和投资较大的场合，是实现VXI自动测试系统的最佳配置方案。③MXI总线控制方案该控制方案的组件包括插于通用计算机的MXI接口板，位于VXI零槽的VXI_MXI模块，连接两者的MXI电缆，若干VXI仪器模块以及VXI软件开发平台。MXI是由NI提出的一种多系统扩展接口总线，相当于把VXI机箱的背板总线拉到外部计算机上来，同时可实现多个VXI机箱间的32位数据交互。由于它可直接映射VXI内存空间，因此在提高数据传输速率方面有很大优势。MXI总线控制方案综合了上述第一方案使用外部计算机的灵活、方便、易于升级以及第二方案高性能、高数据传输率的优点，适合于在各种实验室中建立系统。同时还可以在外部计算机上加插GPIB接口卡、数据采集卡，实现更大规模的系统集成。其缺点是体积偏大。3.2虚拟仪器的软件平台虚拟仪器硬件平台需要在软件的支持下才能发挥潜能。因此，虚拟仪器的关键技术之一就是应用软件，应用软件应完成三个主要功能：提供一个集成的开发环境，一个与仪器硬件的高级接口和一个图形用户接口[4]。虚拟仪器系统应用软件开发环境主要包括两种：一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，主要是NI公司的LabWindows/CVI、Microsoft公司的VisualC++、VisualBasic、BasicBorland公司的Delphi等；另一种是基于图形化编程环境的平台，如HPVEE、LabVIEW。其中LabVIEW最流行，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好、操作简便，可大大缩短系统开发周期，可以大大减轻系统开发人员的负担，使其将主要精力集中投入到系统设计中，而不再是具体软件细节的推敲上。4虚拟仪器技术的四大优势（1）性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。（2）扩展性强这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。（3）开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。（5）无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。5总结虚拟仪器是今后仪器仪表、测试控制研究与发展的方向，用NI公司的LabWindows/CVI作为软件开发平台，比常用的面向对象软件编程难度大大降低，使得软件开发效率高，界面友好，功能强大，且扩展性好，对采集到的数据可用于高级分析库进行信号处理，也可以为了使所得测试曲线符合实际情况，进行拟合处理。总之，虚拟仪器有强大的功能，它强调“软件就是仪器”，用软件代替硬件，易开发、易调试，可有效节约资