虛擬儀器技術及其發展（zhǎn）趨勢分（fèn）析介紹

 
           虛擬儀器是在電腦基礎上通過增加相關硬體和軟（ruǎn）體（tǐ）構建而成的、具有視覺化介麵的儀器。 
 
          虛擬儀器徹底打破了傳統儀器隻能由生產廠家定義，用戶無法改變的局麵，從（cóng）而使得（dé）任何一個用戶（hù）都可以方便靈活地用滑鼠或按鍵在電（diàn）腦顯示幕幕上（shàng）操作虛擬儀器軟麵板的各種“旋（xuán）鈕”進行測試（shì）工作，並可以根據不同的測試要求通過視（shì）窗切（qiē）換不同（tóng）的虛擬儀器，或通過修改軟體來改變、增減虛擬儀器係統（tǒng）的功能與（yǔ）規模。虛擬儀（yí）器具有的這（zhè）種“可開發性”和“可擴展（zhǎn）性”等優越特點使虛擬儀（yí）器（qì）具有強大的（de）生命力和競爭力。 
 
          虛擬儀（yí）器技術由三大部分（fèn）組成一、的軟（ruǎn）體。軟體是（shì）虛擬儀器技術中zui重要的（de）部分。使用正確的軟體工具並通過設計或調用特定的（de）程式模組，工程（chéng）師們可以地創建自己的應用以（yǐ）及友（yǒu）好的人機交互介（jiè）麵。NI公司提供的行業標準圖形化編程軟體---LabVIEW，不僅能輕鬆方便地完成與各種軟硬（yìng）體的連接，更能提供強大的後續（xù）資料處理能（néng）力，設置資（zī）料處理、轉換、存儲（chǔ）的方式，並將結果顯示給用戶。此外，NI提供了更（gèng）多互動式（shì）的測量工具和更（gèng）高（gāo）層的係統管理軟體（tǐ）工具，滿（mǎn）足客戶對高性能應用的（de）需求。二（èr）、模組化的I/O硬體。麵對如今日益複雜的測試測量應用，NI提（tí）供了的軟（ruǎn）硬（yìng）體的解決（jué）方案。無論用戶是使用PCI、PXI、PCMCIA、USB或者是1394匯流排（pái），NI都能提供相應的模（mó）組化的硬體產品，產品種類從資料獲取、信號處（chù）理、聲音和（hé）振動測量、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。NI高性能的硬體產品結合（hé）靈活的開發（fā）軟體，可以為負責（zé）測試和設計工作的工程師們（men）創建*自定義的測量（liàng）係統，滿足各種獨特的應用要求。目前，NI已經達到了（le）每兩（liǎng）個工（gōng）作日推出一款硬體產品的速度，大大拓寬了用戶的選擇麵。三、用於集成的軟硬體平臺。NI首先提出的專為測試任務設計的PXI硬體平（píng）臺，已經（jīng）成為當今測試（shì）、測量和自動化應用的標準平臺，它（tā）的開放式（shì）構架、靈活（huó）性和PC技術的成本優勢，為測量和自動化行業（yè）帶來了一場翻天覆地的變革。由NI發起的PXI係統聯盟現已吸引了68家廠商，聯盟屬下的產品數量也（yě）已激增至近千種。 
 
          1、硬體技（jì）術 
 
          1.1卡式儀器 
 
          傳統儀器主要由控製麵板和內部處（chù）理電路組成；而卡式儀器自身不帶儀（yí）器麵板，它必須借助電腦強大的（de）圖（tú）形環境，建立圖形化的虛擬麵板，完成對儀器的控製、資料分析和顯示。以（yǐ）資料獲取卡為例，它通常具有（yǒu）A/D轉換、D/A轉換、數位I/O和計數器/計時器等（děng）功能，有些還具有（yǒu）數位濾波和數位信號處理的功能。現在的（de）多功（gōng）能資料獲取（qǔ）卡多（duō）採用（yòng）了“虛擬硬體（VirtualHardware，簡稱（chēng）VH）的技術，它（tā）的思想源於可編程器件，使用（yòng）戶（hù）通過程式能夠方便地改變硬體的功能或性能參數，從而依靠硬體設備的柔性（xìng）來增強其適用性和靈活性。目前市（shì）麵上的VH，其採樣率和精（jīng）度都是可變的。 
 
          由於卡式儀（yí）器與電腦結合緊密，能夠充分利用已（yǐ）有的電腦資源，較之傳統儀器成本更低廉、使（shǐ）用更靈活、性能更強（qiáng），因此（cǐ）它（tā）是一種極具潛力的儀器種類。 
 
          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，主要（yào）用（yòng）於連接測試儀器和電（diàn）腦。
  該匯（huì）流排zui多可以（yǐ）連接（jiē）15個（gè）設備（bèi）（包括作（zuò）為主控器的主機）。如果採用高速HS488交（jiāo）互（hù）握手協定，傳輸速率可高到8MBps。 
          VXI匯流排（即IEEE1155匯流排）是一種高速電腦匯流排—VME匯流排在儀器領域（yù）的擴展。它是在1987年，由五家測試和儀器公司（Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments）製訂的儀器匯（huì）流排標準（zhǔn）。VXI匯流排具有標準（zhǔn）開放、結構緊湊、資料吞吐能力強，zui高可達40MBps，定時和同步精確、模組可重複利用、眾多儀器廠家支（zhī）援（yuán）的特點，因此得到（dào）了廣泛的應用（yòng）。不過，由於價格較高，推廣應用受（shòu）到一定（dìng）限製，主要集中（zhōng）在航空、航太等國防軍工領（lǐng）域。 
 
          PXI匯流排是以CompactPCI為基礎的，由具有開放性的PCI匯流排擴展而（ér）來（NI公司於1997年提出）。PXI匯（huì）流排符合（hé）工業標準，在機械、電氣（qì）和軟體特性方麵充分發揮了PCI匯流排的全部（bù）優（yōu）點。PXI構造類似於VXI結構，但它的設備成本更低、運行速度更快，體積（jī）更緊湊。目前基於（yú）PCI匯流排的軟硬體均可應用（yòng）於PXI係統中，從而（ér）使PXI係（xì）統具有良好的相（xiàng）容性。PXI還有高度的可擴展性，它有（yǒu）8個擴展槽，而臺式PCI係統隻有3～4個擴展（zhǎn）槽。PXI係統通過使用PCI-PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽。PXI匯流（liú）排的傳輸速率（lǜ）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（yìng）體將會（huì）得到越（yuè）來越廣泛的應用。 
 
          1.2.2電（diàn）腦匯流排 
 
          ISA匯流排是一種8位元或16位元非同步（bù）資料匯（huì）流排，工（gōng）作頻率為8MHz，zui高資料（liào）傳輸率在8位時為24MBps，16位時為48MBps。這種（zhǒng）匯流排對於低速資料（liào）採樣與處理來說是有效（xiào）的，但對於基於高性能PC機的多工作業係（xì）統和高（gāo）速資料獲取係統來說，ISA匯流排由於其帶寬、位數等的（de）限製，故不能滿足係統工作的要求。新型主板和高版本作業係統（tǒng）已不再支援ISA匯流排。 
 
          PCI匯流排是一種同步（bù）的獨立於CPU的32位元或64位（wèi）元區域匯流排，時鐘頻率為33MHz，資料傳輸率高（gāo）達132～264MBps，PCI匯流排技術的無限讀寫突發方式，可在一瞬間發送大量資料。PCI匯流排上的週邊設備可與CPU併發工作，從而提高（gāo）了整體性能。PCI匯流排還有自動配置功（gōng）能，從而使所有與（yǔ）PCI相容的設備實現真正的“即插即用”（plug&play）。PCI匯（huì）流排由於上述優點而得到了廣泛應用，已成為PC工業的事實標準（zhǔn）。 
 
          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（zhǔ）板上。 
 
          USB匯流排能（néng）以雛菊（jú）鏈方式連接127個裝置，需要一（yī）對信（xìn）號線及電源線。USB2.0標準的資料傳（chuán）輸率能達到480Mbps。該匯流排具有輕巧簡（jiǎn）便、價格便宜、連接方便快捷的特點，現在已被廣泛用於寬頻數位攝（shè）像機、掃描器、印表（biǎo）機及存（cún）儲設備。IEEE1394匯流（liú）排是由蘋果公司於1989年設計的高性能串口（kǒu）匯流（liú）排，目前傳輸速率（lǜ）為100、200、400Mbps，將來可達3.2Gbps。這種（zhǒng）匯流排需要兩對信號線和（hé）一對電源線，可以用任意（yì）方（fāng）式連接63個裝置，它是專為需要大資料量串列傳送（sòng）的數碼相機、硬碟等設計的。
 
        USB及IEEE-1394匯流排均具有“即（jí）插即用”的能力，與平行匯流排相比，更適合於連接（jiē）多外設的需要。 
 
          1.2.3工業現場匯流排 
 
          為了共用測試（shì）係統資源，越來越（yuè）多的用戶正在轉向網路。工（gōng）業現（xiàn）場匯流排是一個網路通訊標準，它使得不同（tóng）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（duō）現場匯流排標（biāo）準，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它（tā）們競爭非常（cháng）激烈（liè）。通用現場匯流排的發展需（xū）要一段時間。 
 
          1.3虛擬儀器係統組建方案 
 
          虛擬儀器的突（tū）出成就是不僅可以（yǐ）利用PC機組建成為靈活的虛擬儀器，更重要（yào）的是它（tā）可以通過各種不同的介麵匯流（liú）排，組（zǔ）建不同規模的自動測試係統。虛擬儀器係（xì）統按硬體構成方式，可有以下幾種組建方案： 
 
          （1）GPIB儀器通（tōng）過GPIB介麵卡與計算機組成GPIB係統。 
 
          （2）VXI儀器與計算機組成VXI係統。 
 
          （3）PXI儀器（qì）組成PXI係統。 
 
          （4）以DAQ和信（xìn）號（hào）調（diào）理部分為硬（yìng）體組成PC-DAQ測試係統。 
 
          （5）平行匯流排儀器組成平（píng）行匯流排係統。 
 
          （6）串列匯流排儀器組成串（chuàn）列匯流（liú）排係統。 
 
          （7）現場匯流排設備組成現場匯流排係統。 
 
          一般（bān）來說，GPIB、VXI、PXI適（shì）合大型高精度（dù）集成測試係統；PC-DAQ、並行口式、串列口式（如USB式）係統（tǒng）適合普及型的廉價係統；現場（chǎng）匯流排係（xì）統主要用於大規模的網路測試。有時，可以根據不（bú）同（tóng）需要組（zǔ）建不同規（guī）模的自動測試係統，也可以將上述幾種方案結合（hé）起來組成混合測試係統。 
 
          2、軟體技術 
 
          軟體是虛擬儀器的關鍵，以下介（jiè）紹虛擬儀（yí）器（qì）應用軟體的開發平臺、儀器驅動程式以及I/O介麵軟體。 
 
          2.1軟體發展平臺 
 
          虛擬儀器的開發環境主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司（sī）的VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。VC、VB、LabWindows/CVI雖然是視覺化的開發工具，但它們對開發（fā）人員的編程能力要（yào）求很高，而且開發週期較長。HPVEE是一（yī）個基於圖形（xíng）的虛擬儀器編程環境，擁有較多的用戶，缺點是其生成的應用程式是解釋執行的，運行速度較慢。 
 
          LabVIEW是目（mù）前國際上*的基於資料流程的編譯型圖形編程環境，它把複雜、煩瑣、費時的語言（yán）編程簡（jiǎn）化成用簡單或圖示提示的方法（fǎ）選擇功能（圖形），並用線（xiàn）條把各種（zhǒng）圖形連接起（qǐ）來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術人員都可以按照測試要求和任務快速“畫”出自己（jǐ）的程（chéng）式，“畫”出儀器麵板，這大大提高了工作效率，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器軟體發展平臺。
 
        2.2儀器驅動程式 
 
          儀器驅動程式是測試係統（tǒng）中zui重要的組成部（bù）分之（zhī）一，用來實（shí）現儀器硬體的通信（xìn）、控製功能。傳統的儀器驅動程式由儀器硬體廠商隨硬體提供，由於不同廠家儀器硬體（tǐ）的差異，使得在更換儀器硬體（tǐ）的同時不（bú）得不修改測（cè）試代碼（mǎ）。為了能自由互換儀器硬體而（ér）無需修改測試程式（shì），即解（jiě）決儀器的互操作（zuò）問（wèn）題，VXIplug&play聯盟開發了儀器驅動標準VISA。VISA用G語言（圖（tú）形語言）或ANSIC語言寫成，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公司提出了可互換虛擬儀器標準IVI（InterchangeableVirtualInstruments），使程式的開發*獨立於硬體（tǐ）。IVI是建立（lì）在VXIplug&play驅動程式標準之上的，它（tā）解（jiě）決了儀器的互操作問（wèn）題（tí）。IVI驅動（dòng）器通過一個通用的類（lèi）驅動器實現對儀器的（de）控製。類驅動器（qì）是儀器的功能和（hé）屬性集，通（tōng）過這（zhè）些功能和屬性集實現對一種（zhǒng）儀器類（示波器、數位電壓表、函數發生（shēng）器等）中的（de）儀器進行控製（zhì）。應用程式（shì）調用類驅動器，類驅動器再通過專用的驅動器與物理的儀（yí）器通信。專用的儀器驅動器（和對應的物理儀器）可以被改變，但應用程（chéng）式碼保持不變。採用IVI技術，可以降低軟體的維護費用，減少係統停運時間，提高測試代碼的可重（chóng）用性，使儀器編程（chéng）更（gèng）簡單。 
 
          2.3I/O介麵軟體 
 
          I/O介麵軟體是虛擬儀器係統軟體（tǐ）的（de）基礎，用於處理電腦與儀器硬體間連接的低層通信協定。當今優秀的虛（xū）擬儀器測試軟體（tǐ）都建立在一個標（biāo）準化I/O介麵軟體元件的通用內核之上，為用戶提供（gòng）一個一致的、跨電腦平（píng）臺的（de）應用編程介麵（API），使用戶的測試係統能（néng）夠選擇（zé）不同的電腦平（píng）臺和儀器（qì）硬體。 
 
          3、發展趨勢 
 
          隨著電腦技術、儀（yí）器技術和網路通信技術的（de）不斷完善，虛擬儀器將向以（yǐ）下三個方向發展： 
 
          （1）外掛式虛擬儀器 
 
          PC-DAQ式（shì）虛（xū）擬儀器是現在比較流行的虛擬儀器係統，但是，由於基（jī）於PCI匯流排的虛（xū）擬儀器在插入DAQ時（shí）都需要打開機箱等，比較麻（má）煩，而且，主機上的PCI插槽（cáo）有限，再（zài）加上測試（shì）信號直（zhí）接進入電腦，各（gè）種現場的被測信號對電腦的安全造成很大的威脅，同時，電腦內部的強電磁幹擾對被測信號也會造成很大的影響，故（gù）以USB介麵（miàn）方式的外掛式（shì）虛擬儀器係統將成（chéng）為今後廉價型虛擬儀器測（cè）試係（xì）統的主流。 
 
          （2）PXI型高精度（dù）集成（chéng）虛擬儀器測試係統 
 
          PXI係統高度的可擴（kuò）展性和良好的相容性，以及比VXI係統（tǒng）更高的性價比，將使它成為未（wèi）來大型高精（jīng）度集成（chéng）測試係統的主流虛擬儀器平臺。 
 
          （3）網路化虛擬儀器 
 
          儘管Internet技（jì）術zui初並沒有考慮如何將嵌入式智慧型儀器器設備連接（jiē）在一（yī）起，不過NI等公司已開發了通過Web流覽器（qì）觀測這些嵌入式（shì）儀器設備的產品，使人們可以通過Internet操作儀（yí）器設備。根據虛擬儀器的特性，我們能夠方便地將虛擬儀器組成電腦網路。
 
  利用網路技術將分散在不同地理位置不（bú）同功能的測試設備聯繫在一起，使昂貴（guì）的硬體設備、軟體在網路上得以（yǐ）共用，減少了設備重（chóng）複投資。現在，有關MCN（MeasurementandControlNetworks）方麵（miàn）的標準正在積極進行，並取（qǔ）得了一定進展（zhǎn）。由此可見，網路化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景。 
          4、虛擬儀器技術凸顯四大優勢 
 
          虛擬（nǐ）儀器技術就是利用高性能（néng）的模組化硬體，結合靈活的軟（ruǎn）體來完成各種測試、測量和自動化的應用。隻有同時擁有的軟體、模（mó）組化（huà）I/O硬體和（hé）用於集成的軟硬體平臺這三大組成部分，才能充（chōng）分發揮虛擬儀（yí）器技術性能高（gāo）、擴展性強、開發時間少以及出（chū）色的集成這四大（dà）優勢。 
 
          4.1性（xìng）能高 
 
          虛擬儀器技術是在（zài）PC技術的基礎上發展起來的，所以*"繼承"了以現成即用（yòng）的PC技術（shù）為（wéi）主（zhǔ）導的商業技術的優點，包括功能的處理器和檔I/O，使用戶在資料高速導入磁片的同時，就（jiù）能即時進行複雜的分（fèn）析。此外，不斷發（fā）展的網際網路和越來越快（kuài）的電腦網路使得（dé）虛（xū）擬儀器技術展現（xiàn）其更強大（dà）的優（yōu）勢。 
 
          4.2擴展性強 
 
          得益於NI軟體的靈活性，隻（zhī）需更新電腦或測量硬體，就能以（yǐ）zui少的硬體投資和極少的、甚至無需軟體上的升級即可改進用戶的整個係統。在利用科技的時候，用戶還可以把它們集成到現有的測量設備，zui終以較少的成本加快產品上市時間。 
 
          4.3開發時間少 
 
          在驅動和應用兩個層（céng）麵上，NI的軟體構架能與電腦、儀器儀錶（biǎo）和通信方麵的技術結合在一起（qǐ）。NI設計這一軟體架（jià）構的初衷（zhōng）就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈（líng）活性和（hé）強大的功（gōng）能，使（shǐ）用戶輕鬆地配置、創（chuàng）建、發佈、維護和修改高性（xìng）能、低（dī）成本的測量和控製解決方案。 
 
          4.4集成（chéng） 
 
          虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟（ruǎn）硬體概念。隨（suí）著產品在（zài）功能上不斷趨於複雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來（lái）滿足（zú）完整的測（cè）試需求，而連接和集成（chéng）這些不同設備（bèi）總是要耗費大量的時間（jiān）。NI的虛擬儀器軟體平臺為所有的I/O設備提（tí）供了標準的介麵，幫助用戶輕鬆地將多個測量設備（bèi）集成到單個係統，減少了任務的複雜性。