虛擬儀器技術及其發展趨勢分析介紹

 
   虛擬儀器是在電腦基礎上通過增加相關硬體和軟體構建而成的、具有視覺化介面的儀器。 
 
         虛擬儀器徹底打破了傳統儀器只能由生產廠家定義，用戶無法改變的局面，從而使得任何一個用戶都可以方便靈活地用滑鼠或按鍵在電腦顯示幕幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進行測試工作，並可以根據不同的測試要求通過視窗切換不同的虛擬儀器，或通過修改軟體來改變、增減虛擬儀器系統的功能與規模。虛擬儀器具有的這種“可開發性”和“可擴展性”等優越特點使虛擬儀器具有強大的生命力和競爭力。 
 
         虛擬儀器技術由三大部分組成一、高效的軟體。軟體是虛擬儀器技術中*重要的部分。使用正確的軟體工具並通過設計或調用特定的程式模組，工程師們可以高效地創建自己的應用以及友好的人機交互介面。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體的連接，更能提供強大的後續資料處理能力，設置資料處理、轉換、存儲的方式，並將結果顯示給用戶。此外，NI提供了更多互動式的測量工具和更高層的系統管理軟體工具，滿足客戶對高性能應用的需求。二、模組化的I/O硬體。面對如今日益複雜的測試測量應用，NI提供了全方位的軟硬體的解決方案。無論用戶是使用PCI、PXI、PCMCIA、USB或者是1394匯流排，NI都能提供相應的模組化的硬體產品，產品種類從資料獲取、信號處理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分散式I/O到CAN介面等工業通信，應有盡有。NI高性能的硬體產品結合靈活的開發軟體，可以為負責測試和設計工作的工程師們創建完全自定義的測量系統，滿足各種獨特的應用要求。目前，NI已經達到了每兩個工作日推出一款硬體產品的速度，大大拓寬了用戶的選擇面。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硬體平臺，已經成為當今測試、測量和自動化應用的標準平臺，它的開放式構架、靈活性和PC技術的成本優勢，為測量和自動化行業帶來了一場翻天覆地的變革。由NI發起的PXI系統聯盟現已吸引了68家廠商，聯盟屬下的產品數量也已激增至近千種。 
 
         1、硬體技術 
 
         1.1卡式儀器 
 
         傳統儀器主要由控制面板和內部處理電路組成；而卡式儀器自身不帶儀器面板，它必須借助電腦強大的圖形環境，建立圖形化的虛擬面板，完成對儀器的控制、資料分析和顯示。以資料獲取卡為例，它通常具有A/D轉換、D/A轉換、數位I/O和計數器/計時器等功能，有些還具有數位濾波和數位信號處理的功能。現在的多功能資料獲取卡多採用了“虛擬硬體（VirtualHardware，簡稱VH）的技術，它的思想源於可編程器件，使用戶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來增強其適用性和靈活性。目前市面上的VH，其採樣率和精度都是可變的。 
 
         由於卡式儀器與電腦結合緊密，能夠充分利用已有的電腦資源，較之傳統儀器成本更低廉、使用更靈活、性能更強，因此它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匯流排（即IEEE488匯流排）是一種數位式平行匯流排，主要用於連接測試儀器和電腦。
 該匯流排*多可以連接15個設備（包括作為主控器的主機）。如果採用高速HS488交互握手協定，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）制訂的儀器匯流排標準。VXI匯流排具有標準開放、結構緊湊、資料吞吐能力強，*高可達40MBps，定時和同步精確、模組可重複利用、眾多儀器廠家支援的特點，因此得到了廣泛的應用。不過，由於價格較高，推廣應用受到一定限制，主要集中在航空、航太等國防軍工領域。 
 
         PXI匯流排是以CompactPCI為基礎的，由具有開放性的PCI匯流排擴展而來（NI公司於1997年提出）。PXI匯流排符合工業標準，在機械、電氣和軟體特性方面充分發揮了PCI匯流排的全部優點。PXI構造類似於VXI結構，但它的設備成本更低、運行速度更快，體積更緊湊。目前基於PCI匯流排的軟硬體均可應用於PXI系統中，從而使PXI系統具有良好的相容性。PXI還有高度的可擴展性，它有8個擴展槽，而臺式PCI系統只有3～4個擴展槽。PXI系統通過使用PCI-PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽。PXI匯流排的傳輸速率已經達到132Mbps（*高為500Mbps），是目前已經發佈的*高傳輸速率。因此，基於PXI匯流排的儀器硬體將會得到越來越廣泛的應用。 
 
         1.2.2電腦匯流排 
 
         ISA匯流排是一種8位元或16位元非同步資料匯流排，工作頻率為8MHz，*高資料傳輸率在8位時為24MBps，16位時為48MBps。這種匯流排對於低速資料採樣與處理來說是有效的，但對於基於高性能PC機的多工作業系統和高速資料獲取系統來說，ISA匯流排由於其帶寬、位數等的限制，故不能滿足系統工作的要求。新型主板和高版本作業系統已不再支援ISA匯流排。 
 
         PCI匯流排是一種同步的獨立於CPU的32位元或64位元區域匯流排，時鐘頻率為33MHz，資料傳輸率高達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，從而提高了整體性能。PCI匯流排還有自動配置功能，從而使所有與PCI相容的設備實現真正的“即插即用”（plug&play）。PCI匯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。 
 
         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板上。 
 
         USB匯流排能以雛菊鏈方式連接127個裝置，需要一對信號線及電源線。USB2.0標準的資料傳輸率能達到480Mbps。該匯流排具有輕巧簡便、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像機、掃描器、印表機及存儲設備。IEEE1394匯流排是由蘋果公司於1989年設計的高性能串口匯流排，目前傳輸速率為100、200、400Mbps，將來可達3.2Gbps。這種匯流排需要兩對信號線和一對電源線，可以用任意方式連接63個裝置，它是專為需要大資料量串列傳送的數碼相機、硬碟等設計的。
 
       USB及IEEE-1394匯流排均具有“即插即用”的能力，與平行匯流排相比，更適合於連接多外設的需要。 
 
         1.2.3工業現場匯流排 
 
         為了共用測試系統資源，越來越多的用戶正在轉向網路。工業現場匯流排是一個網路通訊標準，它使得不同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，有很多現場匯流排標準，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它們競爭非常激烈。通用現場匯流排的發展需要一段時間。 
 
         1.3虛擬儀器系統組建方案 
 
         虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的介面匯流排，組建不同規模的自動測試系統。虛擬儀器系統按硬體構成方式，可有以下幾種組建方案： 
 
         （1）GPIB儀器通過GPIB介面卡與計算機組成GPIB系統。 
 
         （2）VXI儀器與計算機組成VXI系統。 
 
         （3）PXI儀器組成PXI系統。 
 
         （4）以DAQ和信號調理部分為硬體組成PC-DAQ測試系統。 
 
         （5）平行匯流排儀器組成平行匯流排系統。 
 
         （6）串列匯流排儀器組成串列匯流排系統。 
 
         （7）現場匯流排設備組成現場匯流排系統。 
 
         一般來說，GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測試系統；PC-DAQ、並行口式、串列口式（如USB式）系統適合普及型的廉價系統；現場匯流排系統主要用於大規模的網路測試。有時，可以根據不同需要組建不同規模的自動測試系統，也可以將上述幾種方案結合起來組成混合測試系統。 
 
         2、軟體技術 
 
         軟體是虛擬儀器的關鍵，以下介紹虛擬儀器應用軟體的開發平臺、儀器驅動程式以及I/O介面軟體。 
 
         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，但它們對開發人員的編程能力要求很高，而且開發週期較長。HPVEE是一個基於圖形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、費時的語言編程簡化成用簡單或圖示提示的方法選擇功能（圖形），並用線條把各種圖形連接起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”出自己的程式，“畫”出儀器面板，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系統中*重要的組成部分之一，用來實現儀器硬體的通信、控制功能。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的差異，使得在更換儀器硬體的同時不得不修改測試代碼。為了能自由互換儀器硬體而無需修改測試程式，即解決儀器的互操作問題，VXIplug&play聯盟開發了儀器驅動標準VISA。VISA用G語言（圖形語言）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系統。 
 
         1999年NI公司提出了可互換虛擬儀器標準IVI（InterchangeableVirtualInstruments），使程式的開發完全獨立於硬體。IVI是建立在VXIplug&play驅動程式標準之上的，它解決了儀器的互操作問題。IVI驅動器通過一個通用的類驅動器實現對儀器的控制。類驅動器是儀器的功能和屬性集，通過這些功能和屬性集實現對一種儀器類（示波器、數位電壓表、函數發生器等）中的儀器進行控制。應用程式調用類驅動器，類驅動器再通過專用的驅動器與物理的儀器通信。專用的儀器驅動器（和對應的物理儀器）可以被改變，但應用程式碼保持不變。採用IVI技術，可以降低軟體的維護費用，減少系統停運時間，提高測試代碼的可重用性，使儀器編程更簡單。 
 
         2.3I/O介面軟體 
 
         I/O介面軟體是虛擬儀器系統軟體的基礎，用於處理電腦與儀器硬體間連接的低層通信協定。當今優秀的虛擬儀器測試軟體都建立在一個標準化I/O介面軟體元件的通用內核之上，為用戶提供一個一致的、跨電腦平臺的應用編程介面（API），使用戶的測試系統能夠選擇不同的電腦平臺和儀器硬體。 
 
         3、發展趨勢 
 
         隨著電腦技術、儀器技術和網路通信技術的不斷完善，虛擬儀器將向以下三個方向發展： 
 
         （1）外掛式虛擬儀器 
 
         PC-DAQ式虛擬儀器是現在比較流行的虛擬儀器系統，但是，由於基於PCI匯流排的虛擬儀器在插入DAQ時都需要打開機箱等，比較麻煩，而且，主機上的PCI插槽有限，再加上測試信號直接進入電腦，各種現場的被測信號對電腦的**造成很大的威脅，同時，電腦內部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響，故以USB介面方式的外掛式虛擬儀器系統將成為今後廉價型虛擬儀器測試系統的主流。 
 
         （2）PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統 
 
         PXI系統高度的可擴展性和良好的相容性，以及比VXI系統更高的性價比，將使它成為未來大型高精度集成測試系統的主流虛擬儀器平臺。 
 
         （3）網路化虛擬儀器 
 
         儘管Internet技術*初並沒有考慮如何將嵌入式智慧型儀器器設備連接在一起，不過NI等公司已開發了通過Web流覽器觀測這些嵌入式儀器設備的產品，使人們可以通過Internet操作儀器設備。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同功能的測試設備聯繫在一起，使昂貴的硬體設備、軟體在網路上得以共用，減少了設備重複投資。現在，有關MCN（MeasurementandControlNetworks）方面的標準正在積極進行，並取得了一定進展。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 
 
         虛擬儀器技術就是利用高性能的模組化硬體，結合高效靈活的軟體來完成各種測試、測量和自動化的應用。只有同時擁有高效的軟體、模組化I/O硬體和用於集成的軟硬體平臺這三大組成部分，才能充分發揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發時間少以及出色的集成這四大優勢。 
 
         4.1性能高 
 
         虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全"繼承"了以現成即用的PC技術為主導的*新商業技術的優點，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，就能即時進行複雜的分析。此外，不斷發展的網際網路和越來越快的電腦網路使得虛擬儀器技術展現其更強大的優勢。 
 
         4.2擴展性強 
 
         得益於NI軟體的靈活性，只需更新電腦或測量硬體，就能以*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系統。在利用*新科技的時候，用戶還可以把它們集成到現有的測量設備，*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面上，NI高效的軟體構架能與電腦、儀器儀錶和通信方面的*新技術結合在一起。NI設計這一軟體架構的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使用戶輕鬆地配置、創建、發佈、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。 
 
         4.4集成 
 
         虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬體概念。隨著產品在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滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟體平臺為所有的I/O設備提供了標準的介面，幫助用戶輕鬆地將多個測量設備集成到單個系統，減少了任務的複雜性。