虛擬儀器技術及其發(fā)展趨勢

劉　洋



　　(中國地質(zhì)大學研究生院，湖北武漢 430074)




　　摘　要：介紹虛擬儀器的硬件技術和軟件技術，并指出虛擬儀器的三個發(fā)展趨勢：以通用串行總線USB接口方式的外掛式虛擬儀器、PXI虛擬儀器和網(wǎng)絡化虛擬儀器。


　　關鍵詞：虛擬儀器；USB；PXI；網(wǎng)絡��




　　Developing Trend and Technique of Virtual Instrument



　　LIU Yang



　　(Chinese Geology University, Wuhan 430074, China)




　　Abstract: This paper introduced the hardware and software technique of virtual instrument. It pointed out three developing trends of virtual instrument: external virtual instruments that connected by USB, virtual instruments that composed by PXI， network virtual instruments.


　　Key words: virtual instrument; USB; PXI; network




　　虛擬儀器是在計算機基礎上通過增加相關硬件和軟件構建而成的、具有可視化界面的儀器。


　　虛擬儀器徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)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鼠標或按鍵在計算機顯示屏幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進行測試工作，并可以根據(jù)不同的測試要求通過窗口切換不同的虛擬儀器，或通過修改軟件來改變、增減虛擬儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬儀器具有的這種“可開發(fā)性”和“可擴展性”等優(yōu)越特點使虛擬儀器具有強大的生命力和競爭力。



　　1硬件技術


　　1.1卡式儀器


　　傳統(tǒng)儀器主要由控制面板和內(nèi)部處理電路組成；而卡式儀器自身不帶儀器面板，它必須借助計算機強大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。以數(shù)據(jù)采集卡為例，它通常具有A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字I/O和計數(shù)器/定時器等功能，有些還具有數(shù)字濾波和數(shù)字信號處理的功能�，F(xiàn)在的多功能數(shù)據(jù)采集卡多采用了“虛擬硬件(Virtual Hardware，簡稱VH)的技術，它的思想源于可編程器件，使用戶通過程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數(shù)，從而依靠硬件設備的柔性來增強其適用性和靈活性。目前市面上的VH，其采樣率和精度都是可變的。


　　由于卡式儀器與計算機結(jié)合緊密，能夠充分利用已有的計算機資源，較之傳統(tǒng)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總線技術


　　1.2.1儀器總線


　　GPIB總線(即IEEE��488總線)是一種數(shù)字式并行總線，主要用于連接測試儀器和計算機。該總線最多可以連接15個設備(包括作為主控器的主機)。如果采用高速HS488交互握手協(xié)議，傳輸速率可高到8MBps。


　　VXI總線(即IEEE��1155總線)是一種高速計算機總線—VME總線在儀器領域的擴展。它是在1987年，由五家測試和儀器公司(Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-Dana Instruments)制訂的儀器總線標準。VXI總線具有標準開放、結(jié)構緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強，最高可達40MBps，定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的特點，因此得到了廣泛的應用。不過，由于價格較高，推廣應用受到一定限制，主要集中在航空、航天等國防軍工領域。


　　PXI總線是以CompactPCI為基礎的，由具有開放性的PCI總線擴展而來(NI公司于1997年提出)。PXI總線符合工業(yè)標準，在機械、電氣和軟件特性方面充分發(fā)揮了PCI總線的全部優(yōu)點。PXI構造類似于VXI結(jié)構，但它的設備成本更低、運行速度更快，體積更緊湊。目前基于PCI總線的軟硬件均可應用于PXI系統(tǒng)中，從而使PXI系統(tǒng)具有良好的兼容性。PXI還有高度的可擴展性，它有8個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3～4個擴展槽。PXI系統(tǒng)通過使用PCI-PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽。PXI總線的傳輸速率已經(jīng)達到132Mbps(最高為500Mbps)，是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速率。因此，基于PXI總線的儀器硬件將會得到越來越廣泛的應用。


　　1.2.2計算機總線


　　ISA總線是一種8位或16位非同步數(shù)據(jù)總線，工作頻率為8MHz，最高數(shù)據(jù)傳輸率在8位時為24MBps，16位時為48MBps。這種總線對于低速數(shù)據(jù)采樣與處理來說是有效的，但對于基于高性能PC機的多任務操作系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，ISA總線由于其帶寬、位數(shù)等的限制，故不能滿足系統(tǒng)工作的要求。新型主板和高版本操作系統(tǒng)已不再支持ISA總線。


　　PCI總線是一種同步的獨立于CPU的32位或64位局部總線，時鐘頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率高達132～264MBps，PCI總線技術的無限讀寫突發(fā)方式，可在一瞬間發(fā)送大量數(shù)據(jù)。PCI總線上的外圍設備可與CPU并發(fā)工作，從而提高了整體性能。PCI總線還有自動配置功能，從而使所有與PCI兼容的設備實現(xiàn)真正的“即插即用”(plug&play)。PCI總線由于上述優(yōu)點而得到了廣泛應用，已成為PC工業(yè)的事實標準。


　　USB通用串行總線(Universal serial bus)和IEEE��1394總線(又叫Fireware總線)是被PC機廣泛采用的兩種總線，它們已被集成到計算機主板上。


　　USB總線能以雛菊鏈方式連接127個裝置，需要一對信號線及電源線。USB 2.0標準的數(shù)據(jù)傳輸率能達到480Mbps。該總線具有輕巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的特點，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字攝像機、掃描儀、打印機及存儲設備。IEEE��1394總線是由蘋果公司于1989年設計的高性能串口總線，目前傳輸速率為100、200、400Mbps，將來可達3.2Gbps。這種總線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，它是專為需要大數(shù)據(jù)量串行傳送的數(shù)碼相機、硬盤等設計的［1］。


　　USB及IEEE-1394總線均具有“即插即用”的能力，與并行總線相比，更適合于連接多外設的需要。


　　1.2.3工業(yè)現(xiàn)場總線


　　為了共享測試系統(tǒng)資源，越來越多的用戶正在轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡。工業(yè)現(xiàn)場總線是一個網(wǎng)絡通訊標準，它使得不同廠家的產(chǎn)品通過通訊總線使用共同的協(xié)議進行通訊。現(xiàn)在，有很多現(xiàn)場總線標準，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它們競爭非常激烈。通用現(xiàn)場總線的發(fā)展需要一段時間。


　　1.3虛擬儀器系統(tǒng)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接口總線，組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)按硬件構成方式，可有以下幾種組建方案：


　　(1)GPIB儀器通過GPIB接口卡與計算機組成GPIB系統(tǒng)。


　　(2)VXI儀器與計算機組成VXI系統(tǒng)。


　　(3)PXI儀器組成PXI系統(tǒng)。


　　(4)以DAQ和信號調(diào)理部分為硬件組成PC-DAQ測試系統(tǒng)。


　　(5)并行總線儀器組成并行總線系統(tǒng)。


　　(6)串行總線儀器組成串行總線系統(tǒng)。


　　(7)現(xiàn)場總線設備組成現(xiàn)場總線系統(tǒng)。


　　一般來說，GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測試系統(tǒng)；PC-DAQ、并行口式、串行口式(如USB式)系統(tǒng)適合普及型的廉價系統(tǒng)；現(xiàn)場總線系統(tǒng)主要用于大規(guī)模的網(wǎng)絡測試。有時，可以根據(jù)不同需要組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)，也可以將上述幾種方案結(jié)合起來組成混合測試系統(tǒng)。��



　　2軟件技術


　　軟件是虛擬儀器的關鍵，以下介紹虛擬儀器應用軟件的開發(fā)平臺、儀器驅(qū)動程序以及I/O接口軟件。


　　2.1軟件開發(fā)平臺


　　虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境主要有Visual C++，Visual Basic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、Lab Windows/CVI等。VC、VB、Lab Windows/CVI雖然是可視化的開發(fā)工具，但它們對開發(fā)人員的編程能力要求很高，而且開發(fā)周期較長。HP�睼EE是一個基于圖形的虛擬儀器編程環(huán)境，擁有較多的用戶，缺點是其生成的應用程序是解釋執(zhí)行的，運行速度較慢。


　　LabVIEW是目前國際上唯一的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，它把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標提示的方法選擇功能(圖形)，并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”出自己的程序，“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(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。


　　2.2儀器驅(qū)動程序


　　儀器驅(qū)動程序是測試系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，用來實現(xiàn)儀器硬件的通信、控制功能。傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動程序由儀器硬件廠商隨硬件提供，由于不同廠家儀器硬件的差異，使得在更換儀器硬件的同時不得不修改測試代碼。為了能自由互換儀器硬件而無需修改測試程序，即解決儀器的互操作問題，VXI plug&play聯(lián)盟開發(fā)了儀器驅(qū)動標準VISA。VISA用G語言(圖形語言)或ANSIC語言寫成，它可以用于多種虛擬儀器開發(fā)環(huán)境和多種操作系統(tǒng)。


　　1999年NI公司提出了可互換虛擬儀器標準IVI(Interchangeable Virtual Instruments)，使程序的開發(fā)完全獨立于硬件。IVI是建立在VXI plug&play驅(qū)動程序標準之上的，它解決了儀器的互操作問題。IVI驅(qū)動器通過一個通用的類驅(qū)動器實現(xiàn)對儀器的控制。類驅(qū)動器是儀器的功能和屬性集，通過這些功能和屬性集實現(xiàn)對一種儀器類(示波器、數(shù)字電壓表、函數(shù)發(fā)生器等)中的儀器進行控制。應用程序調(diào)用類驅(qū)動器，類驅(qū)動器再通過專用的驅(qū)動器與物理的儀器通信。專用的儀器驅(qū)動器(和對應的物理儀器)可以被改變，但應用程序代碼保持不變［2］。采用IVI技術，可以降低軟件的維護費用，減少系統(tǒng)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接口軟件


　　I/O接口軟件是虛擬儀器系統(tǒng)軟件的基礎，用于處理計算機與儀器硬件間連接的低層通信協(xié)議。當今優(yōu)秀的虛擬儀器測試軟件都建立在一個標準化I/O接口軟件組件的通用內(nèi)核之上，為用戶提供一個一致的、跨計算機平臺的應用編程接口(API)，使用戶的測試系統(tǒng)能夠選擇不同的計算機平臺和儀器硬件［3］。



　　3發(fā)展趨勢


　　隨著計算機技術、儀器技術和網(wǎng)絡通信技術的不斷完善，虛擬儀器將向以下三個方向發(fā)展：


　　(1)外掛式虛擬儀器


　　PC-DAQ式虛擬儀器是現(xiàn)在比較流行的虛擬儀器系統(tǒng)，但是，由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入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計算機，各種現(xiàn)場的被測信號對計算機的安全造成很大的威脅，同時，計算機內(nèi)部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響，故以USB接口方式的外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今后廉價型虛擬儀器測試系統(tǒng)的主流。


　　(2)PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng)��


　　PXI系統(tǒng)高度的可擴展性和良好的兼容性，以及比VXI系統(tǒng)更高的性價比，將使它成為未來大型高精度集成測試系統(tǒng)的主流虛擬儀器平臺。


　　(3)網(wǎng)絡化虛擬儀器


　　盡管Internet技術最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設備連接在一起，不過NI等公司已開發(fā)了通過Web瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設備的產(chǎn)品，使人們可以通過Internet操作儀器設備。根據(jù)虛擬儀器的特性，我們能夠方便地將虛擬儀器組成計算機網(wǎng)絡。利用網(wǎng)絡技術將分散在不同地理位置不同功能的測試設備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網(wǎng)絡上得以共享，減少了設備重復投資。現(xiàn)在，有關MCN(Measurement and Control Networks)方面的標準正在積極進行，并取得了一定進展。由此可見，網(wǎng)絡化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景。��




　　參考文獻




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　�。�2］劉金甫，田同明.可互操作ATS的技術實現(xiàn)途徑［J］.測控技術，2002，(2).


　　［3］金昊，柯冬香.PC自動化測試技術及軟件結(jié)構［J］.自動化儀表，1999，(4).


　　［4］王鴻鈺：網(wǎng)絡化測量和控制［J］.儀表技術，2001，(1).��


　　［5］ NI.Measurement and Automation Catalog 2003［Z］.��




摘自 儀表技術