虛擬儀器總線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

　　27年前，美國國家儀器公司NI（National　Instruments）提出“軟件即是儀器”的概念，推出了LabVIEW直觀的流程圖編程風(fēng)格的軟件開發(fā)和運(yùn)行平臺，引發(fā)了測控技術(shù)領(lǐng)域的一場重大變革，使得計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，開啟了虛擬儀器（VI）的先河。



　　虛擬儀器可以充分利用現(xiàn)有計算機(jī)資源，配以獨(dú)特設(shè)計的軟硬件，實(shí)現(xiàn)普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無法實(shí)現(xiàn)的功能。它依賴軟件，通過計算機(jī)來控制測試硬件、分析和提供測試數(shù)據(jù)。由于沒有專門的前面板、顯示器和電源，其硬件通常在PC或VXI/CPCI主機(jī)中，所有儀器面板和顯示器都在監(jiān)視器上模擬，所以稱為虛擬儀器。虛擬儀器不但功能多樣、測量準(zhǔn)確，而且界面友好、操作簡易，與其它設(shè)備集成方便靈活。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，給用戶一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。用戶可以根據(jù)不同要求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多樣的應(yīng)用需求。其特點(diǎn)是價格適中、功能強(qiáng)、測試速度快、可重組。有趨勢表明，虛擬儀器最終要取代大量的傳統(tǒng)儀器成為儀器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，成為測量、分析、控制、自動化儀表的核心，并成為機(jī)器人的核心技術(shù)。



　　目前，虛擬儀器有兩類。一類基于PC，它是由PC、能插入PC機(jī)箱的插卡或模塊和相關(guān)測試軟件（如LabVIEW）所構(gòu)成。采用這種結(jié)構(gòu)能構(gòu)成基于PC的示波器、任意波形發(fā)生器、波形分析儀、函數(shù)發(fā)生器、邏輯分析儀、電壓表和數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。另一類基于VXI或CPCI/PXI專用系統(tǒng)，采用這種結(jié)構(gòu)能構(gòu)成用于生產(chǎn)測試的高性能專用測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動測試設(shè)備（ATE）。



　　插卡型虛擬儀器 ：ISA、PCMCIA、PCI



　　基于通用PC的硬件，可以利用PC機(jī)組建成為靈活的虛擬儀器，是現(xiàn)在比較流行的虛擬儀器系統(tǒng)。這種方式借助于插入PC機(jī)或工控機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件相結(jié)合，完成測試任務(wù)。它充分利用計算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及系統(tǒng)軟件的便利，其關(guān)鍵在于A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。



　　插卡類型有ISA卡、PCMCIA卡和PCI卡等多種類型。隨著計算機(jī)的發(fā)展，ISA型插卡已經(jīng)逐漸退出舞臺。PCMCIA卡由于受到結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度太弱的限制影響了它的工程應(yīng)用。而PCI總線正在廣泛使用，已經(jīng)成為PC的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。它是一種同步的獨(dú)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(dá)132～264MBps，PCI總線技術(shù)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(shè)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(shè)備實(shí)現(xiàn)真正的“即插即用”(plug&play)。



　　由于插卡型儀器多數(shù)沒有抗混濾波器且分時采樣，特別要注意混疊現(xiàn)象和通道間相位差。因個人計算機(jī)數(shù)量非常龐大，插卡式儀器價格最便宜，因此其用途廣泛，特別適合于教學(xué)部門和各種實(shí)驗(yàn)室使用。目前仍有強(qiáng)大的生命力。



　　外掛型虛擬儀器：RS232串口總線、USB通用串口總線、IEEE 1394總線



　　由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入DAQ時都需要打開機(jī)箱等，操作不便。而且主機(jī)上的PCI插槽有限，再加上測試信號直接進(jìn)入計算機(jī)，各種現(xiàn)場的被測信號對計算機(jī)的安全造成很大的威脅，同時，計算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響，故以串口接口總線方式的外掛式虛擬儀器系統(tǒng)成為廉價型虛擬儀器測試系統(tǒng)的主流。



　　虛擬儀器系統(tǒng)采用的總線包括傳統(tǒng)的RS232串行總線、USB通用串行總線和IEEE 1394總線（即Firewire，也叫做火線）。 RS232總線是PC機(jī)早期采用的串行總線，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，至今仍然適用于要求較低的虛擬儀器或測試系統(tǒng)。近年來，USB總線得到廣泛的支持，微軟的全系列操作系統(tǒng)均支持USB。但是，USB總線也只限于用在較簡單的測試系統(tǒng)中。用虛擬儀器組建自動測試系統(tǒng)，更有前途的是采用IEEE1394串行總線，這是因?yàn)檫@一種高速串行總線，能夠以100、200或400Mb／s的速率傳送數(shù)據(jù)，顯然會成為虛擬儀器發(fā)展最有前途的總線。目前國際上虛擬儀器所用IEEE 1394總線的傳站速度已經(jīng)達(dá)到100Mb／s。



　　利用PC機(jī)的各種串口通訊，可把硬件集成在一個采集盒里或一個探頭上，軟件裝在PC機(jī)上，通�？梢酝瓿筛鞣N虛擬儀器的功能。它們的最大好處是可以與筆記本計算機(jī)相連，方便野外作業(yè)。又可與臺式PC機(jī)或工控機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。特別是USB口和1394口具由于傳輸速度快、可以熱插拔、聯(lián)機(jī)使用方便的特點(diǎn)，很有發(fā)展前途，將成為未來虛擬儀器有巨大發(fā)展前景和廣泛市場的主流平臺。通過各種不同的接口總線，可以組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)。它可以借助不同的接口總線的溝通，將虛擬儀器、帶接口總線的各種電子儀器或各種插件單元，調(diào)配并組建成為中小型甚至大型的自動調(diào)試系統(tǒng)。



　　世界各國的公司，特別是美國NI公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件），可以靈活地組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動測試系統(tǒng)。



　　高精度集成系統(tǒng)：GPIB→VXI→PXI儀器總線



　　除了利用通用計算機(jī)或工控機(jī)開發(fā)虛擬儀器外，專用的儀器總線系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，成為構(gòu)建高精度、集成化儀器系統(tǒng)的專用平臺。



　　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(jī)。該總線最多可以連接15個設(shè)備(包括作為主控器的主機(jī))。如果采用高速HS488交互握手協(xié)議，傳輸速率可高到8MBps。作為早期虛擬儀器發(fā)展的產(chǎn)物，目前已經(jīng)逐步退出市場。



　　VXI總線(即IEEE��1155總線)是一種高速計算機(jī)總線—VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。VXI總線具有標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)，最高可達(dá)40MBps，定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過10多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高，其推廣應(yīng)用受到一定限制，主要應(yīng)用集中在航空、航天等國防軍工領(lǐng)域。目前這種類型也有逐漸退出市場的趨勢。



　　PXI總線是以CompactPCI為基礎(chǔ)的，由具有開放性的PCI總線擴(kuò)展而來(NI公司于1997年提出)。PXI總線符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)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(diǎn)。PXI構(gòu)造類似于VXI結(jié)構(gòu)，但它的設(shè)備成本更低、運(yùn)行速度更快，體積更緊湊。目前基于PCI總線的軟硬件均可應(yīng)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(kuò)展性，它有8個擴(kuò)展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3～4個擴(kuò)展槽。PXI系統(tǒng)通過使用PCI-PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個擴(kuò)展槽。PXI總線的傳輸速率已經(jīng)達(dá)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(yīng)用。把臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來主流的虛擬儀器平臺之一。在2003年，全球VXI的銷售額達(dá)到2.3億美元，PXI的銷售額達(dá)到0.8億美元。據(jù)權(quán)威人士預(yù)測，到2010年，PXI銷售額可望達(dá)到4.1億美元，年增長率約為25.4％。



　　網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器：現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、Internet



　　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(luò)。工業(yè)現(xiàn)場總線是一個網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行通訊。現(xiàn)在，各種現(xiàn)場總線在不同行業(yè)均有一定應(yīng)用；工業(yè)以太網(wǎng)也有望進(jìn)入工業(yè)現(xiàn)場，應(yīng)用前景廣闊；Internet已經(jīng)深入各行各業(yè)乃至千家萬戶。嵌入式智能儀器設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的需求將越來越廣泛。



　　為此，NI等公司已開發(fā)了通過Web瀏覽器觀測嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過Internet操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性，人們能夠方便地將虛擬儀器組成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的測試設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資�，F(xiàn)在，有關(guān)MCN(Measurement and Control Networks)方面的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。由此可見，MCN網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。



　　綜上所述，基于不同的通訊總線和聯(lián)網(wǎng)總線，虛擬儀器可面向高中低端的不同應(yīng)用。目前，全球有成千上萬臺測控設(shè)備中正在使用虛擬儀器，虛擬儀器正在深入各行各業(yè)，影響著人類的生產(chǎn)、教學(xué)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、國防等，甚至進(jìn)入家庭自動化管理。由于可充分利用PC、網(wǎng)絡(luò)和通訊的相關(guān)技術(shù)，虛擬儀器有望取代測量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。




摘自　中國工控網(wǎng)