对于自动化仪器仪表技(jì )艺的研发
发布时间：2011.09.28 新(xīn)闻来源： 浏览次数：
一、虚拟仪器技(jì )术概述
1.虚拟仪器技(jì )术
虚拟仪器（VI）技(jì )术是将计算机应用(yòng)于测试仪器之中(zhōng)，利用(yòng)良好的虚拟仪器软件平台，充分(fēn)发挥计算机强大的数据处理(lǐ)功能(néng)和丰富的图形显示功能(néng)，在屏幕上虚拟出与传统仪器相似的显示面板，用(yòng)户通过键盘和鼠标操纵面板上的虚拟开关、旋钮、按键等，了解仪器的状态、读取并打印测试结果等。
虚拟仪器的主要特点體(tǐ)现在软件就是仪器的思想，它对特定的软件支持取代了相应的電(diàn)子線(xiàn)路，充分(fēn)利用(yòng)计算机软硬件资源，用(yòng)计算机完成传统仪器硬件的部分(fēn)甚至全部功能(néng)。它是传统仪器功能(néng)和外形的模块化和软件化。
虚拟仪器技(jì )术综合运用(yòng)了计算机技(jì )术、智能(néng)测试技(jì )术、数字信号处理(lǐ)技(jì )术（DSP）、图形处理(lǐ)技(jì )术、模板及总線(xiàn)的标准化技(jì )术和高速专用(yòng)電(diàn)路（ASIC）制造技(jì )术等。虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木(mù)化的硬件和软件平台上的一个完全开放的系统。
2.虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器是计算机技(jì )术在仪器仪表领域的应用(yòng)所形成的一种全新(xīn)的仪器设计概念，它与传统仪器比较有(yǒu)很(hěn)多(duō)优点：
（1）性价比高。
（2）“测试集成”和虚拟仪器库。传统仪器功能(néng)比较单一化，如示波器、信号发生器、電(diàn)压表等常规仪表都是為(wèi)完成特定的一项或几项功能(néng)而设计制造的，显然传统仪器无法满足现代仪器仪表******化、集成化和智能(néng)化的要求。而虚拟仪器顺应时代发展要求，通过“测试集成”和虚拟仪器库方案，实现传统仪器无法实现的测量要求。所谓“测试集成”和虚拟仪器库方案，就是将多(duō)种测试仪器的测试功能(néng)软件化，将每一种测试功能(néng)存储到一个VI里，形成一个测试库，这样以一台计算机為(wèi)核心的虚拟仪器便具(jù)备了多(duō)种测试功能(néng)。
（3）用(yòng)户具(jù)有(yǒu)更高的参与性。参与性主要體(tǐ)现在用(yòng)户可(kě)以参与仪器的设计、制造、维修等全过程。传统仪器中(zhōng)硬件决定仪器的思想，使得用(yòng)户很(hěn)难参与仪器的设计与制造。
（4）智能(néng)化程度高。虚拟仪器是基于计算机的仪器，其软件具(jù)有(yǒu)强大的分(fēn)析、计算、逻辑判断和数据处理(lǐ)功能(néng)，可(kě)以在计算机上建立一个普通仪器的智能(néng)zj****系统。
（5）界面友好，使用(yòng)方便。数台仪器及仪器的功能(néng)显示于虚拟仪器面板上，用(yòng)鼠标即可(kě)完成一切操作(zuò)。
（6）仪器功能(néng)选择、参数设置、数据处理(lǐ)、结果显示均能(néng)通过友好对话进行。
二、虚拟仪器的组成
通用(yòng)虚拟仪器系统实现方案框图。目前较為(wèi)常用(yòng)的虚拟仪器系统有(yǒu)数据采集系统、GBIB仪器控制系统、VXI仪器控制系统、PXI仪器控制系统，以及四者之间的任意组合。
1.硬件组成
通常虚拟仪器的测试系统硬件组成如下：以通用(yòng)计算机為(wèi)核心，外围是被测部件、传感器部件、信号调理(lǐ)及信号采集部件（如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡、******机及用(yòng)于辅助测量并能(néng)与计算机通讯的常规仪器等）。数据采集卡可(kě)以是通用(yòng)的，也可(kě)以是NI公(gōng)司生产(chǎn)的专用(yòng)数据采集卡。数据采集卡的选择至关重要，它直接影响到测试系统的采集数据的精(jīng)度和仪器的性能(néng)价格比。
2.软件组成
系统的软件通常使用(yòng)专用(yòng)的虚拟仪器开发言语（如LabVIEW）编写而成。它应完成数据的采集与控制、数据的分(fēn)析与数据的表达等功能(néng)。在设计中(zhōng)可(kě)采用(yòng)2所示的结构化进程编写系统软件。在结构化进程中(zhōng)将应用(yòng)程序分(fēn)為(wèi)三个层次：
（1）设备驱动层。对于数据的采集与控制，由于涉及硬件操作(zuò)，需要相应的硬件驱动程序。在NI公(gōng)司出售的数据采集卡直接支持LabVIEW。
LabVIEW软件能(néng)提供近600种设备驱动程序。
（2）测试程序层。其功能(néng)是设置各仪器的参数并采集数据，然后进行数据的分(fēn)析与处理(lǐ)，***后计算出结果。
（3）用(yòng)户程序层。此层面软件与用(yòng)户需求密切相关，其主要功能(néng)為(wèi)：為(wèi)用(yòng)户提供各类测试仪器的虚拟界面；為(wèi)完成特定的测试任務(wù)，调用(yòng)各个仪器，管理(lǐ)测试程序，等等。
3.虚拟仪器的仪用(yòng)总線(xiàn)
在虚拟仪器硬件设计中(zhōng)的关键技(jì )术是：如何為(wèi)完成测试功能(néng)选取理(lǐ)想的接口总線(xiàn)。当今虚拟仪器的系统开发采用(yòng)的总線(xiàn)包括RS232行总線(xiàn)、GBIB总線(xiàn)、VXI总線(xiàn)、PXI/PGI总線(xiàn)和现在在PG机上广泛采用(yòng)的IEEE1394总線(xiàn)和USB通用(yòng)串行总線(xiàn)。
三、虚拟仪器开发举例采用(yòng)虚拟仪器技(jì )术，例如以通用(yòng)PG机為(wèi)核心，A/D、D/A卡為(wèi)接口，LabVIEW為(wèi)软件平台的智能(néng)化数學(xué)仪器。该仪器具(jù)有(yǒu)以下几种传统仪器的功能(néng)：数据采集、示波器、信号发生器、逻辑分(fēn)析仪、频率计、数字万用(yòng)表等。
该智能(néng)化仪器的特点是：更新(xīn)了传统的实验方式，仪器界面友好，操作(zuò)简单、安(ān)全；灵活，成本低，有(yǒu)利于资源共享，提高了设备的利用(yòng)率；运用(yòng)于學(xué)生实验，有(yǒu)利于对學(xué)生的实验分(fēn)析能(néng)力和综合能(néng)力的培养。
1.虚拟仪器技(jì )术
虚拟仪器（VI）技(jì )术是将计算机应用(yòng)于测试仪器之中(zhōng)，利用(yòng)良好的虚拟仪器软件平台，充分(fēn)发挥计算机强大的数据处理(lǐ)功能(néng)和丰富的图形显示功能(néng)，在屏幕上虚拟出与传统仪器相似的显示面板，用(yòng)户通过键盘和鼠标操纵面板上的虚拟开关、旋钮、按键等，了解仪器的状态、读取并打印测试结果等。
虚拟仪器的主要特点體(tǐ)现在软件就是仪器的思想，它对特定的软件支持取代了相应的電(diàn)子線(xiàn)路，充分(fēn)利用(yòng)计算机软硬件资源，用(yòng)计算机完成传统仪器硬件的部分(fēn)甚至全部功能(néng)。它是传统仪器功能(néng)和外形的模块化和软件化。
虚拟仪器技(jì )术综合运用(yòng)了计算机技(jì )术、智能(néng)测试技(jì )术、数字信号处理(lǐ)技(jì )术（DSP）、图形处理(lǐ)技(jì )术、模板及总線(xiàn)的标准化技(jì )术和高速专用(yòng)電(diàn)路（ASIC）制造技(jì )术等。虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木(mù)化的硬件和软件平台上的一个完全开放的系统。
2.虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器是计算机技(jì )术在仪器仪表领域的应用(yòng)所形成的一种全新(xīn)的仪器设计概念，它与传统仪器比较有(yǒu)很(hěn)多(duō)优点：
（1）性价比高。
（2）“测试集成”和虚拟仪器库。传统仪器功能(néng)比较单一化，如示波器、信号发生器、電(diàn)压表等常规仪表都是為(wèi)完成特定的一项或几项功能(néng)而设计制造的，显然传统仪器无法满足现代仪器仪表******化、集成化和智能(néng)化的要求。而虚拟仪器顺应时代发展要求，通过“测试集成”和虚拟仪器库方案，实现传统仪器无法实现的测量要求。所谓“测试集成”和虚拟仪器库方案，就是将多(duō)种测试仪器的测试功能(néng)软件化，将每一种测试功能(néng)存储到一个VI里，形成一个测试库，这样以一台计算机為(wèi)核心的虚拟仪器便具(jù)备了多(duō)种测试功能(néng)。
（3）用(yòng)户具(jù)有(yǒu)更高的参与性。参与性主要體(tǐ)现在用(yòng)户可(kě)以参与仪器的设计、制造、维修等全过程。传统仪器中(zhōng)硬件决定仪器的思想，使得用(yòng)户很(hěn)难参与仪器的设计与制造。
（4）智能(néng)化程度高。虚拟仪器是基于计算机的仪器，其软件具(jù)有(yǒu)强大的分(fēn)析、计算、逻辑判断和数据处理(lǐ)功能(néng)，可(kě)以在计算机上建立一个普通仪器的智能(néng)zj****系统。
（5）界面友好，使用(yòng)方便。数台仪器及仪器的功能(néng)显示于虚拟仪器面板上，用(yòng)鼠标即可(kě)完成一切操作(zuò)。
（6）仪器功能(néng)选择、参数设置、数据处理(lǐ)、结果显示均能(néng)通过友好对话进行。
二、虚拟仪器的组成
通用(yòng)虚拟仪器系统实现方案框图。目前较為(wèi)常用(yòng)的虚拟仪器系统有(yǒu)数据采集系统、GBIB仪器控制系统、VXI仪器控制系统、PXI仪器控制系统，以及四者之间的任意组合。
1.硬件组成
通常虚拟仪器的测试系统硬件组成如下：以通用(yòng)计算机為(wèi)核心，外围是被测部件、传感器部件、信号调理(lǐ)及信号采集部件（如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡、******机及用(yòng)于辅助测量并能(néng)与计算机通讯的常规仪器等）。数据采集卡可(kě)以是通用(yòng)的，也可(kě)以是NI公(gōng)司生产(chǎn)的专用(yòng)数据采集卡。数据采集卡的选择至关重要，它直接影响到测试系统的采集数据的精(jīng)度和仪器的性能(néng)价格比。
2.软件组成
系统的软件通常使用(yòng)专用(yòng)的虚拟仪器开发言语（如LabVIEW）编写而成。它应完成数据的采集与控制、数据的分(fēn)析与数据的表达等功能(néng)。在设计中(zhōng)可(kě)采用(yòng)2所示的结构化进程编写系统软件。在结构化进程中(zhōng)将应用(yòng)程序分(fēn)為(wèi)三个层次：
（1）设备驱动层。对于数据的采集与控制，由于涉及硬件操作(zuò)，需要相应的硬件驱动程序。在NI公(gōng)司出售的数据采集卡直接支持LabVIEW。
LabVIEW软件能(néng)提供近600种设备驱动程序。
（2）测试程序层。其功能(néng)是设置各仪器的参数并采集数据，然后进行数据的分(fēn)析与处理(lǐ)，***后计算出结果。
（3）用(yòng)户程序层。此层面软件与用(yòng)户需求密切相关，其主要功能(néng)為(wèi)：為(wèi)用(yòng)户提供各类测试仪器的虚拟界面；為(wèi)完成特定的测试任務(wù)，调用(yòng)各个仪器，管理(lǐ)测试程序，等等。
3.虚拟仪器的仪用(yòng)总線(xiàn)
在虚拟仪器硬件设计中(zhōng)的关键技(jì )术是：如何為(wèi)完成测试功能(néng)选取理(lǐ)想的接口总線(xiàn)。当今虚拟仪器的系统开发采用(yòng)的总線(xiàn)包括RS232行总線(xiàn)、GBIB总線(xiàn)、VXI总線(xiàn)、PXI/PGI总線(xiàn)和现在在PG机上广泛采用(yòng)的IEEE1394总線(xiàn)和USB通用(yòng)串行总線(xiàn)。
三、虚拟仪器开发举例采用(yòng)虚拟仪器技(jì )术，例如以通用(yòng)PG机為(wèi)核心，A/D、D/A卡為(wèi)接口，LabVIEW為(wèi)软件平台的智能(néng)化数學(xué)仪器。该仪器具(jù)有(yǒu)以下几种传统仪器的功能(néng)：数据采集、示波器、信号发生器、逻辑分(fēn)析仪、频率计、数字万用(yòng)表等。
该智能(néng)化仪器的特点是：更新(xīn)了传统的实验方式，仪器界面友好，操作(zuò)简单、安(ān)全；灵活，成本低，有(yǒu)利于资源共享，提高了设备的利用(yòng)率；运用(yòng)于學(xué)生实验，有(yǒu)利于对學(xué)生的实验分(fēn)析能(néng)力和综合能(néng)力的培养。
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