Mechanics 版 (精华区)

发信人: smartvi (smartvi), 信区: Mechanics
标  题: 虚拟仪器技术
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Wed Jun 28 19:53:17 2006)

现代科技技术的进步以计算机技术的进步为代表。不断革新的计算机技术，从各个层面上
影响着、引导着各行各业的技术更新。基于计算机技术的虚拟仪器系统技术正以不可逆转
的力量推动着测控技术的革命。
虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以数据采
集为主的测控系统的传统构造方法的进化。过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚拟
仪器系统的概念之下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。虚拟
仪器系统的概念是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同
的：采集数据，对采集来的数据进行分析处理，然后显示处理的结果。它们之间的不同主
要体现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义，这意味着您可以自由地组合计算机平台
、硬件、软件、以及各种完成应用系统所需要的附件。而这种灵活性在由供应商定义、功
能固定、独立的传统仪器上是达不到的。您常用的数字万用表、示波器、信号发生器、数
据记录仪，以及温度和压力监控器就是传统仪器的代表。从传统仪器向虚拟仪器的转变，
为用户带来更多实际的利益。
虚拟仪器系统技术得益于现代计算机技术的进步。所有PC机主流技术的最新进展，不管是
CPU的更新换代还是便携式计算机的进一步实用化，不管是操作系统平台的提升还是网络乃
至Internet的应用拓展，都能够为虚拟仪器系统技术带来新的活力和好处。以PC技术为基
础的虚拟仪器系统的普及，也进一步坚定了用户抛弃旧的传统仪器，向崭新的虚拟仪器系
统进发的决心。现代计算机性能/价格比的不断提高也使得越来越多的用户认可并接受虚拟
仪器系统。正是这些用户，过去由于传统仪器的不灵活，只能用价格不菲的单台仪器完成
单一的工作或固定的项目。应用虚拟仪器系统技术，用户可以用较少的资金、较少的系统
开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统。
虚拟仪器系统并不是一种哲学，它是工业的一个基本的渐变方法，并具有明确的结果。由
于虚拟仪器系统技术的强有力支持，科学家和工程师们可以建立适合自己需要的测控系统
，再也不必将自己封闭在固定传统仪器的狭窄天地中。
不管是建立检测系统，还是建立工业自动化系统，充分利用最现代化的手段，运用最新技
术是必不可少的。简洁、实用、可靠、完备而且高性能/价格比始终是我们的追求。软件和
硬件的结合、GPIB与DAQ的搭配、传统与现代的协调，使您可以建立您自己独特且规范的系
统。虚拟仪器系统技术将帮助您实现您自己的目标。
虚拟仪器是以装有测量应用软件的个人电脑为核心，具有虚拟的仪器操作面板，足够的硬
件支持，有一定通信能力的测量装置。它和传统仪器相比具有以下的特点：
(1)     虚拟仪器的关键环节是软件。虚拟仪器系统中除PC机外的硬件主要用于数据的采
集、输入，至于系统怎样处理数据，具有怎样的面板和数据输出的形式等都是由软件决定
的。虚拟仪器的好坏，很大程度上取决于软件水平的高低。
(2)     开发与维护的费用低，系统组建时间短。当需要增加新的测量功能，只需要增加
软件模块或通用的硬件模块，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。应用软件
不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，大大节省了维护的费用，延长设备的使
用寿命。
(3)     测量更准确。传统仪器测量个体之间差异大，而虚拟仪器的应用软件在不同的PC
机上具有相同的运行效果，在软件运行这方面不存在个体的差异。
(4)     测量更方便。因为传统仪器功能单一，所以对一个信号完成多个参数的测量需要
多台仪器，使测量受连接方式、电缆长度等因素的影响。虚拟仪器只需对信号进行一次采
样，多个软件模块对同一组数据进行不同的处理就能实现多个参数的同时测量。
(5)     具有强大的数据处理功能。计算机运算速度的大大提高和数字信号处理理论的丰
富和完善，使虚拟仪器能够快速准确的处理数据。
虚拟仪器利用PC机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控
制、数据分析和显示，代替了传统仪器，改变了传统仪器的使用方式，极大的提高了仪器
的功能和使用效率，大幅度的降低了仪器的价格，使用户可以根据自己的需要自定义仪器
的功能；可以说，虚拟仪器的出现将“仪器”的概念推向了一个新的纪元。虚拟仪器广泛
的应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学
科研等诸多领域。
虚拟仪器最常见的应用应该说是取代了传统的台式仪器。随着插入式数据采集卡性能的不
断提高和触发技术的改进，虚拟仪器技术使得传统的台式仪器获得了新的生命。在虚拟仪
器所取代的传统仪器当中，最常见的是示波器。通过利用虚拟仪器开发软件编制出的虚拟
仪器程序，用户可以调整数据采集卡的动作，使软件就像一台式波器一样显示输出波形，
同时虚拟示波器还可以进行许多分析工作。比如NI公司的VirtualBench软件就具备了许多
分析仪器的功能，它可以把插入式数据采集卡变成示波器和动态信号分析仪。
随着社会生产力的极大发展，现代化的生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动
化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正好可以满
足这些要求。与传统的仪器相比较，虚拟仪器具有如下几点优点:
传统仪器                                        虚拟仪器
功能由仪器厂商定义                 功能由用户自己定义
与其它仪器设备的连接十分有限       可方便的与网络外设及多种仪器连接
图形界面小，人工读取数据，信息量小 界面图形化，计算机直接读取数据并分析处理
数据无法编辑                       数据可编辑、存储、打印
硬件是关键部分                     软件是关键部分
价格昂贵                           价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一
系统封闭、功能固定、可扩展性差     基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器

技术更新慢                         技术更新快
开发和维护费用高                   基于软件体系的结构可大大节省开发费用


传统仪器大多由以下三大功能模块组成 ,即对被测信号的采集与控制、分析与处理、测得
结果的表达与输出。传统仪器的这些功能块都是以硬件 (或固化的软件 )的形式存在的。
将这些功能移植到计算机上完成，在计算机上插上数据采集卡 ,然后利用软件在屏幕上生
成仪器面板 ,并且用软件来进行信号的分析处理 ,这就构成了一台虚拟仪器。虚拟仪器是
一种全新的仪器概念 ,它是利用计算机的硬件资源 (CPU、存储器、显示器、键盘、鼠标 
)、标准数字电路 (GPIB,RS-2 3 2接口总线 ,新型的 VXI接口总线 ,信号调理和转换电路
,图像采集电路 ,现场总线等 )以及计算机软件资源 (数据分析与表达、过程通讯、图像用
户界面等 ),经过有针对性的开发测试 ,使之成为一套相当于使用者自己专门设计的传统仪
器 。
虚拟仪器的特点如下：
虚拟仪器是计算机技术和仪器测量技术相结合的产物 ,它充分利用计算机强大的运算处理
功能 ,突破了传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制。目前 ,基于 PC的A
 /D及D /A转换 ,开关量输入 /输出 ,定时计数的硬件模块 ,在技术指标及可靠性等方面已
相当成熟 ,而且价格低廉。常用传感器及相应的调理模块也趋向模块化、标准化 ,因而减
少了硬件的重复开发 ,这使得使用者可以方便地对其进行硬件维护、功能扩展和软件升级
。
虚拟仪器组成及特点
目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集系统、ＧＰＩＢ(通用接口总线 )仪器系统、ＶＸ
Ｉ仪器系统以及它们三者的组合。
1　数据采集系统构成方法
一个典型的数据采集系统由传感器、信号调理电路、数据采集卡 (板 )、计算机 4部分组
成。一个好的数据采集产品不仅应具备良好性能和高可靠性 ,还应提供高性能的驱动程序
和简单易用的高层语言接口 ,使用户能较快速地建立可靠的应用系统。近年来 ,由于多层
电路板、可编程仪器放大器、即插即用、系统定时控制器、多数据采集板实时系统集成总
线、高速数据采集的双缓冲区以及实现数据高速传送的中断、ＤＭＡ等技术的应用 ,使得
最新的数据采集板卡能保证仪器级的高准确度与可靠性。 
2　ＧＰＩＢ仪器系统构成方法可以说 ,ＧＰＩＢ技术在虚拟仪器技术发展的初级阶段功不
可没。ＧＰＩＢ成功地将可编程仪器与计算机紧密联系起来 ,从此 ,电工电子测量用仪器
由独立的、手工操作的、单台式的向组成大规模自动测试系统方向前进了一大步。一个典
型的ＧＰＩＢ仪器系统由一台ＰＣ机、一块ＧＰＩＢ接口板卡和若干台ＧＰＩＢ仪器通过
ＧＰＩＢ标准总线连接而成。 
3　ＶＸＩ仪器系统构成方法一个基本的ＶＸＩ仪器系统有以下三种不同的配置方案 :①Ｇ
ＰＩＢ方案。该方案的组件包括插于通用计算机的ＧＰＩＢ接口板、位于ＶＸＩ零槽的Ｇ
ＰＩＢ -ＶＸＩμＣ模块、连接两者的ＧＰＩＢ电缆、ＶＸＩ机箱以及若干ＶＸＩ仪器模
块。②嵌入式计算机方案。其组件包括一个ＶＸＩ机箱、插于ＶＸＩ零槽的嵌入式计算机
模块、若干ＶＸＩ仪器模块以及ＶＸＩ软件开发平台。嵌入式计算机模块除具有ＶＸＩ系
统控制功能外 ,还具备通用微机的全部功能。③ＭＸＩ总线方案。ＭＸＩ是由ＮＩ公司提
出的一种多系统扩展接口总线 ,它相当于把ＶＸＩ机箱的背板总线拉到外部计算机上来 ,
同时可实现多个ＶＸＩ机箱间的 32位数据交互。这是另一种外部计算机控制的ＶＸＩ系统
配置方案。这种方案的组件包括一个ＶＸＩ机箱、插于通用计算机的ＭＸＩ接口板、位于
ＶＸＩ零槽的ＶＸＩ—ＭＸＩ模块、连接两者的ＭＸＩ电缆、若干ＶＸＩ仪器模块以及Ｖ
ＸＩ软件开发平台。
虚拟仪器的特点如下:
1.具有可变性、多层性、自助性的面板虚拟仪器的面板可以做到与传统仪器一样 ,可以有
显示器显示波形 ;有 LED指示数字 ;有指针式表头指示刻度 ;有旋钮、滑动条、开关按钮
 ;有报警指示灯和声响等等。而虚拟仪器的优越之处在于传统仪器面板上的元器件是硬件
 ,由厂商设计确定，不可改变地安装在专用的面板上。而虚拟仪器的面板由计算机的显示
器构成 ,面板上的各种显示控制元件是软件图库中的各种功能图形 ,由用户设计面板 ,调
用图形块 ,用户可以不受“标准件”和“加工工艺”限制 ,随意增、删、移动元器件 ,变
化尺寸、色彩等等。还可以制作多层下拉面板，帮助文件等等，做出远远超过传统仪器的
全汉化、生动美观、界面友好的面板。
2.强大的信号处理能力用适当的硬件接口电路 ,对信号进行采集、放大、滤波、隔离、A/
 D转换后 ,虚拟仪器就可以灵活、充分地利用通用计算机的大量实用软件工具 ,对信号进
行各种计算、分析、判断、处理、图形或数字显示 ,经 D/ A转换后控制执行器件的动作。
3.虚拟仪器的功能、性能、指标可由用户定义 ,即可以根据用户的不同要求对同一仪器的
功能、性能、指标进行修改或增删 ,彻底打破了传统仪器一经设计、制造完成后 ,其功能
、性能、指标不可改变的封闭性、单一性。另一方面也可以将多种仪器的功能、性能、指
标等以软件的形式集成在一个“功能软件库”——虚拟仪器库内 ,通过它们的不同组合以
及与各种不同类型的硬件接口搭配 ,使得在一台个人计算机就可实现各种仪器的不同功能
 ,大大提高了仪器功能的灵活性 ,甚至可以进行非常复杂性的测试工作。
4.具有标准的、功能强大的接口总线、板卡及相应软件GPIB通用接口总线 (General Purp
ose InterfacBus)又称 IEEE488国际标准接口总线 ,3 0年来广泛应用于仪器领域。但是只
适用于消息基器件的互操作 ,不适用于寄存器基器件。VXI总线 1987年被首次推出 ,迅速
成为IEEE1 1 55国际标准。VXI硬件的通用性 ,使任意厂家、各种类型仪器接口不会发生电
气和机械方面的冲突。VXI总线的开放性 ,保证任何系统一旦建立 ,将来仍能得到很好的效
用。VXI能保持每个仪器之间精确定时和同步 ,具有 40 Mbytes/ s的高数据传输率。VXI模
块化仪器被认为是虚拟仪器最理想的硬件平台 ,是仪器硬件的发展方向。此外，还有VISA
、PCI等标准I/O卡及其相应驱动程序库为虚拟仪器的数据采集和控制提供强大支持。
5.此外，虚拟仪器还具有开发周期短、成本低、维护方便 ,易于应用新理论、新算法和新
技术 ,实现仪器的换代升级。

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