虛擬儀器及其應(yīng)用

虛擬儀器是80年代末出現(xiàn)的新的儀器概念，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量?jī)x器技術(shù)和軟件技術(shù)的高速發(fā)展共同孕育出的一項(xiàng)革命性新技術(shù)。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀，開(kāi)辟了測(cè)量測(cè)試技術(shù)的新紀(jì)元。

　　1　虛擬儀器的概念

　　微機(jī)及DSP提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力使得在一定的實(shí)時(shí)性要求下代替了許多原來(lái)由硬件完成的功能，這標(biāo)志著“軟件即儀器（The software is the instrument）”時(shí)代的到來(lái)。人們給這樣的測(cè)試儀器起了一個(gè)形象的名字——虛擬儀器。

　　從1987年以專用集成電路(ASIC)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的總線儀器——虛擬儀器的雛形問(wèn)世，到1993年虛擬儀器已發(fā)展到三百多家廠商、一千多種虛擬儀器產(chǎn)品，1995年廠商更達(dá)一千余家，產(chǎn)品達(dá)數(shù)千種。據(jù)預(yù)測(cè)，到2000年將有50%的儀器儀表是虛擬儀器。

　　 1．1　虛擬儀器的概念

　　虛擬儀器指具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器，它可利用軟件在微型機(jī)屏幕上構(gòu)成虛擬儀器面板，在有足夠的硬件支持下對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，在離線條件下，經(jīng)軟件處理而得到測(cè)量結(jié)果。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一機(jī)多用、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，使用者自己操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就象是在操作一臺(tái)自己專門(mén)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)電子儀器。

　　虛擬儀器的基本思想是利用計(jì)算機(jī)來(lái)管理儀器、組織儀器系統(tǒng)，進(jìn)而逐步代替儀器完成某些功能，最終達(dá)到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。虛擬儀器實(shí)質(zhì)上是軟硬結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合的產(chǎn)物，是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。任何使用者都可通過(guò)修改軟件的方法方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能和規(guī)模。

　　 1．2　虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)

　　我們知道，任何儀器都基本上分三部分組成，即數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)的顯示。傳統(tǒng)儀器是將這三部分放在一個(gè)儀表機(jī)箱內(nèi)，而虛擬儀器則是一種功能意義上的儀器，是具有儀器功能的軟硬件組合，它并不強(qiáng)調(diào)物理上的實(shí)現(xiàn)形式。虛擬儀器相對(duì)傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，概括起來(lái)有以下幾個(gè)方面：

　　（1）　傳統(tǒng)儀器功能由儀器廠商定義；虛擬儀器功能由用戶自己定義。儀器制造廠僅需提供基本的軟硬件，如信號(hào)調(diào)節(jié)器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器等硬件和儀器應(yīng)用軟件生成環(huán)境等軟件，真正需要什么樣的儀器功能則是用戶自己的事情。

　　（2）　傳統(tǒng)儀器與其它儀器設(shè)備的連接受限制；而虛擬儀器則是面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其它應(yīng)用連接。

　　（3）　傳統(tǒng)儀器圖形界面小，人工讀數(shù)，信息量少；虛擬儀器則展現(xiàn)圖形界面，計(jì)算機(jī)直接讀數(shù)、分析處理。

　　（4）　硬件是傳統(tǒng)儀器的關(guān)鍵部分；而虛擬儀器中硬件僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器的關(guān)鍵部分，其測(cè)試功能均由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　（5）　傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)封閉，功能固定；虛擬儀器則是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)放靈活的功能模塊，可構(gòu)成多種儀器。

　　（6）　傳統(tǒng)儀器擴(kuò)展性差，數(shù)據(jù)無(wú)法編輯；虛擬儀器數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印。

　　（7）　信號(hào)每經(jīng)過(guò)一次硬件處理都會(huì)引起誤差；由于虛擬儀器減少了硬件的使用，因而減少了測(cè)量誤差。

　　（8）　傳統(tǒng)儀器價(jià)格高，技術(shù)更新慢（周期為5～10 a），開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用亦高；虛擬儀器價(jià)格低（是傳統(tǒng)儀器的五至十分之一），而且可重復(fù)利用，技術(shù)更新也快（周期為1～2 a），基于軟件的體系結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。

　　虛擬儀器在國(guó)際上早已進(jìn)入實(shí)用階段，在我國(guó)雖剛起步，但發(fā)展迅速，已在電子測(cè)量、物理探傷、電子工程、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、物礦勘探、故障分析及教學(xué)科研等方面的數(shù)據(jù)采集和分析中廣泛應(yīng)用。

　　 2　虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成

　　虛擬儀器的基本框圖如圖1所示

　　　　　　　　　　圖1　虛擬儀器構(gòu)成的基本框圖

　　 2．1　虛擬儀器的硬件構(gòu)成

　　如圖1，虛擬儀器的硬件構(gòu)成有多種方案，通常采用以下幾種：

　　（1）　基于通用接口總線GPIB接口的儀器系統(tǒng)

　　GPIB（General Purpose Interface Bus）儀器系統(tǒng)的構(gòu)成是邁向虛擬儀器的第一步，即利用GPIB接口卡將若干GPIB儀器連接起來(lái)，用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能，組織大型柔性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，技術(shù)易于升級(jí)，維護(hù)方便，儀器功能和面板自定義，開(kāi)發(fā)和使用容易。它可高效靈活地完成各種不同規(guī)模的測(cè)試測(cè)量任務(wù)。

　　利用GPIB技術(shù)，可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測(cè)試測(cè)量誤差。同時(shí)，由于可預(yù)先編制好測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，提高了測(cè)試效率。

　　（2）　基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)

　　通過(guò)A/D變換將模擬、數(shù)字信號(hào)采集入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等，并可通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)反饋控制。根據(jù)需要還可加入信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)DSP等硬件模塊。

　　（3）　利用VXI總線儀器實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)

　　VXI（VME bus extension for Instrumention）總線為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個(gè)更為廣闊的發(fā)展空間。VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線——VME（Versa Module Eurocard）總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。由于其標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，傳輸速率高，數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)，定時(shí)和同步精確，模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便靈活，已越來(lái)越受人們的重視。它便于組織大規(guī)模、集成化系統(tǒng)，是儀器發(fā)展的一個(gè)方向。

　　（4）　基于串行口或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)

　　將某些串行口儀器和工業(yè)控制模塊連接起來(lái)，組成實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

　　2．2　虛擬儀器的軟件構(gòu)成

　　構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定以后，就可通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。沒(méi)有一個(gè)優(yōu)秀的控制分析軟件，很難想象可以構(gòu)成一臺(tái)理想的虛擬儀器系統(tǒng)。

　　以VXI虛擬儀器系統(tǒng)為例（圖2），從圖可以看到，VXI虛擬儀器系統(tǒng)至少需要儀器、通信和驅(qū)動(dòng)程序三種接口軟件。其中儀器接口為儀器與計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議和方法。通信接口按標(biāo)準(zhǔn)方式將儀器連接起來(lái)，它是儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間的通信接口，實(shí)際上就是VXI系統(tǒng)的I/O接口軟件。儀器驅(qū)動(dòng)程序接口將通信接口與應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境（ADE）連接起來(lái)。

　　　　　　　　 圖2　VXI虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架

　　儀器驅(qū)動(dòng)器是完成對(duì)某一特定儀器控制與通信的一段程序。它作為用戶應(yīng)用程序的一部分在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。儀器驅(qū)動(dòng)器是VXI虛擬儀器系統(tǒng)的核心，是完成對(duì)儀器硬件控制的紐帶和橋梁。應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境將計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析、顯示能力與儀器驅(qū)動(dòng)器融合在一起，為用戶開(kāi)發(fā)虛擬儀器提供了必要的軟件工具和環(huán)境。目前有兩種較流行的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境：一是用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)虛擬儀器，如HPITGII、Labwindows等；一是用圖形編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)虛擬儀器，如HPVEE，LabVIEW等。

　　特別指出LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Co．）推出的圖形化軟件編程平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，各專業(yè)領(lǐng)域的工程師、科學(xué)家們通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)來(lái)方便迅速地建立高水平的應(yīng)用程序。在這個(gè)軟件環(huán)境中，提供了一種象數(shù)據(jù)流一樣的編程模式，用戶只要連接各個(gè)邏輯框即可構(gòu)成程序。同時(shí)，還以圖形方式提供了大量的顯示和分析程序庫(kù)，利用軟件平臺(tái)可大大縮短虛擬儀器控制軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且在這個(gè)平臺(tái)上用戶可以建立自己的測(cè)試方案。

　　 3　虛擬儀器的應(yīng)用

　　3．1　電力參數(shù)測(cè)試裝置

　　該裝置由武漢水利電力大學(xué)電力工程學(xué)院研究。虛擬儀器下的電力參數(shù)測(cè)試充分利用了微型機(jī)的硬件資源，并盡可能以軟件代替硬件，使儀表的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低廉。

　　該裝置以微型機(jī)為核心，將電力參數(shù)采集卡插入微型機(jī)總線插槽中，直接與微型機(jī)內(nèi)總線連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力參數(shù)的測(cè)試。其硬件結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3。　　　　 

　　　　　　　　　　圖3　電力參數(shù)測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)框圖

　　圖中，三相電壓、電流信號(hào)由電力線經(jīng)電壓互感器、電流互感器引入，經(jīng)變壓器和霍爾電流傳感器后，6路輸入U(xiǎn)a，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic均為交流信號(hào)；同時(shí)，根據(jù)采樣原理，使6路信號(hào)分別經(jīng)6個(gè)采樣保持器，在同一采樣脈沖信號(hào)控制下，對(duì)這6路信號(hào)同時(shí)采樣。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)每一信號(hào)的頻率跟蹤，該系統(tǒng)采用鎖相環(huán)跟蹤技術(shù)：將一路被測(cè)信號(hào)經(jīng)零檢測(cè)電路變成方波信號(hào)（此方波信號(hào)的頻率與電網(wǎng)基頻相同），同時(shí)對(duì)它進(jìn)行跟蹤、鎖相和倍頻。這樣就能使采樣脈沖的頻率fs嚴(yán)格地跟蹤電網(wǎng)基頻f1，且每一周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N＝fs/f1為恒定常數(shù)。采樣的6路模擬量經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)后依次送到A/D轉(zhuǎn)換器。測(cè)頻采用測(cè)周方式：假如在一個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)脈沖數(shù)為m，則被測(cè)信號(hào)頻率為fx＝fc/m，其中fc為計(jì)數(shù)脈沖的頻率。

　　應(yīng)用軟件采用Borland C＋＋和Visual Basic編寫(xiě)。由于C語(yǔ)言具有直接操作硬件的功能，故采用其編寫(xiě)儀器的驅(qū)動(dòng)程序，以便完成儀器的接口。虛擬儀器的軟面板采用VB制作，它由4個(gè)互不重合的窗口組成：控制窗口、狀態(tài)窗口、繪圖窗口和數(shù)據(jù)顯示窗口。

　　3．2　內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

　　清華大學(xué)汽車(chē)工程系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢測(cè)，主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率性、負(fù)荷性等。

　　過(guò)去采用DOS下的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)程序，開(kāi)發(fā)出來(lái)的檢驗(yàn)系統(tǒng)的功能、操作界面及使用的方便程度都不很理想。利用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW后，使整個(gè)系統(tǒng)移植到LabVIEW下，并大大增強(qiáng)了功能，操作界面也更加美觀，檢測(cè)時(shí)間大大減少，使用更加方便。檢測(cè)后還能打印出完整的測(cè)試報(bào)告。

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