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什么是虚拟仪器?

2006-10-10 00:00:00


一、什么是虚拟仪器?

一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件(例如插入式板卡)及驱动软件,他们在一起共同完成传统仪器的功能。以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台的计算、显示和互联网等诸多用于提高工作效率的强大功能。软件是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。虚拟仪器可使用相同的硬件系统,通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪器,即软件系统是虚拟仪器的核心,软件可以定义为各种仪器,因此可以说“软件即仪器”。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。有了虚拟仪器,用户就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统,而不用再受功能固定(完全由厂家提供)的传统仪器的限制。

二、虚拟仪器和传统仪器的比较

独立的传统仪器,例如示波器和波形发生器,性能强大,但是价格昂贵,且被厂家限定了功能,只能完成一件或几件具体的工作,因此,用户通常都不能够对其加以扩展或自定义其功能。仪器的旋钮和开关、内置电路及用户所能使用的功能对这台仪器来说都是固定的。另外,开发这些仪器还必须要用专门的技术和高成本的元部件,从而使它们身价颇高且很不容易更新。

基于PC机的虚拟仪器系统,诞生以来就充分利用了现成即用的PC机所带来的最新科技。这些科技和性能上的优势迅速缩短了独立的传统仪器和PC机之间的距离,包括功能强大的处理器(如Pentium 4)、操作系统及微软Windows XP、NET技术和Apple Mac OS x。除了融合诸多功能强大的特性,这些平台还为用户提供了简单的联网工具。此外,传统仪器往往不便随身携带,而虚拟仪器可以在笔记本电脑上运行,充分体现了其便携特性。

需要经常变换应用项目和系统要求的工程师和科学家们需要有非常灵活的开发平台以便创建适合自己的解决方案。可以使用虚拟仪器以满足特定的需要,因为有安装在PC机上的应用软件和一系列可选的插入式硬件,无需更换整套设备,即能完成新系统的开发。

1、灵活性

除了专用的元件和电路,独立式传统仪器的基本框架其实类似于基于PC机的虚拟仪器。两者都需要一个或多个微处理器、通讯端口(如串口、GPIB接口)、显示功能及数据采集模块。其根本区别在于两者不同的灵活性,用户是否能够根据各自不同的要求对其进行修改和扩展。一台传统仪器可能包括一套集成电路用于实现特定的数据处理功能;而在虚拟仪器中,只需在PC处理器上运行软件程序即可实现这些功能,而且,还可以简单地对这些功能加以扩展,只是会受软件功能大小的限制。

2、低价位

使用虚拟仪器解决方案,可以大幅降低资金投入、系统开发成本和系统维护成本,同时还为用户加快产品上市时间并提高产品质量。

三、仪器的分类:

虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同,可分为五种类型:

1、PC总线——插卡型虚拟仪器

这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如Labview相结合(注:美国NI公司的LabVIEW是图形化编程工具,它可以通过各种控件自已组建各种仪器。LabVIEW/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具,通过三种编程语言Visual C++,Visual Basic,LabVIEWs/cvi构成测试系统,它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制,且有电源功率不足,机箱内部的噪声电平较高,插槽数目也不多,插槽尺寸比较小,机箱内无屏蔽等缺点。另外,ISA总线的虚拟仪器已经淘汰,PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。

2、并行口式虚拟仪器

最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置,它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上,通常可以完成各种测量测试仪器的功能,可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连,方便野外作业,又可与台式PC机相连,实现台式和便携式两用,非常方便。由于其价格低廉、用途广泛,特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。

3、GBIB总线方式的虚拟仪器

GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展,典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下,一块GPIB接口可带多达14台仪器,电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制,替代传统的人工操作方式,可以很多方便地把多台仪器组合起来,形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单,主要应用于台式仪器,适合于精确度要求高的,但不要求对计算机高速传输状况时应用。

4、VXI总线方式虚拟仪器

VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展,它具有稳定的电源,强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点,很快得到广泛的应用。经过多年的发展,VXI系统的组建和使用越来越方便,尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而,组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器,造价比较高。

5、PXI总线方式虚拟仪器

PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的,增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的,增加了多板发总线,以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽,而台式PCI系统只有3~4个扩展槽,通过使用PCI—PCI桥接器,可扩展到256个扩展槽,台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来,将形成未来的虚拟仪器平台。

四、虚拟仪器的发展过程

1、GPIB→VSI→PXI总线方式(适合大型高精度集成系统)GPIB 于1978年问世,VXI于1987年问世,PXI于1997年问世。

2、PC插卡→并口式→串口USB方式(适合于普及型的廉价系统,有广阔的应用发展前景)PC插卡式于80年代初问世,并行口方式于1995年问世,串口USB方式于1999年问世。

综上所述,虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。①计算机是载体,②软件是核心③高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。

五、LabVIEW的简单介绍

LabVIEW是NI公司提供的行业标准图形化编程软件,它不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接,更能提供强大的后续数据处理能力,设置数据处理、转换、存储的方式,并将结果显示给用户。LabVIEW是创建虚拟仪器系统的理想工具,它为用户提供的最有力的特性就是图形化的编程环境。用户可以使用LabVlEW在电脑屏幕上创建一个图形化的用户界面,即可设计出完全符合自己要求的虚拟仪器。通过这个图形界面,可以:

操作仪器程序

控制硬件

分析采集到的数据

显示结果

用户可以使用旋钮、开关、转盘、图表等自定义前面板,用以代替传统仪器的控制面板、创建自制测试面板,或图形化表示控制和操作过程。标准流程图和图形化程序图的相似性使得它不象基于文本的传统语言那样难学,从而大大缩短了用户的整个学习过程。只需将各个图标连在一起创建各种流程图表,即可完成虚拟仪器程序的开发,而这也正好符合用户的原始设计理念。利用图形化编程,在保持系统的功能与灵活性的同时,能大大加快开发速度。

LabVlEW带有现成即用的函数库,用户可以用它集成各种独立台式仪器、数据采集设备、运动控制和机器视觉产品、GPIB/IEEE 488和串口/RS-232设备、PLCS等,从而开发出一套完整的测量和自动化解决方案。LabVIEW还包含了主要的仪器标准如VISA-GPIB、串口和VXI 仪器可共用标准;PXI和基于PXI系统联盟CompactPCI标准的软硬件:IVI可互换虚拟仪器驱动程序;VXI Plug&Play;VXI仪器标准驱动程序。

大部分计算机使用的都是微软公司的Windows系列操作系统。LabVIEW它可运行在Windows 2000,NT,XP,Me,98,95和嵌入式NT环境下,同时还支持Mac OS,Sun Solaris与Linux。通过LabVlEW实时(LabVIEW Real.Time)模块,LabVIEW还能够编译代码,让程序在VenturCom ETS实时操作系统中运行。LabVlEW是独立于平台的,在一种环境下编写的虚拟仪器程序(简称VI),能够透明地转移到其他LabVIEW平台上。用户所需做的,只是在新环境下打开这个Vl即可。LabVlEW应用程序能跨平台使用,随着新计算机技术日新月异的发展,还可以轻而易举地将您的应用程序移植到新平台和操作系统中。另外,因为能开发出的虚拟仪器程序能够在不同平台间移植、独立于操作系统。

六、USB简介

在工业生产和科学技术研究的各行业中,常常利用PC或工控机对各种数据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集,如液位、温度、压力、频率等。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡,常用的有A/D卡以及422、485等总线板卡。采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰,而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制,不可能挂接很多设备。

USB是通用串行总线(Universal Aerial Bus)的简称,USB的出现,很好地解决了以上这些冲突,很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。 USB是一些PC大厂商,如Microsoft、Intel等为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准,自1995年在Comdex上亮相以来至今已广泛地为各PC厂家所支持。现在生产的PC几乎都配备了USB接口,Microsft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对USB的支持。

1、USB系统的构成

USB系统主要由主控制器(Host Controller)、USB Hub 和USB外设(Peripherals Node)组成系统拓扑结构。

2、USB的主要优点

(1)速度快

USB有高速和低速两种方式,主模式为高速模式,速率为12Mbps,另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备,如鼠标等,USB还提供低速方式,速率为1.5Mb/s。

(2)设备安装和配置容易

安装USB设备不必再打开机箱,加减已安装过的设备完全不用关闭计算机。所有USB设备支持热拔插,系统对其进行自动配置,彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。

(3)易于扩展

通过使用Hub扩展可拨接多达127个外设。标准USB电缆长度为3m(5m低速)。通过Hub或中继器 可以使外设距离达到30m。

(4)能够采用总线供电

USB总线提供最大达5V电压、500mA电流。

(5)使用灵活

USB共有4种传输模式:控制传输(control)、同步传输(Synchronization)、中断传输(interrupt)、批量传输(bulk),以适应不同设备的需要。

3、USB与RS485

传输距离是限制USB在工业现场应用的一个障碍,即使增加了中继或Hub,USB传输距离通常也不超过几十米,这对工业现场而言显然是太短了。 现在工业现场有大量采用RS-485传输数据的采集设备。RS-485有其固有的优点,即它的传输距离可以达到1200米以上,并且可以挂接多个设备。其不足之处在于传输速度慢,采用总线方式,设备之间相互影响,可靠性差,需要板卡的支持,成本高,安装麻烦等。

[整理编辑:中国测控网]
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