汽车试验第七章 虚拟仪器系统

第七章虚拟仪器系统现代汽车测试仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。

随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。

在此背景下，1986年美国国家仪器公司(National Instruments，NI)开发出了虚拟仪器。

虚拟仪器，是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板、由计算机完成的仪器功能都可由软件来实现。

第一节虚拟仪器系统的构成和特点虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达检测结果；利用计算机强大的软件功能实现数据运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能。

一、虚拟仪器系统的构成虚拟仪器由通用仪器硬件平台(简称硬件平台)和应用软件两大部分构成。

如图7-1所示：（a）虚拟仪器系统的结构框图（b）虚拟仪器系统的实物结构图7-1 虚拟仪器系统的构成1、通用仪器系统硬件平台虚拟仪器的硬件平台由通用计算机和测试硬件设备两部分构成（图9-2）：虚拟仪器中的计算机可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等，管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。

因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的进步，推动了虚拟仪器系统的快速发展；虚拟仪器中的测试硬件设备按其功能的不同可分为PC-DAQ、Serial、PXI、VXI、GPIB等总线标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换等工作。

外围测试硬件设备可以选择GPIB系统、VXI系统、PXI系统、PC-DAQ系统和串行系统等，也可以选择由两种或两种以上系统构成的混合系统。

其中，最简单、最廉价的形式是采用基于ISA或PCI总线的数据采集卡（DAQ），或是基于RS232或USB串行总线的便携式数据采集模块。

图7-2 虚拟仪器的硬件平台1）PC-DAQ系统PC-DAQ（Data Acquisition）系统是以数据采集板卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。

采用计算机本身的PCI总线或ISA总线，将数据采集卡插入计算机的PCI或ISA插槽中。

PC-DAQ型虚拟仪器系统通过数据采集卡与相应的应用软件，将来自传感器的被测信号采集到计算机中，然后进行运算、分析、显示等处理，并可通过D/A转换实现反馈控制。

利用PC-DAQ系统可以方便快速地组建基于计算机的仪器，实现“一机多型”和“一机多用”。

该方式是构成虚拟仪器系统最基本的方式，也是最廉价的方式。

2）GPIB系统GPIB（General Purpose Interface Bus）系统是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器系统。

一个典型的GPIB系统由一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器子系统构成。

其中每个仪器子系统都是一台带有GPIB接口的仪器，通过标准GPIB 电缆与计算机连接。

一块GPIB接口卡可与多达15台GPIB仪器子系统连接。

利用GPIB技术，可以灵活的组建测控系统，拓展系统的功能和规模，各厂家的产品均具有良好的兼容性与互换性。

3）VXI系统VXI系统是以VXI（VME bus Extension for Instrumentation）标准总线仪器模块与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器系统。

VXI总线是一种高速计算机总线——VME在仪器领域的扩展。

VXI总线系统采用机箱式结构，一个接插模块相当于一台仪器或特定功能的器件，多个模块共存于一个机箱内并组成一个测试系统。

控制器（计算机）与VXI总线的连接方式包括GPIB-VXI 方式、嵌入式方式、1394-VXI方式和高速MXI总线方式。

由于VXI总线标准开放，具有传输速率高、数据吞吐能力大、定时和同步精确、模块化设计、结构紧凑、使用方便灵活等特点，便于组织大规模、功能多样的现代集成式虚拟仪器系统。

4）PXI系统PXI系统是以PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）标准总线仪器模块与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器系统。

PXI总线是PCI总线在仪器领域的扩展，它将PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。

PXI规范将台式PC的性价比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。

PXI总线与PCI总线电气兼容，传输速度高达132MB/s和264MB/s。

PXI 总线系统也采用机箱式结构，用户可以根据自己的需求从众多的PXI总线产品中选择合适的模块，组建相应的测控系统。

PXI总线产品的市场增长速度很快，有取代VXI总线系统的趋势。

5）串行系统串行系统是以Serial标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器系统。

6）USB、IEEE 1394、以太网和无线系统USB和IEEE 1394是现在发展比较快、应用越来越广泛的两种高速串行总线技术。

基于USB或IEEE 1394总线的虚拟仪器系统是目前发展的一个热点。

以太网和无线系统也越来越广泛的应用于工程测试领域，基于以太网和无线系统的虚拟仪器可方便的实现测试的远程控制、测试资源共享和测试结果的发布。

以图像采集卡或运动控制卡作为I/O接口设备的虚拟仪器系统，是虚拟仪器技术在现代新型测控系统中的典型应用。

2、软件系统NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，强调软件在虚拟仪器中的重要地位。

使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件系统的提示下编制不同的测试软件，实现当代科学技术复杂的测试任务。

在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。

虚拟仪器的软件系统包括计算机操作系统、I/O接口与仪器驱动程序、应用软件三个层次。

1）计算机操作系统操作系统是虚拟仪器软件系统的基础平台，它可以选择Windows、SUN OS、Linux等。

2）I/O接口与仪器驱动程序虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件，它建立在I/O接口操作软件的基础上，是连接应用软件与外围硬件模块的桥梁。

仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，提供一种高级的、抽象的仪器映像，能提供特定的使用开发环境信息。

仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。

虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数/VI集。

驱动程序一般分为两层：底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置、收发数据、查看仪器状态等；高层是应用函数/VI层，根据具体测量要求调用底层的函数/VI。

在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。

VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O 接口软件模型即VISA。

作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点，即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。

应用工程师为带GPIB接口仪器所写的软件，也可以用于VXI系统或具有RS232接口的设备上，这样不仅大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。

3）应用软件应用软件包括实现仪器功能的测试程序（又称仪器功能软件）和实现虚拟面板的界面程序（或称虚拟面板软件）。

仪器功能软件利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库对试验数据进行分析处理，以实现特定功能。

虚拟面板软件是用户与仪器之间交流信息的纽带。

利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化技术，从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。

为了方便仪器制造商和用户进行仪器驱动器和应用软件的开发，NI、Agilent等公司推出了专用于虚拟仪器开发的集成开发环境，目前流行的有LabVIEW、LabWindows／CVI 和Agilent VEE等。

①图形化编程软件LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式，如图7-3所示。

与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。

LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。

LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等，便于程序的调试。

Labview采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序，用图标表示函数，用连线表示数据流向。

图7-3Labview的程序结构②文本式编程软件LabWindows／CVI是NI公司提供给用户的虚拟仪器软件之一，它是用户开发数据采集、仪器控制及自动测试和过程监控的一个开发平台。

它采用标准的C语言格式，将功能强大、使用灵活的C语言开发平台与数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。

为了加速应用开发，LabWindows／CVI借助自动编码产生工具和易于使用的GUI开发工具来提供一种交互环境，它包含有强大的仪器库、32位ANSIC编译器、连接器、调试器、编辑器等。

LabWindows／CVI可运行于Win95／Win98／WinNT／Win2000／WinX／UNIX等系统，包含大部分基于Windows风格的软件技术，具有像VB一样丰富的控件回调功能，并有极强的数据处理、数据分析功能。

同时还提供了多种总线通信控制和网络传输控制协议接口库。

使用Labview或LabWindows／CVI设计的虚拟仪器可脱离其开发环境，用户最终看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板，如图7-4所示。

图7-4 虚拟仪器的操作面板二、虚拟仪器的特点与传统仪器相比，虚拟仪器有以下特点。

1、仪器功能方面1）虚拟仪器是一种创新的、非物理意义上的计算机仪器，而非一种传统意义上的具体仪器，其功能可由用户软件定义，具有柔性的结构，灵活的组态，能给予用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。

2）一台计算机被设计成多台不同功能的测量仪器，能集多种功能于一体，构成多功能和多用途的综合仪器，极大地丰富和增强了传统仪器的功能。

3）由于计算机有极其丰富的软件资源，极高的运算速度和庞大的存储空间，对试验数据有强大的分析和处理能力，不仅可以进行快捷、实时处理，也可以将数据存储起来，以供需要时调出分析之用。

这种能力所引伸出的仪器功能，在传统仪器中是不可能具有的。