虚拟仪器技术综述

虚拟仪器技术综述

韩　钢　郗　莹

(西安电子工程研究所　西安　710100)

【摘要】　现代工业产品设计和制造过程中,产品的测试问题已成为决定产品性

能、成本等的重要因素。为了适应这种对测试技术和测试系统不断提高的要求,V I

(虚拟仪器)技术应运而生。虚拟仪器技术是现代测试技术发展的重要方向,本文对虚

拟仪器的概念、应用特点及发展作了综合介绍。

关键词:测试系统　V I(虚拟仪器)技术

Review on Virtual Instrument Technology

Han Gang　Xi Ying

(X i'a n Electronic Engineering Researc h Institute,X i'a n,710100)

Abstract:Test has beco me a key element which affects the functio n a nd co st o f a product in the design and productio n of modern industry products.V I technolo gy em erg es in respo nse to the g row ing requirem ent of test technique a nd test sy stem.This paper introduces its concept,application fea tures and dev elo pm ent,co ncluding that V I tech nolog y is an im po rtant directio n o f modern test techno logy.

Keywords:test sy stem　V I technolog y

1　当前测试技术所面临的主要问题

现代科学技术、生产和国防的重要特点之一,就是要进行大量的测试和统计。现代工业大生产,用在测试上的工时和费用约占整个生产成本的20%～30%,提高测试水平、降低测试成本、减少测试误差、提高测试效率,对国民经济的各个领域都是至关重要的。因此,测试手段的现代化,已被公认为是科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。

当前的测试领域所面临的主要问题有:测试成本不断增加、测试系统越来越庞杂以及对测试投资的保护越来越强烈。

产品性能和质量在不断提高,但是这些性能和质量都需要相应的测试来保证,因而随着产品性能、功能和质量的提高,产品复杂程度的增大,测试成本也不断增加。

以往在国内应用的测试系统大多既不兼容,又不能共享软、硬件资源。为了完成较复杂的测试任务,往往需要组建一个相当复杂的测试系统,而这个测试系统中的各个仪器大多都有自

本文于2000年8月7日收到

己的显示器、内存、CPU等硬件,这也造成了硬件资源的浪费。

在产品的研制、开发、生产和调试的过程中,不同的阶段有不同的测试要求。在研究、开发阶段,需要用高性能的测试设备来保证设计达到设计要求;在生产和调试阶段对测试系统的要求主要是使用方便和测试快捷、准确;而军队现场使用的测试设备则要求便携、坚固、耐用和快速、准确的诊断能力。这样,如果测试系统的兼容性、复用性达不到要求,势必造成对测试系统的投资得不到有效的保护。

2　V I技术的概念和主要特点

2.1　V I的概念

V I就是虚拟仪器(Virtual Instrument),这一概念最早由美国N I(National Instrument)公司提出。它突破了以往传统仪器的特点,充分利用不断发展和完善的计算机技术,以通用计算机和标准总线技术为平台,利用计算机的硬件资源,并辅以软件作为V I的开发平台。用户利用面向测量仪器的控制和管理的视窗软件平台(LabV IE W、LabWindow s/CV I、HP-V EE 等),它集测量、管理和控制于一身,一台普通的电脑、若干软件包和基本的硬件电路(如数据采集电路、GPIB仪表、VXZ仪表等)就可以构成一套完整的测试系统,并具备数据处理的功能和友好的人机界面(通常称为虚拟面板)。

2.2　V I的基本构成

从基本的构成要素来说,V I主要包括三部分:计算机、软件平台和仪器硬件。从构成方式,或者说是连接方式来说主要有以DAQ(数据采集)板和信号调理等硬件和计算机构成的PC-DAQ测试系统;以GPIB、Serial、VX I和Fieldbus等构成的GPIB(General Purpose Interface Bus)测试系统、串口总线测试系统、VXI(VM Ebus ex tensions for Instrum entatio n)总线测试系统。形式虽有区别,但根本构成是一样的:即仪器硬件搭载到计算机上,利用相应的软件完成控制、测试及数据处理和显示的任务,实现以计算机为基础的数字化采集测试分析系统。

不同的构成方式是由不同的测试任务和测试要求所决定的。同时,它们也代表了测试技术发展和应用的不同阶段和水平。例如GPIB和Serial总线方式实际上只是利用GPIB总线和串口总线实现对仪器的远程控制,并可实现被控仪表之间的通讯,但它并没有真正体现“虚拟仪器”的特点;而PC-DAQ和VX I、Fieldbus等构成的测试系统都能充分利用计算机的硬件资源,并用软件实现对测试的控制,因而可以称为较完全意义上的虚拟仪器。

图1　PC-DAQ测试系统

　第4期韩　钢　郗　莹　虚拟仪器技术综述

图2　VX I测试系统

2.3　V I的主要特点

基于计算机和标准仪器总线技术的虚拟仪器技术使测量成本更低、功能更多、灵活性更强、速度更快、人机界面更为友好。在虚拟仪器系统中,软件是关键,因为是软件为用户使用或构造V I提供了集成开发环境、仪器硬件接口和用户接口。N I公司提出的“软件就是仪器”(The so ftw are is th e instrument)的概念,形象的说明了软件在虚拟仪器中的关键作用。

N I公司站在巨人Microso ft的肩膀上,推出面向测量仪器的控制和管理的LabV IEW视窗软件平台,为用户使用和开发虚拟仪器系统提供了一个界面友好、使用便捷、功能强大的图形化编程环境。LabV IEW软件包中带有大量标准仪器驱动程序库,这些驱动程序可以实现对特定仪器的控制和通信,为用户提供了仪器硬件接口的软件模块。

表1是虚拟仪器和传统仪器的比较,由表1可以看出虚拟仪器的最大特点是以计算机技术为平台,充分发挥了软件的作用。

表1V I与传统仪器的比较

V I(虚拟仪器)传统仪器

软件使得开发与维护费用较低开发与维护费用高

技术更新周期短(0.5～1年)技术更新周期长(5～10年)

软件是关键硬件是关键

价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵

用户定义仪器功能厂商定义仪器功能

开放、灵活,可与计算机技术保持同步发展封闭、固定

自动化、智能化、网络化、远距离传输功能单一、操作不便

3　V I技术的发展

V I技术的发展是随着计算机技术的发展而不断发展的。计算机总线技术、DAQ(数据采集)技术、A/D变换技术、信号调理技术(包括放大、滤波、隔离等)等的不断发展更加促进了V I测试系统在高速、实时方面的测试能力不断提升。

同时,N I公司通过开发不同的仪器驱动程序,使不同厂家的测量仪器适应LabV IEW软件平台的要求。在国际上,有一个专门服务于独立式测量仪器的标准称为IV I(可互换的虚拟仪器),它是建立独立式测量仪器之间相互作用的方式的指令,支持这个标准的仪器就能够有很好的功能互换性。他们与许多仪器制造商合作,并推出一组标准的IV I指令集用于示波器、