虚拟仪器技术的构成及发展趋势

虚拟仪器技术的构成及发展

趋势

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虚拟仪器技术的构成及发展趋势

摘要：上个世纪80年代，美国NI公司的划时代产品LabVIEW诞生，并随后提出“软件就是仪器”的口号，从而开辟了“虚拟仪器技术”的全新测量概念，成为现代测试技术的发展方向。本文介绍了虚拟仪器技术的定义、特点，构成、以及虚拟仪器系统的发展过程和今后的发展趋势。

关键词：虚拟仪器计算机 LabVIEW I/O 测试技术

1.引言

虚拟仪器简称VI(Visual Instruments)，是电子测量技术与计算机技术深层次结合的新一代电子仪器。虚拟仪器就是利用计算机及其测控系统实现传统仪器的功能，并在计算机屏幕上模拟传统仪器的操作面板，实现人机交互，使得人们在操作计算机的同时就像操作自己设计的仪器一样。虚拟仪器要比传统的电子仪器更为通用，在组建仪器、确定功能和技术更新等方面更为灵活、更为经济，更能适应故障诊断技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新、扩展功能和提高性能的要求。

任何测量与控制都离不开仪器仪表,传统的测量仪器模式为:独立的机箱；有面板操作键和旋钮,有信号的输入与输出端口,有测量结果的显示方式，即指针、表头或数码管窗口等。以往的仪器包括电子测量仪器、分析仪器、生化仪器、医疗电子仪器等称为传统仪器，它的功能和技术指标是由生产厂家定义好的，用户基本上是被动地操作和使用。计算机机技术的出现和发展，从根本上影响和改变着仪器技术的发展。由于计算机可以通过其扩展槽、接口板和装置仓等与外部仪器或设备相连接，使外部仪器设备可以共享其丰富的软件资源，这样就大大增加了仪器的功能，提高了仪器的性能。通过计算机扩展槽或接口板等装置，把计算机的软件资源和硬件资源(数据采集板或模块)与外部的仪器设备连接起来，形成了一类全新的测试仪器设备，人们称这样一种全新的仪器设备为“虚拟仪器”。

2.虚拟仪器的定义及特点

2.1 虚拟仪器的定义

仪器的基本功能就是:信息采样控制、信息分析处理、信息指示表达。传统仪器在实现这三大功能时,是以固化的电路结构来完成的,其专业性很强,用户无法改变仪器的测量功能,因此测量功能单一,使用场合狭窄,从采样、分析、到数据处理全部由人工操作,效率低,可靠性差。如果将上述三大功能块放在计算机上, 充分利用计算机的软件P硬件优势, 就可实现数据的自动采集、分析和处理,达到传统仪器所达到的效果,这种方式突破了传统仪器在测量速度、测量功能以及适应范围的局限,并且给用户拓展了想象空间。用户可根据实际测量需求,随意修改软件或增添硬件,设计自己的测量系统,达到一机多用的功效。

由于传统仪器的采样、分析和处理分别由计算机硬件和软件完成,从而以往我们所看到的测量仪器实体现仅被一台通用型的计算机所代替,测量者面对的操作仪器就是一台计算机。计算机内部安装的数据采集卡的作用就是实现信息采样和传输,测量者可通过自行编制的应用软件对被测信息进行分析处理,并按测量者的意愿(显示或打印)输出测量结果。整个测量过程仅仅是通过对计算机屏幕上生成的仪器面板的操作而完成的。

综上所述,虚拟仪器的定义可为:通用计算机加上一组软件和硬件,通过鼠标或键盘操作,实现测量功能,达到传统仪器所达到的测试效果。

2.2 虚拟仪器的主要特点

2.2.1 性能高

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，工程师在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

2.2.2 扩展性强

虚拟仪器的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。由于虚拟仪器软件的灵活性，用户只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个测试系统。在利用最

新科技的时候，就可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

2.2.3 开发时间少

在驱动和应用两个层面上，虚拟仪器高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。方便了用户的操作，使用户可以轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

2.2.4 系统的开放性强

虚拟仪器具有与其它设备互联的能力,如可通过与网络或其它高档外设的连接,实现对现场的监测和管理,这种互联能力使测控系统的功能显著增加, 应用领域明显扩大。

2.2.5 无缝集成

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性，如图1所示。

图1 IDM V304

2.2.6 性价比高

虚拟仪器之所以能达到一机多用的功效,是由于它测量功能的设置极为方便, 技术更新周期短,系统组建时间少,同时由于测量时完全采用数字化,降低了环境干扰和系统误差的影响,从而节省了硬件环节，也减少了测试系统的开发成本和维护成本, 所以经济实用。

虚拟仪器的特点远不止上述几点,它的实用性、开放性、可靠性均有很大的优势,毫无疑问,虚拟仪器是现代电子技术发展的必然,是未来测控领域的中坚。

3.虚拟仪器系统构成

目前虚拟仪器系统的基本构成为数据采集系统、GPIB仪器控制系统、VXI计算机总线系统以及三者之间的任意组合。系统框图如图2:

图2 虚拟仪器系统构成框图

从系统框图中可见,虚拟仪器主要组成部分为硬件和软件两类。硬件是基本的框架, 是系统的支撑,软件是仪器的灵魂,是系统运作的关键,下面就两部分分别给予介绍。

3.1 虚拟仪器的硬件系统

在以计算机为核心组成的硬件平台支持下，可以通过不同测试功能模块的组合，来实现仪器的多种测控功能。计算机与外界的通信主要通过对外通信接口(如RS232C，GPIB，1394等)、信号转换功能(如A/D，D/A，I/O卡等)以及总线通信(如VXI，PXI)等来实现的，本文主要列举下列六种类型加以简单说明。

(1)RS232C串口通信接口串口通信是以Serial标准总线的仪器，具有独立的通信功能，实现计算机的串口通信实现数据交换。尽管RS232C总线是PC机早期采用的通用串行总线，但由于其传输简单、便利，所以至今仍然适用于传输速