虛擬儀器的類型及其發展情況

陳書旺　胡愛華

摘要：介紹了虛擬儀器的結構特點，并分類型講解了各種虛擬儀器硬件平臺的組成、工作原理及其發展情況。重點舉例說明了適合我國發展情況的DAO型虛擬儀器。

關鍵詞：虛擬儀器類型硬件平臺發展情況DAQ

1虛擬儀器的結構

1．1計算機硬件平臺

虛擬儀器計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。

1．2接口硬件

按照接口硬件的不同，分為GPIB、VXI、PXI和DAQ四種標準接口總線或接口標準。

1．3虛擬儀器的軟件系統

虛擬儀器從底層到頂層包括三部分：VISA庫、儀器驅動程序、應用軟件。

(1)VISA(Virtual Instrumentation Software Architec-ture)庫

VISA庫實質就是標準的14)函數庫及其相關規范的總稱．它駐留在計算機系統中，執行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之問的軟件層連接，用來實現對儀器的控制。

(2)儀器驅動程序

儀器驅動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合，是應用程序實現儀器控制的橋梁。每個儀器都有自己的儀器驅動程序，由儀器廠商提供。

(3)應用軟件

應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀、友好的操作界面、豐富的數據分析和處理功能，來完成自動測試任務。通常實現所用的編程語言有VB、VC、LabVlEW等。

2擬儀器的類型及發展情況

2．1GPIB總線方式的虛擬儀器

GPIB(General Purpose Interface Bus)是計算機和儀器之間的標準通信協議，GPIB的硬件規格和軟件協議已經納入國際工業標準IEEE 488.1和IEEE 488.2中。GPIB是最早的儀器總線。

典型的GPIB測試系統包括一臺計算機、一塊GPIB接口控制器卡和若干臺GPIB儀器。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。通過改動計算機的控制軟件可以增加、減少或更換系統中的儀器。

在價格上，GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器，但由于GPIB的數據傳輸率一般低于500kB/s，不適合對于系統速度要求較高的應用，現在已經逐步退出了市場。

2．2 VXI總線方式的虛擬儀器

1987年公布的VXI(VMEbus extension for Instmmen-tion)是VME總線在儀器領域的擴展，它不僅繼承了GPIB、VME總線的優點，集測量、計算、通信于一體，還具有高速、模塊化的優點。

與GPIB儀器系統相比，VXI模塊沒有前操作面板，因此，應用VXI總線組建測試系統必須編制虛擬的“軟前面板”以完成對儀器系統的操作控制(當今流行的可視化編程語言如Visual Basie,Visual C，Delphi等均可以在VXI平臺上構造一個完全圖形化的用戶操作面板，實現測試控制、數據分析、結果顯示等功能，從而設計出各種操作方便的基于圖形用戶界面(GUI)的集成測試系統。

經過10多年的發展，VXI系統的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規模自動測量系統以及對速度、精度要求高的場合。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。目前，這種類型也有逐漸退出市場的趨勢。

2．3 PXI總線方式的虛擬儀器

PXI(PCI extension for Instnunention)是PCI在儀器領域的發展，是NI公司于1997年發布的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規范。PXI總線方式是在PCI總線內核技術上增加了成熟的技術規范和要求形成的，增加了多板同步觸發總線的參考時鐘，用于精確定時的星形觸發總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局部總線。

PXI具有高度可擴展性，可擴展到256個擴展槽。把臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優勢結合起來，將形成未來主流的虛擬儀器平臺之一。

2．4 DAQ(Data AcQuisition)虛擬儀器

DAQ指的是基于計算機標準總線(如ISA、PCI、PC/104等)的內置功能插卡，它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統的靈活性和擴展性。利用DAQ可以方便快捷地組建虛擬儀器，實現“一機多型”和“一機多用”。

下面以基于PCI總線和USB總線的多功能虛擬儀器的實現為例，介紹DAQ型虛擬儀器的結構。

2．4．1基于PCI總線的多功能虛擬儀器

本類型虛擬儀器由一塊基于PCI總線的高速數據采集卡和相應的軟件組成，將它們安裝在一臺運行的PC機上，可構成一個功能強大的數字虛擬儀器。其系統框圖及工作傳輸。

工作原理：由主機啟動程序，發出按時間步進的頻率控制字送入信號源電路，產生頻率隨時間在1MHz－70MHz范圍內變化的恒幅正弦波模擬信號。信號通過PCI高速數據采集卡采樣的數字信號，經PCI總線送入計算機內，通過LaabVlEW軟件模塊對信號進行分析、處理，從而實現虛擬儀器的功能。

另外，通過改變應用程序，即界面程序設計可實現不同功能的虛擬儀器，如虛擬數字示波器，虛擬頻譜分析儀等。這種類型的虛擬儀器具有一定的缺點：由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入時都需要打開機箱，操作不方便；并且測試信號直接進入計算機，各種現場的被測信號對計算機安全造成很大的威脅；同時，計算機內部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響。

2．4．2基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設計

基于USB總線的嵌入式虛擬儀器具有使用方便、數據傳輸速度快、連接靈活的特點。可以采用星型的拓撲結構構建分布式測試系統。該類系統主要由PC機、USB集線器和嵌入式虛擬儀器組成。系統的體系結構設計按照智能模塊的設計思路進行，智能模塊的作用是完成特定應用的測試功能。利用USB總線的優勢可以實現測試方案的靈活配置和測試功能的自由擴展，即當需要添加新測試功能時，只需開發支持USB接口的相應測試功能的嵌入式虛擬儀器模塊即可。

其中，嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為：信號調理和模數轉換電路、嵌入式控制模塊、存儲系統、液晶顯示模塊、USB總線接口邏輯等部分。

USB技術和虛擬儀器技術結合在一起是計算機儀表領域研究的熱點，基于USB總線接口設計的嵌入式虛擬儀器具有良好的系統擴展性。嵌入式虛擬儀器可以獨立完成特定的信號處理和分析，又可以通過USB總線系統組合在一起，構建大型的測試系統，完成復雜的測試功能。

2．4．3 DAQ型虛擬儀器的發展情況

在性能上，隨著Ad轉換技術、儀器放大技術、抗混疊濾波技術與信號調理技術的發展，DAQ的采樣速率已達1Gb/s，精度高達24位，通道數高達64個，并能任意結合數字I/O、模擬I/O、計數器定時器等通道。

DAQ虛擬儀器既具有高檔儀器的測量品質，又能滿足測量需求的多樣性。對大多數用戶來說，這種方案不但實用，而且具有很高的性能價格比，是一種特別適合于我國國情的虛擬儀器方案。

3結束語

本文所介紹的各類虛擬儀器已經在實踐中得到檢驗。實現了普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無法實現的功能。虛擬儀器不但功能多樣、測量準確，而且界面友好、操作簡易，與其它設備集成方便靈活，開發更加容易，質量更有保證。系統升級可透明進行，一旦需要，可以增加接口來擴展軟件的功能。同時，本文通過對比各類型虛擬儀器的特點，給出了現實中進行系統設計時選擇適當的虛擬儀器類型的依據，從而使設計結果達到最好的性價比。