基于嵌入式的虛擬儀器構(gòu)件問題的研究

時(shí)炳彥

（愛思愛天津高科技有限公司，天津300308）

0 引 言

最早得到廣泛應(yīng)用的儀器儀表是機(jī)械式儀器儀表，以后逐漸發(fā)展到光學(xué)、電學(xué)儀器儀表，目前發(fā)展到基于計(jì)算機(jī)控制的虛擬儀器。在儀表的發(fā)展過程中，隨著集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信等領(lǐng)域的發(fā)展，1986年美國國家儀器公司提出了一種新型的虛擬儀器技術(shù)，它是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行總體控制，通過利用不同的總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的控制和模擬。這種技術(shù)一方面將計(jì)算機(jī)科技與虛擬儀器設(shè)備相聯(lián)系，另一方面鑒于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟硬件設(shè)施實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的模擬和建立。而基于嵌入式的虛擬儀器構(gòu)件也是當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的新方向，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的專用特性，對(duì)虛擬儀器構(gòu)建問題進(jìn)行研究，更有利于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。

1 嵌入式處理器

通常來看，嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用實(shí)際，就它的整體性能而言，是一種基于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，具備良好的軟硬件編程以及應(yīng)用能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式一般有廣義以及狹義的區(qū)分，狹義上說，基于計(jì)算機(jī)的，能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能并且能進(jìn)行獨(dú)立控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱之為嵌入式系統(tǒng)；與之相反，類似于在單片機(jī)中應(yīng)用的沒有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，而僅僅包含軟硬件單元的即是廣義層面上的嵌入式。

在嵌入式系統(tǒng)中，處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心單元，在實(shí)現(xiàn)可靠性控制的前提下，嵌入式處理器把許多需要完成的任務(wù)集結(jié)在芯片內(nèi)部，這樣一方面可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的微型化，另一方面可以提高控制的效率以及可靠性。總的來看，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的處理器與通用型最大的區(qū)別就是面向的對(duì)象以及控制對(duì)象的區(qū)別，正是由于嵌入式工作的單一性才會(huì)保障控制系統(tǒng)的穩(wěn)定以及可靠。因此，嵌入式系統(tǒng)處理器也是當(dāng)前市場競爭較為激烈的硬件芯片，不同的芯片存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，核心單元是嵌入式處理器。為此，要設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)，必須最大程度上估計(jì)處理器單元。

2 虛擬儀器構(gòu)件分析

2.1 虛擬儀器的特點(diǎn)

虛擬儀器（Virtual Instrument，縮寫為VI）是基于計(jì)算機(jī)的儀器，是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能的一種儀器。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有眾多的優(yōu)點(diǎn)，可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：

（1）通信方面，虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接，方便用戶盡快交流，與傳統(tǒng)儀器相比在實(shí)時(shí)性上有所提高。

（2）功能方面，基于計(jì)算機(jī)控制的虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)軟硬件的擴(kuò)充以及設(shè)計(jì)，從而滿足不同的功能需求；而傳統(tǒng)的儀器僅僅局限于某一方面的功能，因此在功能方面，傳統(tǒng)儀器大大不如虛擬儀器技術(shù)。在智能化方面虛擬儀器智能化程度高，處理能力強(qiáng)。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。

（3）成本方面，基于計(jì)算機(jī)控制的虛擬儀器價(jià)格以及成本較低，明顯低于傳統(tǒng)儀器。

總的來看，虛擬儀器有傳統(tǒng)儀器所無法比擬的眾多優(yōu)點(diǎn)，這就為虛擬儀器的發(fā)展提供了良好的鋪墊。

2.2 虛擬儀器的產(chǎn)生與分類

在電子儀器設(shè)備發(fā)展的歷程中，經(jīng)歷了模擬、數(shù)字、智能以及虛擬儀器的四個(gè)階段，不同階段有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。然而虛擬儀器依據(jù)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟硬件以及處理功能，在監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用以及檢測中占有重要的作用。虛擬儀器可以較為方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、信號(hào)的分析以及處理輸出等問題，這極大地方便了用戶，為虛擬儀器的發(fā)展開辟了良好的途徑。總的來看，根據(jù)總線通信控制的不同方式，虛擬儀器大致可以歸納為以下幾類：

（1）插卡型，這類虛擬儀器通過PC總線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與軟件相聯(lián)系，從而組建各種儀器。但是，受到PC機(jī)箱和總線的限制，插卡的尺寸比較小，插槽數(shù)目有限，此外，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平也較高。

（2）并行口型，這類虛擬儀器主要是通過一系列可以連接到計(jì)算機(jī)的并行口測量裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集以及分析處理，這類儀器主要為了模擬頻率計(jì)、邏輯分析儀、萬用表以及波形發(fā)生器等裝置。

（3）GPIB型，這類主要是基于通用儀器接口總線技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能分散化，通過總線聯(lián)系把不同形式的GPIB聯(lián)系起來，從而實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的模擬。在GPIB的應(yīng)用中，鑒于其結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，一般適用于精度不高的場合。

（4）VXI型，因?yàn)榫哂辛己玫臄?shù)據(jù)采集處理、結(jié)構(gòu)模塊化以及應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，在虛擬儀器中得到較為廣泛的普及，在一些要求較為嚴(yán)格的場合，一直有自己的優(yōu)勢。

（5）PXI型，這類總線在目前較為成熟，可以實(shí)現(xiàn)相鄰用戶的通信，具有良好的發(fā)展前景。

總的來說，各類虛擬儀器都有其優(yōu)勢，但是把嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到虛擬儀器技術(shù)中更能體現(xiàn)其優(yōu)良的性能。

2.3 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)分析

在虛擬儀器的組成中，大致可以分為計(jì)算機(jī)模塊、軟件模塊以及硬件模塊三部分。

2.3.1 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)以及儀器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成了虛擬儀器的硬件系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算機(jī)在處理、分析等方面有重要的優(yōu)勢，這極大地提高了虛擬儀器的發(fā)展。通過嵌入式計(jì)算機(jī)的控制，虛擬儀器可以根據(jù)用戶的需求，來實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的構(gòu)件與基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件一起工作，用來采集數(shù)據(jù)、提供源信號(hào)和控制信號(hào)。

2.3.2 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)

虛擬儀器技術(shù)就是利用了計(jì)算機(jī)作為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)良好的模擬過程，從而滿足用戶的實(shí)際需求。它一方面降低了使用成本，另一方面擴(kuò)大了實(shí)用的功能，最核心的思想就是利用計(jì)算機(jī)的硬、軟件資源，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。而嵌入式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是虛擬儀器組件問題中一個(gè)重要的組成部分，它延續(xù)了原來系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢，還能最大程度上實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的構(gòu)造。通過使用計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)不同類型的需要。對(duì)于基于嵌入式的虛擬儀器，提高計(jì)算機(jī)的軟件編程也是一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的問題。

3 結(jié) 論

本文主要對(duì)虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)目前比較流行的幾種類型進(jìn)行分析，然后對(duì)虛擬儀器的組成部分，包括軟件以及硬件等方面進(jìn)行簡單的概述，再結(jié)合嵌入式處理器的相關(guān)內(nèi)容，可以清楚地看到，解決嵌入式的構(gòu)件問題在虛擬儀器系統(tǒng)的優(yōu)化以及對(duì)模型進(jìn)行合理的模擬中有重要的意義。

［1］徐科軍.傳感器與檢測技術(shù)（第二版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［2］周立功.ARM＆WinCE實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］戴勝華.嵌入式系統(tǒng)［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［4］Wayne Wolf著，孫玉芳譯.嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.