虛擬儀器在專用測試設備中的運用

徐炎

摘 要

虛擬儀器具有良好的系統開放性和擴展性，能夠在有限的硬件基礎上通過軟件開發實現多樣化的測試設備搭配。本文主要論述虛擬儀器測試設備的軟硬件組成，自動測試系統的開發以及虛擬儀器測試設備的校準。

【關鍵詞】虛擬儀器 專用測試設備 PXI總線

1 虛擬儀器的發展概況

1.1 虛擬儀器的概念

虛擬儀器（Virtual Instruments，VI）的概念最初是由美國國家儀器公司在上世紀八十年代提出，一般認為是在計算機基礎上通過增加相關的硬件和軟件而構成不同的儀器，實現各種用戶定義的儀器或測試功能。

1.2 虛擬儀器的組成

虛擬儀器通常由硬件設備與接口、功能實現軟件和人機交互界面組成。硬件設備與接口可以是各種以計算機為基礎胡擴展類設備，或者是其他各種可直接、間接程控的外圍設備；功能實現軟件根據儀器的功能定義對硬件功能進行整合，從而實現儀器功能；人機交互見面提供了傳統儀器面板所進行的操作和顯示功能。

2 虛擬儀器技術在測試設備中的應用

虛擬儀器技術的優勢在可由用戶定義專用測試設備，且功能靈活，構建簡便，特別契合專用測試設備開發需求。虛擬儀器把強大的計算處理能力和測量、控制能力結合在一起，可通過軟件實現對數據胡實時分析處理。

2.1 虛擬儀器測試設備的總線接口選擇

現階段虛擬儀器的接口總線類型多樣，有數據采集卡式（DAQ）虛擬儀器、串口虛擬儀器、USB虛擬儀器、GPIB虛擬儀器、VXI虛擬儀器、PXI虛擬儀器。

綜合性能、價格等多方面因素，推薦使用PXI總線。PXI總線規范是在PCI總線規范上發展而來的，具有傳遞數據量大、傳輸率高等性能特點，并且增加了專用的系統參考時鐘、觸發總線等，以此滿足儀器領域高精度的定時、同步與數據通信要求。相比較同樣用于測試系統開發的VXI總線，PXI總線具有更小巧的體積、更低廉的成本以及更好的標準操作系統框架。

2.2 基于PXI總線的虛擬儀器測試設備

2.2.1 硬件方面主要包括功能板卡選擇和接口電路設計

功能板卡的選擇主要取決于測試設備需要實現的功能，可以根據測試的具體參數，在保證測試通道和測試精度的前提下選擇合適的板卡。常見的數據采集卡、數字表卡、矩陣卡等功能板卡在功能上足以保證常用的測試設備需求，能夠比較便捷地搭建所需的測試設備。

接口電路是測試設備和被測設備之間的連接部分，也是專用測試設備與通用測試設備區別最大的地方，主要是被測信號的多樣性和特殊性所決定的。精確高效穩定的接口電路設計是虛擬儀器測試設備功能實現的基礎，被測信號的類型、量值、精度等諸多因素都是在設計接口電路時要考慮的，基本原則是讓被測信號能夠被完整準確的讀取。

2.2.2 軟件方面現在常用的是LabVIEW之類的圖形化G語言編制

開發人員不再需要在硬件驅動和函數套用上消耗過多的精力，只要調用相應模塊并進行圖形化連接就能很便捷的完成測試程序的編制，但要注意過多的未經優化的嵌套循環會嚴重影響G語言程序的運行效率。

2.3 基于虛擬儀器的自動測試系統

現在的虛擬儀器測試設備已經逐漸從單一的測量設備發展到了自動測試系統，所謂自動測試系統是指采用計算機控制，能自動完成激勵、測量、數據處理并顯示或輸出測試結果的系統。虛擬儀器自動測試系統能夠最大限度的發揮計算機的數據處理優勢提高測試效率，同時具備良好的開放性，能夠便捷的實現測試系統的功能擴展和功能轉換。

虛擬儀器自動測試系統與虛擬儀器測試設備的硬件和軟件都存在較大的區別。

硬件方面，除了要有被測信號采集通道外，還需要提供被測試備的輸入信號甚至是工作電源，讓被測設備能夠在測試環境中獨立工作，從而保證測試過程的完整性和有效性。

測試軟件是自動測試系統的核心，功能完善的測試軟件除了能夠判定被測設備的工作狀態，還能進行故障定位。實現故障定位的途徑主要有兩個，一是設置合理的中間采集點，監控對被測設備工作過程，通過各采集點的工作狀態定位故障，需要對被測設備的工作原理有比較透徹的認識，能夠準確的選定采集點；二是能夠積累足夠多的故障案例，通過“查表法”進行故障定位。

3 虛擬儀器測試設備的校準

虛擬儀器測試設備的校準計量是一個新興的課題，鑒于虛擬儀器測試設備的多樣性和靈活性，對其校準的方法還沒有一致的校準規范和標準。

傳統設備計量所使用的“端對端”比較的計量方法只適用于實現簡單測量功能的虛擬儀器測試設備，對虛擬儀器自動測試系統就很難準確完整地反映設備的工作狀態和精準程度。

首先是對組成虛擬儀器的功能板卡進行校準，這部分板卡都有明確的獨立功能，通常都會提供明確的校準規范和標準，能夠使用傳統手段進行校準。

其次測試軟件中的數據處理和算法等可能影響的是精度的因素在設計時已經考慮，只需要對軟件版本是否現行有效進行確認即可。

再次是對接口電路部分的工作狀態進行檢查校正，因為接口電路部分對信號轉換時存在的誤差和錯誤會直接影響測試結果的準確性，接口電路通常由各種電子線路組合而成，可以通過傳統的校正方法進行校正。

做好以上幾點，結合正確的操作使用，應該就能夠保證虛擬儀器測試設備的測試精度。

4 結束語

虛擬儀器從概念的提出到廣泛運用，體現了計算機技術對傳統工業技術的革命性推進。虛擬儀器作為新興的儀器設備形式，用戶可以自由定義其功能結構，構建靈活，轉換快捷，特別適用于專用測試設備各式各樣的測試需求。利用虛擬儀器思想搭建的測試設備提高了測量精度和速度，成本消耗較低，今后將是專用測試設備發展的重點方向。

參考文獻

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