虛擬儀器的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用

1、引言

PXI（PCI面向儀器的擴(kuò)展）是一個(gè)新的模塊化儀器平臺，它能夠提供高性能的測量，而價(jià)格并不十分昂貴。利用PXI模塊化儀器，您可以充分享受開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化PC技術(shù)所帶來的低成本、簡便易用性、靈活性及高性能等優(yōu)點(diǎn)。PXI的核心技術(shù)是CompactPCI工業(yè)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、Microsoft Windows 軟件及VXI的定時(shí)和觸發(fā)功能。

2、電子測量儀器的發(fā)展

電子測量儀器發(fā)展至今，大體可分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。

第一代模擬儀器，這類儀器在某些實(shí)驗(yàn)室仍能看到，如指針式萬用表、晶體管電壓表等。

第二代數(shù)字化儀器，這類儀器目前相當(dāng)普及，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等。這類儀器將模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號測量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測量。

第三代智能儀器，這類儀器內(nèi)置微處理器，既能進(jìn)行自動測試又具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，可取代部分腦力勞動，習(xí)慣上稱為智能儀器。它的功能塊全部都是以硬件（或固化的軟件）的形式存在，相對虛擬儀器而言，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。

第四代虛擬儀器，它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是將來儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展一個(gè)重要方向。

3、什么是虛擬儀器

虛擬儀器（Virtual Instruments，簡稱VI）的概念，是美國國家儀器公司（National Instruments Corp.簡稱NI）于1986年提出的。虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)；是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。

3.1、虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 融合計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置。

（2） 利用了計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)靈活性；通過軟件技術(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法，實(shí)時(shí)、直接地對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理；通過圖形用戶界面（GUI）技術(shù)，真正做到界面友好、人機(jī)交互。

（3） 基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線，儀器硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小系統(tǒng)尺寸，可方便地構(gòu)建模塊化儀器（Instrument on a Card）。

（4） 基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，VI系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)（connectivity），廣泛支持諸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用VI技術(shù)可方便地構(gòu)建自動測試系統(tǒng)（ATS，Automatic Test System），實(shí)現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。

（5） 基于計(jì)算機(jī)的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶可根據(jù)自己的需要，選用不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建時(shí)間。

3.2、虛擬儀器的硬件系統(tǒng)

虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺和測控功能硬件。

計(jì)算機(jī)硬件平臺可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如普通臺式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。計(jì)算機(jī)管理著虛擬儀器的硬軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲能力、處理性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。

按照測控功能硬件的不同，VI可分為GPIB、VXI、PXI和DAQ四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。

（1） GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口總線，是計(jì)算機(jī)和儀器間的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議。GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已納入國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)--IEEE 488.1和IEEE 488.2。它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配置了遵循IEEE 488的GPIB接口。典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計(jì)算機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器。每臺GPIB儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī)控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)改動。這種概念已被應(yīng)用于儀器的內(nèi)部設(shè)計(jì)。在價(jià)格上，GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器。但是GPIB的數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于500kb/s，不適合于對系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。（標(biāo)準(zhǔn)接口總線在20m距離內(nèi)，若每2m等效的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載相當(dāng)于使用48mA的集電極開路式發(fā)送器，則最高工作速率是250kb/s，若采用三態(tài)門發(fā)送器，一般速率為500kb/s，最高可達(dá)1000kb/s。）

（2） VXI（VMEbus eXtension for Instrumentation）即VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是1987年在VME總線、Eurocard標(biāo)準(zhǔn)（機(jī)械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)）和IEEE 488等的基礎(chǔ)上，由主要儀器制造商共同制訂的開放性儀器總線標(biāo)準(zhǔn)。VXI 系統(tǒng)最多可包含 256個(gè)裝置，主要由主機(jī)箱、“0槽”控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅(qū)動軟件、系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用組成新系統(tǒng)。目前，國際上有兩個(gè)VXI總線組織。①VXI聯(lián)盟，負(fù)責(zé)制定VXI的硬件（儀器級）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括機(jī)箱背板總線、電源分布、冷卻系統(tǒng)、零槽模塊、儀器模塊的電氣特性、機(jī)械特性、電磁兼容性以及系統(tǒng)資源管理和通訊規(guī)程等內(nèi)容；②VXI總線即插即用（VXI Plug&Play，簡稱VPP）系統(tǒng)聯(lián)盟，宗旨是通過制訂一系列VXI的軟件（系統(tǒng)級）標(biāo)準(zhǔn)來提供一個(gè)開放性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)VXI總線產(chǎn)品的“即插即用”。這兩套標(biāo)準(zhǔn)組成了VXI標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)了VXI的模塊化、系列化、通用化以及VXI儀器的互換性和互操作性。VXI的價(jià)格相對較高，適合于尖端的測試領(lǐng)域。

（3） PXI（PCI eXtension for Instrumentation）PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是 CompactPCI結(jié)構(gòu)和Microsoft Windows軟件。　PXI是在PCI內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、用于精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線、以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，來滿足試驗(yàn)和測量用戶的要求。PXI兼容CompactPCI機(jī)械規(guī)范，并增加了主動冷卻、環(huán)境測試（溫度、濕度、振動和沖擊試驗(yàn)）等要求。這樣，可保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。

（4） DAQ（Data AcQuisition）數(shù)據(jù)采集，指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線（如ISA、PCI、PC/104等）的內(nèi)置功能插卡。它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。利用DAQ可方便快速地組建基于計(jì)算機(jī)的儀器（Computer-Based Instruments），實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用”。 在性能上，隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的迅速發(fā)展，DAQ的采樣速率已達(dá)到1Gb/s，精度高達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個(gè)，并能任意結(jié)合數(shù)字I/O，模擬I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等通道。儀器廠家生產(chǎn)了大量的DAQ功能模塊可供用戶選擇，如示波器、數(shù)字萬用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在ＰＣ計(jì)算機(jī)上掛接若干DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有若干功能的ＰＣ儀器。

3.3、虛擬儀器的軟件系統(tǒng)

虛擬儀器技術(shù)最核心的思想，就是利用計(jì)算機(jī)的硬/軟件資源，使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化（虛擬化），以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性?；谲浖赩I系統(tǒng)中的重要作用，NI提出了“軟件就是儀器（The software is the instrument）”的口號。VPP系統(tǒng)聯(lián)盟提出了系統(tǒng)框架、驅(qū)動程序、VISA、軟面板、部件知識庫等一系列VPP軟件標(biāo)準(zhǔn)，推動了軟件標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。

虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：VISA庫、儀器驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件。

VISA（Virtual Instrumentation software Architecture）虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。一般稱這個(gè)I/O函數(shù)庫為VISA庫。它駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，以實(shí)現(xiàn)對儀器的程控。它對于儀器驅(qū)動程序開發(fā)者來說是一個(gè)個(gè)可調(diào)用的操作函數(shù)集。

儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。

應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動測試任務(wù)。

虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫，大致可分為兩種方式：

①用通用編程軟件進(jìn)行編寫。主要有Microsoft公司的Visual Basic與Visual C++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder；

②用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開發(fā)。如HP公司的VEE，NI公司的LabVIEW 和Lab windows/CVI等。

應(yīng)用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。通用數(shù)字處理軟件包括用于數(shù)字信號處理的各種功能函數(shù)，如頻域分析的功率譜估計(jì)、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和細(xì)化分析等；時(shí)域分析的相關(guān)分析、卷積運(yùn)算、反卷運(yùn)算、均方根估計(jì)、差分積分運(yùn)算和排序等。以及數(shù)字濾波等等。這些功能函數(shù)為用戶進(jìn)一步擴(kuò)展虛擬儀器的功能提供了基礎(chǔ)。

4、LabVIEW簡介

80年代早期，計(jì)算機(jī)接口變得越來越精細(xì)，界面也越來越友好，NI的工程師們意識到：需要一種強(qiáng)大的軟件接口讓用戶通過他們的計(jì)算機(jī)獲得更簡單有效的測試與控制。蘋果公司的Macintosh為這種即將誕生的圖形化軟件語言提供了一個(gè)最好的環(huán)境：G語言。不久，NI為基于計(jì)算機(jī)的測量和自動化開發(fā)出了一個(gè)軟件包：LabVIEW。

LabVIEW是基于G語言的革命性的圖形化開發(fā)語言，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)。它的目標(biāo)是簡化程序的開發(fā)工作，讓工程師和科學(xué)家能充分利用PC機(jī)的功能，快速簡便地完成自己的工作。十余年的不斷充實(shí)，使LabVIEW成為豐富、強(qiáng)大的實(shí)用工具軟件包。與LabVIEW同步推出的還有LabWindows/CVI，它的特點(diǎn)是可利用ANSI C編程語言建立與實(shí)用儀器的交互式開發(fā)環(huán)境。這兩者內(nèi)部都配有GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的庫函數(shù)，以及全球幾百家廠商的儀器驅(qū)動程序。圍繞這些核心軟件還陸續(xù)開發(fā)出多種附件。

LabVIEW的誕生標(biāo)志著NI進(jìn)入了專門從事VI（虛擬儀器）的時(shí)期。

5、PCI、PXI、VXI的比較

基于PCI總線、基于PXI總線、基于VXI總線虛擬儀器測試系統(tǒng)由于總線的不同而具有各自的特點(diǎn)與應(yīng)用范圍。

與傳統(tǒng)儀器組建的測試系統(tǒng)相比，基于PCI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)在性能、靈活性、易用性和低價(jià)格等方面具有絕對優(yōu)勢。其儀器硬件為插卡式，具有與計(jì)算機(jī)插卡相同的尺寸，將硬件插卡直接插入計(jì)算機(jī)中的PCI槽上即可構(gòu)成測試系統(tǒng)，充分利用計(jì)算機(jī)的資源來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理、故障分析診斷和過程控制等智能測控。與基于其它總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)相比，價(jià)格低廉的特點(diǎn)使其在工業(yè)、軍工、教育和科研領(lǐng)域得到了廣泛得以應(yīng)用。缺點(diǎn)在于基于PCI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)缺乏觸發(fā)線標(biāo)準(zhǔn)化及其所處的計(jì)算機(jī)環(huán)境，這一環(huán)境不能滿足大功率，高質(zhì)量冷卻，仔細(xì)考慮RFI/EMI屏蔽的復(fù)雜而精密的測試任務(wù)的要求。插卡的連線也可能因所用的計(jì)算機(jī)型號的限制而生產(chǎn)困難。插槽數(shù)十分有限，難以容納大量的通道。

基于PXI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)由于PXI總線產(chǎn)品對PCI總線產(chǎn)品的完全兼容，這樣在許多領(lǐng)域，他們與基于PCI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)可以互相代替，而具有性能超過前者，只是價(jià)格稍高一些。用戶如果想在現(xiàn)有的基于PCI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基于PXI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)，只需對硬件投資，原有的軟件可不加任何修改而運(yùn)行在PXI系統(tǒng)上。同時(shí)由于PXI總線對機(jī)箱內(nèi)部器件工作環(huán)境做了嚴(yán)格的規(guī)定以及PXI系統(tǒng)擁有比臺式機(jī)設(shè)計(jì)更多的擴(kuò)展槽，致使PXI系統(tǒng)可以在惡劣工作環(huán)境下正常工作，從而可以適應(yīng)各種各樣更大復(fù)雜的測試領(lǐng)域。由于PXI總線是PCI總線基礎(chǔ)上借鑒VXI總線的儀器特性組合而成，PXI系統(tǒng)在價(jià)格上和性能上介于PCI系統(tǒng)和VXI系統(tǒng)之間。

VXI總線從1987年誕生至今雖然歷史不長，但VXI總線產(chǎn)品從無到有、從小到大，已形成規(guī)模生產(chǎn)，特別是從90年代開始，VXI總線的產(chǎn)品發(fā)展呈指數(shù)上升趨勢。VXI總線模板本身不帶電源，沒有面板，按鍵，旋鈕和顯示器，電參數(shù)的設(shè)定及測量結(jié)果顯示必須通過軟件面板來實(shí)現(xiàn)，是很好的虛擬儀器系統(tǒng)平臺，將VXI總線這項(xiàng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)資源，可實(shí)現(xiàn)交互式網(wǎng)頁基礎(chǔ)上組建遠(yuǎn)程通信及測試網(wǎng)絡(luò)。VXI總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為虛擬儀器開發(fā)提供了更為理想的環(huán)境，基于VXI總線虛擬儀器測試系統(tǒng)將會成為二十一世紀(jì)程控測試系統(tǒng)的主流。目前由于價(jià)格昂貴，它主要應(yīng)用在尖端測試領(lǐng)域，據(jù)數(shù)據(jù)資料表明，VXI系統(tǒng)用戶72%來源于通訊業(yè)和軍工業(yè)。

不同的測試任務(wù)對測試系統(tǒng)有不同的要求，一種虛擬儀器測試系統(tǒng)不可能涵蓋整個(gè)社會對測量的要求。對虛擬儀器測試系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)該有一個(gè)客觀的認(rèn)識?；赑CI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)通常適用于低頻低速的過程測控系統(tǒng)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室常規(guī)測試?；赑XI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)由于電磁兼容性能及冷卻性能的改善和模塊式結(jié)構(gòu)可用在一般要求的自動測試系統(tǒng)場合和系統(tǒng)總價(jià)格有所限制的自動測試系統(tǒng)?；赩XI虛擬儀器測試系統(tǒng)具有良好的性能，可用于自動措施系統(tǒng)是特別是高速大數(shù)據(jù)量自動測試系統(tǒng)，寬頻帶自動測試系統(tǒng)和軍用自動化測量，代表著二十一世紀(jì)測試技術(shù)的發(fā)展方向。

6、結(jié)束語

PXI兼?zhèn)淞薱ompact PCI標(biāo)準(zhǔn)的高性能和VXI儀器系統(tǒng)的高可靠性，同時(shí) ，保持了比VXI更具吸引力的價(jià)格優(yōu)勢，是能滿足您高標(biāo)準(zhǔn)測試要求的最佳性價(jià)比選擇。開放式PXI規(guī)范利用了多項(xiàng)現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，以提供最佳的測量和自動化平臺。其中最主要的電氣規(guī)范由非常成功的PCI總線擴(kuò)展而來。 面向儀器的電氣擴(kuò)展包括內(nèi)置的觸發(fā)和局部總線，而這些又是由高性能的VXI儀器結(jié)構(gòu)擴(kuò)展而來。

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