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如圖2—1所示，虛擬儀器的硬件構(gòu)成有多種方案,，通常采用以下幾種：

（1）基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)

這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW（或LabWindows／CVI）相結(jié)合,，通過A／D變換將模擬、數(shù)字信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析,、處理,、顯示等，并可通過D／A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)反饋控制,。根據(jù)需要還可加入信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)DSP等硬件模塊,。

（2）基于通用接口總線GPIB接口的儀器系統(tǒng)

GPIB（General Purpose Interface Bus）儀器系統(tǒng)的構(gòu)成是邁向虛擬儀器的第一步，即利用GPIB接口卡將若干GPIB儀器連接起來,，用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能,，組織大型柔性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，技術(shù)易于升級(jí),，維護(hù)方便,，儀器功能和面板自定義，開發(fā)和使用容易,。它可高效靈活地完成各種不同規(guī)模的測(cè)試測(cè)量任務(wù)。利用GPIB技術(shù),，可由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制,，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測(cè)試測(cè)量誤差,。同時(shí),，由于可預(yù)先編制好測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試,，提高了測(cè)試效率,。

（3）利用VXI總線儀器實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)

VXI（VMEbus ExtensionforInstrumentation）總線為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個(gè)更為廣闊的發(fā)展空間。VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線———VME（VersaModule Eurocard）總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展,。由于其標(biāo)準(zhǔn)開放,、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng),、定時(shí)和同步精確,、模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊,、使用方便靈活,，已越來越受到重視。它便于組織大規(guī)模、集成化系統(tǒng),，是儀器發(fā)展的一個(gè)方向,。

（4）基于串行口或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)

將某些串行口儀器和工業(yè)控制模塊連接起來，組成實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),。將帶有RS－232總線接口的儀器作為I／O接口設(shè)備通過RS－232串口總線與PC計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng),，目前仍然是虛擬儀器的構(gòu)成方式之一。當(dāng)今,，PC計(jì)算機(jī)已更多地采用了USB總線和IEEE1394總線,。

2．2　虛擬儀器的軟件體系構(gòu)成

構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定以后,，就可通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能,。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。沒有一個(gè)優(yōu)秀的控制分析軟件,，很難構(gòu)成一臺(tái)理想的虛擬儀器系統(tǒng),。根據(jù)VPP（VXIPlug＆Play）系統(tǒng)規(guī)范的定義，虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)包含3部分,，如圖2—2所示：

（1）I／O接口軟件

I／O接口軟件存在于儀器（即I／O接口設(shè)備）與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間,，是一個(gè)完成對(duì)儀器寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件,，是實(shí)現(xiàn)開放的,、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。在VPP系統(tǒng)規(guī)范中,，詳細(xì)規(guī)范了虛擬儀器的I／O接口軟件的特點(diǎn),、組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)規(guī)范,，并將符合VPP規(guī)范的虛擬儀器I／O接口軟件定義為VISA軟件,。

（2）儀器驅(qū)動(dòng)程序

每個(gè)儀器模塊均有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集,。對(duì)于應(yīng)用程序來說,，它對(duì)儀器的操作是通過儀器驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的；儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趦x器的操作與管理,，又是通過I／O軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫(kù)（VISA）的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的,。對(duì)于應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員來說，一旦有了儀器驅(qū)動(dòng)程序,，在不是十分了解儀器內(nèi)部操作過程的情況下,，也可以進(jìn)行虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序是連接上層應(yīng)用程序與底層I／O接口軟件的紐帶和橋梁,。

（3）應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境

應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的選擇,，可因開發(fā)人員的喜好不同而不同,，但最終都必須提供給用戶一個(gè)界面友好、功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序,。在目前,，虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種：

①基于傳統(tǒng)的文本語言式的平臺(tái)。主要是NI公司的LabWindows／CVI,、Microsoft公司的VisualC＋＋,、Visual Basic、Borland公司的Delphi等,。

②基于圖形化編程環(huán)境的平臺(tái),。如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW等,。圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)的提出,，可以大大減輕系統(tǒng)開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，使其將主要精力集中投入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，而不再是具體軟件細(xì)節(jié)的推敲上,。

3　虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬儀器的發(fā)展領(lǐng)域非常廣闊，開發(fā)虛擬儀器既要擁有計(jì)算機(jī)技術(shù),，又要擁有信息處理技術(shù),。總線技術(shù)是VI的一個(gè)關(guān)鍵問題,，VI需要利用計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽,、PCI插槽或ISA插槽，所以開發(fā)VI的儀器硬件,，首先要確定應(yīng)采用哪一種總線標(biāo)準(zhǔn),，PCI總線是一種最新的計(jì)算機(jī)總線規(guī)范，它兼容性強(qiáng),，功能全，傳輸率高,，工作時(shí)鐘頻率33MHz,，結(jié)構(gòu)與處理器獨(dú)立，適合于未來的計(jì)算機(jī),。1997年9月,，美國(guó)NI公司發(fā)布了一項(xiàng)PXI總線標(biāo)準(zhǔn)，PXI（PCIExtention forInstrument）是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展,。開發(fā)VI可以考慮采用PXI標(biāo)準(zhǔn),，因?yàn)閿?shù)據(jù)處理工作量大，VI的儀器硬件部分要盡量做得功能強(qiáng)大,，否則,，采用軟件會(huì)影響儀器處理速度,。目前，虛擬儀器已具備時(shí)域分析和頻率域分析的功能,，速度都非?？臁?

圖形化的編程環(huán)境是VI技術(shù)的又一關(guān)鍵因素,。1986年,，NI公司推出了LabVIEW軟件包，它簡(jiǎn)單直觀,、效率高,、速度快、具有優(yōu)化的圖形編譯機(jī)制,，獨(dú)特快捷的查錯(cuò),、調(diào)試方法，極大地提高了運(yùn)行速度,，采用LabVIEW可以數(shù)倍地提高系統(tǒng)開發(fā)速度,。近年來基于Windows95和WindowsNT的開發(fā)平臺(tái)成為后起之秀，可以使用Visual C＋＋,、Visual Basic,、BorlandC＋＋等功能強(qiáng)大的編程軟件編寫專用應(yīng)用軟件。

4　虛擬儀器的整體設(shè)計(jì)

在科學(xué)研究與工程實(shí)驗(yàn)室里,，有各種各樣的儀器與設(shè)備,。如何提高它們的綜合使用效率？如何對(duì)它們進(jìn)行更有效的管理,？是儀器用戶值得考慮的問題,。目前，最有效的方法是采用“虛擬儀器”技術(shù),。即充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的管理與處理能力,，以此為基礎(chǔ)，將實(shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)備搭配起來,，構(gòu)成一種全新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,。實(shí)驗(yàn)室中的儀器與設(shè)備一般都是具有特定功能的單臺(tái)設(shè)備。如果它們具有某種總線接口,，就有可能進(jìn)行虛擬儀器的構(gòu)造,。步驟如下：

1）確定所用儀器或設(shè)備的接口形式。如果儀器設(shè)備具有RS－232串行總線接口,，則不用進(jìn)行處理,，直接用連線將儀器設(shè)備與計(jì)算機(jī)的RS－232串行接口連接即可；如果是GPIB或HP－IB接口,，則需要額外配備一塊GPIB－488接口板,，將接口板插入計(jì)算機(jī)的ISA插槽,，建立起計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備之間的通訊渠道；如果使用計(jì)算機(jī)來控制VXI總線設(shè)備,，也需要配備一塊GPIB接口卡,，通過GPIB總線與VXI主機(jī)箱零槽模塊通信，零槽模塊的GPIB－VXI翻譯器將GPIB的命令翻譯成VXI命令并把各模塊返回的數(shù)據(jù)以一定的格式傳回主控計(jì)算機(jī),。由于計(jì)算機(jī)的RS－232串行接口有限,，若儀器設(shè)備比較多，必要時(shí)必須擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的RS－232接口,。市場(chǎng)上此類產(chǎn)品品種繁多,，用戶可以根據(jù)具體情況，選擇合適的RS－232總線接口擴(kuò)展產(chǎn)品,。

2）確定所選擇的接口卡是否具有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,。接口卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，是連接主控計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備的紐帶,；如果有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,，它適合于何種操作系統(tǒng)？如果沒有,，或者所帶的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不符合用戶所用的操作系統(tǒng),，用戶就有必要針對(duì)所用接口卡，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,。

3）確定應(yīng)用管理程序的編程語言,。如果用戶有專業(yè)的圖形化編程軟件，如LabVIEW,、HPVEE,，那么就可以采用專業(yè)的圖形化編程軟件進(jìn)行編程。如果沒有此類軟件,，則可以采用通用編程語言,，如VisualC＋＋、Visual Basic或者Delphi,。由于它們易于使用,、功能強(qiáng)大而倍受測(cè)控人員的青睞。

4）在硬件連接無誤的情況下,，編寫用戶的應(yīng)用管理程序。

5　結(jié)束語

虛擬儀器技術(shù)使現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)更靈活,、更緊湊,、更經(jīng)濟(jì)、功能更強(qiáng),。而圖形編程方式使系統(tǒng)軟件開發(fā)更省時(shí),、更省力,、更容易。無論是測(cè)量,、測(cè)試,、計(jì)量，或是工業(yè)過程控制和分析處理,，還是其它更為廣泛的測(cè)控領(lǐng)域,，虛擬儀器都是理想的高效率的解決方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,，虛擬儀器技術(shù)也會(huì)在各領(lǐng)域中發(fā)揮其重要作用,，并表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，它必然會(huì)對(duì)科技發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不可估量的影響,。

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