对于自动化仪器仪表技艺的研发
发布时间：2011.09.28 新闻来源： 浏览次数：
一、虚拟仪器技术概述
1.虚拟仪器技术
虚拟仪器（VI）技术是将计算机应用于测试仪器之中，利用良好的虚拟仪器软件平台，充分发挥计算机强大的数据处理功能和丰富的图形显示功能，在屏幕上虚拟出与传统仪器相似的显示面板，用户通过键盘和鼠标操纵面板上的虚拟开关、旋钮、按键等，了解仪器的状态、读取并打印测试结果等。
虚拟仪器的主要特点体现在软件就是仪器的思想，它对特定的软件支持取代了相应的电子线路，充分利用计算机软硬件资源，用计算机完成传统仪器硬件的部分甚至全部功能。它是传统仪器功能和外形的模块化和软件化。
虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、智能测试技术、数字信号处理技术（DSP）、图形处理技术、模板及总线的标准化技术和高速专用电路（ASIC）制造技术等。虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件和软件平台上的一个完全开放的系统。
2.虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种全新的仪器设计概念，它与传统仪器比较有很多优点：
（1）性价比高。
（2）“测试集成”和虚拟仪器库。传统仪器功能比较单一化，如示波器、信号发生器、电压表等常规仪表都是为完成特定的一项或几项功能而设计制造的，显然传统仪器无法满足现代仪器仪表微型化、集成化和智能化的要求。而虚拟仪器顺应时代发展要求，通过“测试集成”和虚拟仪器库方案，实现传统仪器无法实现的测量要求。所谓“测试集成”和虚拟仪器库方案，就是将多种测试仪器的测试功能软件化，将每一种测试功能存储到一个VI里，形成一个测试库，这样以一台计算机为核心的虚拟仪器便具备了多种测试功能。
（3）用户具有更高的参与性。参与性主要体现在用户可以参与仪器的设计、制造、维修等全过程。传统仪器中硬件决定仪器的思想，使得用户很难参与仪器的设计与制造。
（4）智能化程度高。虚拟仪器是基于计算机的仪器，其软件具有强大的分析、计算、逻辑判断和数据处理功能，可以在计算机上建立一个普通仪器的智能zj****系统。
（5）界面友好，使用方便。数台仪器及仪器的功能显示于虚拟仪器面板上，用鼠标即可完成一切操作。
（6）仪器功能选择、参数设置、数据处理、结果显示均能通过友好对话进行。
二、虚拟仪器的组成
通用虚拟仪器系统实现方案框图。目前较为常用的虚拟仪器系统有数据采集系统、GBIB仪器控制系统、VXI仪器控制系统、PXI仪器控制系统，以及四者之间的任意组合。
1.硬件组成
通常虚拟仪器的测试系统硬件组成如下：以通用计算机为核心，外围是被测部件、传感器部件、信号调理及信号采集部件（如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡、摄像机及用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等）。数据采集卡可以是通用的，也可以是NI公司生产的专用数据采集卡。数据采集卡的选择至关重要，它直接影响到测试系统的采集数据的精度和仪器的性能价格比。
2.软件组成
系统的软件通常使用专用的虚拟仪器开发言语（如LabVIEW）编写而成。它应完成数据的采集与控制、数据的分析与数据的表达等功能。在设计中可采用2所示的结构化进程编写系统软件。在结构化进程中将应用程序分为三个层次：
（1）设备驱动层。对于数据的采集与控制，由于涉及硬件操作，需要相应的硬件驱动程序。在NI公司出售的数据采集卡直接支持LabVIEW。
LabVIEW软件能提供近600种设备驱动程序。
（2）测试程序层。其功能是设置各仪器的参数并采集数据，然后进行数据的分析与处理，***后计算出结果。
（3）用户程序层。此层面软件与用户需求密切相关，其主要功能为：为用户提供各类测试仪器的虚拟界面；为完成特定的测试任务，调用各个仪器，管理测试程序，等等。
3.虚拟仪器的仪用总线
在虚拟仪器硬件设计中的关键技术是：如何为完成测试功能选取理想的接口总线。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括RS232行总线、GBIB总线、VXI总线、PXI/PGI总线和现在在PG机上广泛采用的IEEE1394总线和USB通用串行总线。
三、虚拟仪器开发举例采用虚拟仪器技术，例如以通用PG机为核心，A/D、D/A卡为接口，LabVIEW为软件平台的智能化数学仪器。该仪器具有以下几种传统仪器的功能：数据采集、示波器、信号发生器、逻辑分析仪、频率计、数字万用表等。
该智能化仪器的特点是：更新了传统的实验方式，仪器界面友好，操作简单、安全；灵活，成本低，有利于资源共享，提高了设备的利用率；运用于学生实验，有利于对学生的实验分析能力和综合能力的培养。
1.虚拟仪器技术
虚拟仪器（VI）技术是将计算机应用于测试仪器之中，利用良好的虚拟仪器软件平台，充分发挥计算机强大的数据处理功能和丰富的图形显示功能，在屏幕上虚拟出与传统仪器相似的显示面板，用户通过键盘和鼠标操纵面板上的虚拟开关、旋钮、按键等，了解仪器的状态、读取并打印测试结果等。
虚拟仪器的主要特点体现在软件就是仪器的思想，它对特定的软件支持取代了相应的电子线路，充分利用计算机软硬件资源，用计算机完成传统仪器硬件的部分甚至全部功能。它是传统仪器功能和外形的模块化和软件化。
虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、智能测试技术、数字信号处理技术（DSP）、图形处理技术、模板及总线的标准化技术和高速专用电路（ASIC）制造技术等。虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件和软件平台上的一个完全开放的系统。
2.虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种全新的仪器设计概念，它与传统仪器比较有很多优点：
（1）性价比高。
（2）“测试集成”和虚拟仪器库。传统仪器功能比较单一化，如示波器、信号发生器、电压表等常规仪表都是为完成特定的一项或几项功能而设计制造的，显然传统仪器无法满足现代仪器仪表微型化、集成化和智能化的要求。而虚拟仪器顺应时代发展要求，通过“测试集成”和虚拟仪器库方案，实现传统仪器无法实现的测量要求。所谓“测试集成”和虚拟仪器库方案，就是将多种测试仪器的测试功能软件化，将每一种测试功能存储到一个VI里，形成一个测试库，这样以一台计算机为核心的虚拟仪器便具备了多种测试功能。
（3）用户具有更高的参与性。参与性主要体现在用户可以参与仪器的设计、制造、维修等全过程。传统仪器中硬件决定仪器的思想，使得用户很难参与仪器的设计与制造。
（4）智能化程度高。虚拟仪器是基于计算机的仪器，其软件具有强大的分析、计算、逻辑判断和数据处理功能，可以在计算机上建立一个普通仪器的智能zj****系统。
（5）界面友好，使用方便。数台仪器及仪器的功能显示于虚拟仪器面板上，用鼠标即可完成一切操作。
（6）仪器功能选择、参数设置、数据处理、结果显示均能通过友好对话进行。
二、虚拟仪器的组成
通用虚拟仪器系统实现方案框图。目前较为常用的虚拟仪器系统有数据采集系统、GBIB仪器控制系统、VXI仪器控制系统、PXI仪器控制系统，以及四者之间的任意组合。
1.硬件组成
通常虚拟仪器的测试系统硬件组成如下：以通用计算机为核心，外围是被测部件、传感器部件、信号调理及信号采集部件（如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡、摄像机及用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等）。数据采集卡可以是通用的，也可以是NI公司生产的专用数据采集卡。数据采集卡的选择至关重要，它直接影响到测试系统的采集数据的精度和仪器的性能价格比。
2.软件组成
系统的软件通常使用专用的虚拟仪器开发言语（如LabVIEW）编写而成。它应完成数据的采集与控制、数据的分析与数据的表达等功能。在设计中可采用2所示的结构化进程编写系统软件。在结构化进程中将应用程序分为三个层次：
（1）设备驱动层。对于数据的采集与控制，由于涉及硬件操作，需要相应的硬件驱动程序。在NI公司出售的数据采集卡直接支持LabVIEW。
LabVIEW软件能提供近600种设备驱动程序。
（2）测试程序层。其功能是设置各仪器的参数并采集数据，然后进行数据的分析与处理，***后计算出结果。
（3）用户程序层。此层面软件与用户需求密切相关，其主要功能为：为用户提供各类测试仪器的虚拟界面；为完成特定的测试任务，调用各个仪器，管理测试程序，等等。
3.虚拟仪器的仪用总线
在虚拟仪器硬件设计中的关键技术是：如何为完成测试功能选取理想的接口总线。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括RS232行总线、GBIB总线、VXI总线、PXI/PGI总线和现在在PG机上广泛采用的IEEE1394总线和USB通用串行总线。
三、虚拟仪器开发举例采用虚拟仪器技术，例如以通用PG机为核心，A/D、D/A卡为接口，LabVIEW为软件平台的智能化数学仪器。该仪器具有以下几种传统仪器的功能：数据采集、示波器、信号发生器、逻辑分析仪、频率计、数字万用表等。
该智能化仪器的特点是：更新了传统的实验方式，仪器界面友好，操作简单、安全；灵活，成本低，有利于资源共享，提高了设备的利用率；运用于学生实验，有利于对学生的实验分析能力和综合能力的培养。
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