虛擬儀器技術發展及趨勢

    虛擬儀器是在計算機基礎上通過增加相關硬件和軟件構建而成的、具有可視化界面的儀器。

    虛擬儀器徹底打破了傳統儀器只能由生產廠家定義，用戶無法改變的局面，從而使得任何一個用戶都可以方便靈活地用鼠標或按鍵在計算機顯示屏幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進行測試工作，并可以根據不同的測試要求通過窗口切換不同的虛擬儀器，或通過修改軟件來改變、增減虛擬儀器系統的功能與規模。虛擬儀器具有的這種可開發性和可擴展性等優越特點使虛擬儀器具有強大的生命力和競爭力。

    虛擬儀器技術由三大部分組成

    一、高效的軟件。軟件是虛擬儀器技術中最重要的部分。使用正確的軟件工具并通過設計或調用特定的程序模塊，工程師們可以高效地創建自己的應用以及友好的人機交互界面。NI公司提供的行業標準圖形化編程軟件－－-LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續數據處理能力，設置數據處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶。此外，NI提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統管理軟件工具，滿足客戶對高性能應用的需求。

    二、模塊化的I/O硬件。面對如今日益復雜的測試測量應用，NI提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論用戶是使用PCI、PXI、PCMCIA、USB或者是1394總線，NI都能提供相應的模塊化的硬件產品，產品種類從數據采集、信號處理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業通信，應有盡有。NI高性能的硬件產品結合靈活的開發軟件，可以為負責測試和設計工作的工程師們創建完全自定義的測量系統，滿足各種獨特的應用要求。目前，NI已經達到了每兩個工作日推出一款硬件產品的速度，大大拓寬了用戶的選擇面。

    三、用于集成的軟硬件平臺。NI首先提出的專為測試任務設計的PXI硬件平臺，已經成為當今測試、測量和自動化應用的標準平臺，它的開放式構架、靈活性和PC技術的成本優勢，為測量和自動化行業帶來了一場翻天覆地的變革。由NI發起的PXI系統聯盟現已吸引了68家廠商，聯盟屬下的產品數量也已激增至近千種。

    1 硬件技術

    1.1卡式儀器

    傳統儀器主要由控制面板和內部處理電路組成；而卡式儀器自身不帶儀器面板，它必須借助計算機強大的圖形環境，建立圖形化的虛擬面板，完成對儀器的控制、數據分析和顯示。以數據采集卡為例，它通常具有A/D轉換、D/A轉換、數字I/O和計數器/定時器等功能，有些還具有數字濾波和數字信號處理的功能。現在的多功能數據采集卡多采用了“虛擬硬件(VirtualHardware，簡稱VH)的技術，它的思想源于可編程器件，使用戶通過程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數，從而依靠硬件設備的柔性來增強其適用性和靈活性。目前市面上的VH，其采樣率和精度都是可變的。

    由于卡式儀器與計算機結合緊密，能夠充分利用已有的計算機資源，較之傳統儀器成本更低廉、使用更靈活、性能更強，因此它是一種極具潛力的儀器種類。

    1.2總線技術

    1.2.1儀器總線

    GPIB總線(即IEEE?488總線)是一種數字式并行總線，主要用于連接測試儀器和計算機。

    該總線最多可以連接15個設備(包括作為主控器的主機)。如果采用高速HS488交互握手協議，傳輸速率可高到8MBps。

    VXI總線(即IEEE?1155總線)是一種高速計算機總線—VME總線在儀器領域的擴展。它是在1987年，由五家測試和儀器公司(Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments)制訂的儀器總線標準。VXI總線具有標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強，最高可達40MBps，定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的特點，因此得到了廣泛的應用。不過，由于價格較高，推廣應用受到一定限制，主要集中在航空、航天等國防軍工領域。

    PXI總線是以CompactPCI為基礎的，由具有開放性的PCI總線擴展而來(NI公司于1997年提出)。PXI總線符合工業標準，在機械、電氣和軟件特性方面充分發揮了PCI總線的全部優點。PXI構造類似于VXI結構，但它的設備成本更低、運行速度更快，體積更緊湊。目前基于PCI總線的軟硬件均可應用于PXI系統中，從而使PXI系統具有良好的兼容性。PXI還有高度的可擴展性，它有8個擴展槽，而臺式PCI系統只有3～4個擴展槽。PXI系統通過使用PCI-PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽。PXI總線的傳輸速率已經達到132Mbps(最高為500Mbps)，是目前已經發布的最高傳輸速率。因此，基于PXI總線的儀器硬件將會得到越來越廣泛的應用。

    1.2.2計算機總線

    ISA總線是一種8位或16位非同步數據總線，工作頻率為8MHz，最高數據傳輸率在8位時為24MBps，16位時為48MBps。這種總線對于低速數據采樣與處理來說是有效的，但對于基于高性能PC機的多任務操作系統和高速數據采集系統來說，ISA總線由于其帶寬、位數等的限制，故不能滿足系統工作的要求。新型主板和高版本操作系統已不再支持ISA總線。

    PCI總線是一種同步的獨立于CPU的32位或64位局部總線，時鐘頻率為33MHz，數據傳輸率高達132～264MBps，PCI總線技術的無限讀寫突發方式，可在一瞬間發送大量數據。PCI總線上的外圍設備可與CPU并發工作，從而提高了整體性能。PCI總線還有自動配置功能，從而使所有與PCI兼容的設備實現真正的即插即用(plug&play)。PCI總線由于上述優點而得到了廣泛應用，已成為PC工業的事實標準。

    USB通用串行總線(Universalserialbus)和IEEE?1394總線(又叫Fireware總線)是被PC機廣泛采用的兩種總線，它們已被集成到計算機主板上。

    USB總線能以雛菊鏈方式連接127個裝置，需要一對信號線及電源線。USB2.0標準的數據傳輸率能達到480Mbps。該總線具有輕巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的特點，現在已被廣泛用于寬帶數字攝像機、掃描儀、打印機及存儲設備。IEEE?1394總線是由蘋果公司于1989年設計的高性能串口總線，目前傳輸速率為100、200、400Mbps，將來可達3.2Gbps。這種總線需要兩對信號線和一對電源線，可以用任意方式連接63個裝置，它是專為需要大數據量串行傳送的數碼相機、硬盤等設計的［1］。

    USB及IEEE-1394總線均具有“即插即用”的能力，與并行總線相比，更適合于連接多外設的需要。

    1.2.3工業現場總線

    為了共享測試系統資源，越來越多的用戶正在轉向網絡。工業現場總線是一個網絡通訊標準，它使得不同廠家的產品通過通訊總線使用共同的協議進行通訊。現在，有很多現場總線標準，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它們競爭非常激烈。通用現場總線的發展需要一段時間。

    1.3虛擬儀器系統組建方案

    虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規模的自動測試系統。虛擬儀器系統按硬件構成方式，可有以下幾種組建方案：

    (1)GPIB儀器通過GPIB接口卡與計算機組成GPIB系統。

    (2)VXI儀器與計算機組成VXI系統。

    (3)PXI儀器組成PXI系統。

    (4)以DAQ和信號調理部分為硬件組成PC-DAQ測試系統。

    (5)并行總線儀器組成并行總線系統。

    (6)串行總線儀器組成串行總線系統。

    (7)現場總線設備組成現場總線系統。

    一般來說，GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測試系統；PC-DAQ、并行口式、串行口式(如USB式)系統適合普及型的廉價系統；現場總線系統主要用于大規模的網絡測試。有時，可以根據不同需要組建不同規模的自動測試系統，也可以將上述幾種方案結合起來組成混合測試系統。?

    2軟件技術

    軟件是虛擬儀器的關鍵，以下介紹虛擬儀器應用軟件的開發平臺、儀器驅動程序以及I/O接口軟件。

    2.1軟件開發平臺

    虛擬儀器的開發環境主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。VC、VB、LabWindows/CVI雖然是可視化的開發工具，但它們對開發人員的編程能力要求很高，而且開發周期較長。HP?VEE是一個基于圖形的虛擬儀器編程環境，擁有較多的用戶，缺點是其生成的應用程序是解釋執行的，運行速度較慢。

    LabVIEW是目前國際上唯一的基于數據流的編譯型圖形編程環境，它把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術人員都可以按照測試要求和任務快速“畫”出自己的程序，“畫”出儀器面板，這大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術人員的工作量，因此，LabVIEW是一種優秀的虛擬儀器軟件開發平臺。

  2.2儀器驅動程序
    儀器驅動程序是測試系統中最重要的組成部分之一，用來實現儀器硬件的通信、控制功能。傳統的儀器驅動程序由儀器硬件廠商隨硬件提供，由于不同廠家儀器硬件的差異，使得在更換儀器硬件的同時不得不修改測試代碼。為了能自由互換儀器硬件而無需修改測試程序，即解決儀器的互操作問題，VXIplug&play聯盟開發了儀器驅動標準VISA。VISA用G語言(圖形語言)或ANSIC語言寫成，它可以用于多種虛擬儀器開發環境和多種操作系統。

    1999年NI公司提出了可互換虛擬儀器標準IVI(InterchangeableVirtualInstruments)，使程序的開發完全獨立于硬件。IVI是建立在VXIplug&play驅動程序標準之上的，它解決了儀器的互操作問題。IVI驅動器通過一個通用的類驅動器實現對儀器的控制。類驅動器是儀器的功能和屬性集，通過這些功能和屬性集實現對一種儀器類(示波器、數字電壓表、函數發生器等)中的儀器進行控制。應用程序調用類驅動器，類驅動器再通過專用的驅動器與物理的儀器通信。專用的儀器驅動器(和對應的物理儀器)可以被改變，但應用程序代碼保持不變［2］。采用IVI技術，可以降低軟件的維護費用，減少系統停運時間，提高測試代碼的可重用性，使儀器編程更簡單。

    2.3I/O接口軟件

    I/O接口軟件是虛擬儀器系統軟件的基礎，用于處理計算機與儀器硬件間連接的低層通信協議。當今優秀的虛擬儀器測試軟件都建立在一個標準化I/O接口軟件組件的通用內核之上，為用戶提供一個一致的、跨計算機平臺的應用編程接口(API)，使用戶的測試系統能夠選擇不同的計算機平臺和儀器硬件［3］。

    3發展趨勢

    隨著計算機技術、儀器技術和網絡通信技術的不斷完善，虛擬儀器將向以下三個方向發展：

    (1)外掛式虛擬儀器

    PC-DAQ式虛擬儀器是現在比較流行的虛擬儀器系統，但是，由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入DAQ時都需要打開機箱等，比較麻煩，而且，主機上的PCI插槽有限，再加上測試信號直接進入計算機，各種現場的被測信號對計算機的安全造成很大的威脅，同時，計算機內部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響，故以USB接口方式的外掛式虛擬儀器系統將成為今后廉價型虛擬儀器測試系統的主流。

    (2)PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統?

    PXI系統高度的可擴展性和良好的兼容性，以及比VXI系統更高的性價比，將使它成為未來大型高精度集成測試系統的主流虛擬儀器平臺。

    (3)網絡化虛擬儀器

    盡管Internet技術最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設備連接在一起，不過NI等公司已開發了通過Web瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設備的產品，使人們可以通過Internet操作儀器設備。根據虛擬儀器的特性，我們能夠方便地將虛擬儀器組成計算機網絡。

    利用網絡技術將分散在不同地理位置不同功能的測試設備聯系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網絡上得以共享，減少了設備重復投資。現在，有關MCN(MeasurementandControlNetworks)方面的標準正在積極進行，并取得了一定進展。由此可見，網絡化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景。?

    4虛擬儀器技術凸顯四大優勢

    虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發時間少以及出色的集成這四大優勢。

    4.1性能高

     虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全繼承了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能卓越的處理器和文件I/O，使用戶在數據高速導入磁盤的同時，就能實時進行復雜的分析。此外，不斷發展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優勢。

    4.2擴展性強

    得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進用戶的整個系統。在利用最新科技的時候，用戶還可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加快產品上市時間。

    4.3開發時間少

    在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通信方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件架構的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使用戶輕松地配置、創建、發布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

    4.4集成

     虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設備集成到單個系統，減少了任務的復雜性。