虛擬儀器及其應用

      1　虛擬儀器的概念

　　微機及DSP提供了強大的計算能力使得在一定的實時性要求下代替了許多原來由硬件完成的功能，這標志著“軟件即儀器（The software is the instrument）"時代的到來。人們給這樣的測試儀器起了一個形象的名字——虛擬儀器。

　　從1987年以集成電路(ASIC)和計算機技術為基礎的總線儀器——虛擬儀器的雛形問世，到1993年虛擬儀器已發(fā)展到三百多家廠商、一千多種虛擬儀器產(chǎn)品，1995年廠商更達一千余家，產(chǎn)品達數(shù)千種。據(jù)預測，到2000年將有50%的儀器儀表是虛擬儀器。

       1．1　虛擬儀器的概念

　　虛擬儀器指具有虛擬儀器面板的個人計算機儀器，它可利用軟件在微型機屏幕上構(gòu)成虛擬儀器面板，在有足夠的硬件支持下對信號進行采樣，在離線條件下，經(jīng)軟件處理而得到測量結(jié)果。它具有結(jié)構(gòu)簡單、一機多用、測量精度高等特點，使用者自己操作這臺計算機，就象是在操作一臺自己專門設計的傳統(tǒng)電子儀器。

　　虛擬儀器的基本思想是利用計算機來管理儀器、組織儀器系統(tǒng)，進而逐步代替儀器完成某些功能，zui終達到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。虛擬儀器實質(zhì)上是軟硬結(jié)合、虛實結(jié)合的產(chǎn)物，是充分利用的計算機技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關鍵。任何使用者都可通過修改軟件的方法方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能和規(guī)模。

       1．2　虛擬儀器的優(yōu)點

　　我們知道，任何儀器都基本上分三部分組成，即數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)的顯示。傳統(tǒng)儀器是將這三部分放在一個儀表機箱內(nèi)，而虛擬儀器則是一種功能意義上的儀器，是具有儀器功能的軟硬件組合，它并不強調(diào)物理上的實現(xiàn)形式。虛擬儀器相對傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢是顯而易見的，概括起來有以下幾個方面：

　　（1）　傳統(tǒng)儀器功能由儀器廠商定義；虛擬儀器功能由用戶自己定義。儀器制造廠僅需提供基本的軟硬件，如信號調(diào)節(jié)器、信號轉(zhuǎn)換器等硬件和儀器應用軟件生成環(huán)境等軟件，真正需要什么樣的儀器功能則是用戶自己的事情。

　?。?）　傳統(tǒng)儀器與其它儀器設備的連接受限制；而虛擬儀器則是面向應用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可方便地與網(wǎng)絡、外設及其它應用連接。

　　（3）　傳統(tǒng)儀器圖形界面小，人工讀數(shù)，信息量少；虛擬儀器則展現(xiàn)圖形界面，計算機直接讀數(shù)、分析處理。

　?。?）　硬件是傳統(tǒng)儀器的關鍵部分；而虛擬儀器中硬件僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器的關鍵部分，其測試功能均由軟件來實現(xiàn)。

　　（5）　傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)封閉，功能固定；虛擬儀器則是基于計算機技術的開放靈活的功能模塊，可構(gòu)成多種儀器。

　?。?）　傳統(tǒng)儀器擴展性差，數(shù)據(jù)無法編輯；虛擬儀器數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印。

　　（7）　信號每經(jīng)過一次硬件處理都會引起誤差；由于虛擬儀器減少了硬件的使用，因而減少了測量誤差。

　?。?）　傳統(tǒng)儀器價格高，技術更新慢（周期為5～10 a），開發(fā)和維護費用亦高；虛擬儀器價格低（是傳統(tǒng)儀器的五至十分之一），而且可重復利用，技術更新也快（周期為1～2 a），基于軟件的體系結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開發(fā)和維護費用。

　　虛擬儀器在上早已進入實用階段，在我國雖剛起步，但發(fā)展迅速，已在電子測量、物理探傷、電子工程、振動分析、聲學分析、物礦勘探、故障分析及教學科研等方面的數(shù)據(jù)采集和分析中廣泛應用。

       2　虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成

　　虛擬儀器的基本框圖如圖1所示。

                              圖1　虛擬儀器構(gòu)成的基本框圖

       2．1　虛擬儀器的硬件構(gòu)成

　　如圖1，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*步，即利用GPIB接口卡將若干GPIB儀器連接起來，用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能，組織大型柔性自動測試系統(tǒng)，技術易于升級，維護方便，儀器功能和面板自定義，開發(fā)和使用容易。它可靈活地完成各種不同規(guī)模的測試測量任務。

　　利用GPIB技術，可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測試測量誤差。同時，由于可預先編制好測試程序，實現(xiàn)自動測試，提高了測試效率。

　　（2）　基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)

　　通過A/D變換將模擬、數(shù)字信號采集入計算機進行分析、處理、顯示等，并可通過D/A轉(zhuǎn)換實現(xiàn)反饋控制。根據(jù)需要還可加入信號調(diào)理和實時DSP等硬件模塊。

　　（3）　利用VXI總線儀器實現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)

　　VXI（VME bus extension for Instrumention）總線為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個更為廣闊的發(fā)展空間。VXI總線是一種高速計算機總線——VME（Versa Module Eurocard）總線在儀器領域的擴展。由于其標準開放，傳輸速率高，數(shù)據(jù)吞吐能力強，定時和同步，模塊化設計，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便靈活，已越來越受人們的重視。它便于組織大規(guī)模、集成化系統(tǒng)，是儀器發(fā)展的一個方向。

　　（4）　基于串行口或其它工業(yè)標準總線的系統(tǒng)

　　將某些串行口儀器和工業(yè)控制模塊連接起來，組成實時監(jiān)控系統(tǒng)。

       2．2　虛擬儀器的軟件構(gòu)成

　　構(gòu)成一個虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定以后，就可通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關鍵。沒有一個的控制分析軟件，很難想象可以構(gòu)成一臺理想的虛擬儀器系統(tǒng)。

　　以VXI虛擬儀器系統(tǒng)為例（圖2），從圖可以看到，VXI虛擬儀器系統(tǒng)至少需要儀器、通信和驅(qū)動程序三種接口軟件。其中儀器接口為儀器與計算機之間的通信協(xié)議和方法。通信接口按標準方式將儀器連接起來，它是儀器與儀器驅(qū)動程序之間的通信接口，實際上就是VXI系統(tǒng)的I/O接口軟件。儀器驅(qū)動程序接口將通信接口與應用開發(fā)環(huán)境（ADE）連接起來。

                                       圖2　VXI虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架

　　儀器驅(qū)動器是完成對某一特定儀器控制與通信的一段程序。它作為用戶應用程序的一部分在計算機上運行。儀器驅(qū)動器是VXI虛擬儀器系統(tǒng)的核心，是完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。應用軟件開發(fā)環(huán)境將計算機的數(shù)據(jù)分析、顯示能力與儀器驅(qū)動器融合在一起，為用戶開發(fā)虛擬儀器提供了必要的軟件工具和環(huán)境。目前有兩種較流行的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境：一是用傳統(tǒng)的編程語言設計虛擬儀器，如HPITGII、Labwindows等；一是用圖形編程語言設計虛擬儀器，如HPVEE，LabVIEW等。

　　特別指出LabVIEW是美國國家儀器公司（National Instruments Co．）推出的圖形化軟件編程平臺。在這個平臺上，各專業(yè)領域的工程師、科學家們通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標來方便迅速地建立高水平的應用程序。在這個軟件環(huán)境中，提供了一種象數(shù)據(jù)流一樣的編程模式，用戶只要連接各個邏輯框即可構(gòu)成程序。同時，還以圖形方式提供了大量的顯示和分析程序庫，利用軟件平臺可大大縮短虛擬儀器控制軟件的開發(fā)時間，而且在這個平臺上用戶可以建立自己的測試方案。

       3　虛擬儀器的應用

       3．1　電力參數(shù)測試裝置

　　該裝置由武漢水利電力大學電力工程學院研究。虛擬儀器下的電力參數(shù)測試充分利用了微型機的硬件資源，并盡可能以軟件代替硬件，使儀表的硬件結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低廉。

　　該裝置以微型機為核心，將電力參數(shù)采集卡插入微型機總線插槽中，直接與微型機內(nèi)總線連接，以實現(xiàn)對電力參數(shù)的測試。其硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

                                        圖3　電力參數(shù)測試裝置結(jié)構(gòu)框圖

　　圖中，三相電壓、電流信號由電力線經(jīng)電壓互感器、電流互感器引入，經(jīng)變壓器和霍爾電流傳感器后，6路輸入Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic均為交流信號；同時，根據(jù)采樣原理，使6路信號分別經(jīng)6個采樣保持器，在同一采樣脈沖信號控制下，對這6路信號同時采樣。為了實現(xiàn)對每一信號的頻率跟蹤，該系統(tǒng)采用鎖相環(huán)跟蹤技術：將一路被測信號經(jīng)零檢測電路變成方波信號（此方波信號的頻率與電網(wǎng)基頻相同），同時對它進行跟蹤、鎖相和倍頻。這樣就能使采樣脈沖的頻率fs嚴格地跟蹤電網(wǎng)基頻f1，且每一周期內(nèi)的采樣點數(shù)N＝fs/f1為恒定常數(shù)。采樣的6路模擬量經(jīng)多路模擬開關后依次送到A/D轉(zhuǎn)換器。測頻采用測周方式：假如在一個周期內(nèi)，計數(shù)脈沖數(shù)為m，則被測信號頻率為fx＝fc/m，其中fc為計數(shù)脈沖的頻率。

　　應用軟件采用Borland C＋＋和Visual Basic編寫。由于C語言具有直接操作硬件的功能，故采用其編寫儀器的驅(qū)動程序，以便完成儀器的接口。虛擬儀器

的軟面板采用VB制作，它由4個互不重合的窗口組成：控制窗口、狀態(tài)窗口、繪圖窗口和數(shù)據(jù)顯示窗口。

       3．2　內(nèi)燃機試驗測試系統(tǒng)

　　清華大學汽車工程系利用虛擬儀器技術構(gòu)建的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢測，主要檢測發(fā)動機的功率性、負荷性等。

　　過去采用DOS下的C語言開發(fā)程序，開發(fā)出來的檢驗系統(tǒng)的功能、操作界面及使用的方便程度都不很理想。利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabVIEW后，使整個系統(tǒng)移植到LabVIEW下，并大大增強了功能，操作界面也更加美觀，檢測時間大大減少，使用更加方便。檢測后還能打印出完整的測試報告。

        參考文獻

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3　黃義雄，戚麗麗．虛擬儀器下的電力參數(shù)測試．自動化與儀表，1998（1）
4　朱守云，王春皓．虛擬技術及其在電氣上的應用．電世界，1997（8）