虚拟实验室和虚拟仪器

 虚拟仪器( VI - Virtual Instrumentation )是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来,用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机,就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样,从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。

      labviewLaboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台)是NI公司的图形化、交互式的编程设计环境,为虚拟仪器提供了实现途径。本文首先在设计虚拟示波器的基础上,熟悉labview编程原理。然后结合固体电介质的体电阻和表面电阻测量实验编制了一套实验室虚拟仪器系统。该虚拟仪器包括前面板和框图程序两个部分,前面板是跟用户进行信息交换界面,框图程序相当于传统仪器的内部结构,它对用户来说是透明的。前面板又可以分为两个部分:控制部分和显示部分。前面板编制完成后,在框图程序中将数据发生模块、处理模块、数据显示模块按照仪器的内部结构连接起来。最后将网络协议TCP/IP添加到数据发生模块中,这一仪器就可以通过网络进行数据采集,完成实验。
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世纪80年代中期,美国国家仪器公司(National Instrument简称NI)首先提出了软件就是仪器The Software is the Instrument)这一虚拟仪器概念。这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起,大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看,电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器。当硬件平台I/O接口设备与计算机确定后,编制某种测量功能的软件就成为该种功能的测试仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展,与网络及其他周边设备互联,用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说,仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代,这将给仪器使用者带来无尽的收益。 
     
虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟,体现了计算机技术对传统工业的革命。大致说来,虚拟仪器发展至今,可以分为三个阶段,而这三个阶段又可以说是同步进行的。

     
第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确立,计算机和外界通信成为可能,只需要把传统仪器通过GPIBRS-232同计算机连接起来,用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升,用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。
     
第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步:一是插入式计算机数据处理卡 ( plug-in PC-DAQ );二是VXI仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放,消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。
      
第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以产生,几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段,人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。
     
在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志,一是VXI总线标准的建立和推广;二是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分析与测量仪器所必须的总线结构,后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而非程序代码的编程方式,两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。
要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可靠性,很重要的一点是取决于传输测量数据的总线结构。在虚拟仪器中,其分析功能是由计算机来完成的或由计算机来控制的。因此,接口、总线的速度和可靠性是关键,VXI总线标准的建立,使得用户可以像仪器厂商一样,从访问寄存器这样的低层资源来设计和安排仪器功能,也使得用户化仪器功能设计得以实现。
      VXI
总线的出现,使得虚拟仪器设计有了一个高可靠性的硬件平台。目前已出现了用于射频和微波领域的高端VXI仪器。当然,采用普通PC总线,尤其是工业PCI总线的虚拟仪器也在不断发展,这类虚拟仪器主要面向一般工业控制,过程监测和实验室应用。

 

除了硬件技术外,软件技术的发展和有关国际标准的建立,也是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素之一,在GPIB接口总线出现以后,关于程控仪器的句法格式、信息交换协议和公用命令的标准化,一直是人们关心的问题。标准程序命令(SCPI)标准的建立,向解决程控命令与仪器厂家无关这一目标迈进了重要的一步。
      
随着虚拟仪器思想的深入,用户自己开发仪器驱动器已成为技术发展的客观要求。过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计的,缺乏标准,使得用户在仪器软件方面的投资得不到保护。为此,国际上专门制定了虚拟仪器软件体系(VISA)标准,建立了与仪器接口总线无关的标准I/O软件,与LabviewHPVEE   Labwindows等先进开发环境软件相适应。开发一个用户定制的虚拟仪器在软件技术上已经成熟。可以预计,未来电子测量仪器和自动化测试技术的发展还将更多地渗透虚拟仪器的思想。
   
与传统仪器一样,它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块(如图所示)。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合,实现仪器的功能运作。
          
     
应用程序将可选硬件 ( GPIBVXIRS-232DAQ ) 和可重复使用源码库函数等软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发,源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时,可以方便地由用户自己来增减软件模块,或重新配置现有系统以满足现有系统的测试要求。
     
所以,虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统所需的附件,而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。


虚拟仪器的组成
      
虚拟仪器系统的构成有多种方式,主要取决于系统所采用的硬件和接口方式。
         
虚拟仪器的功能
     
虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分,是由计算机技术、测量技术和微电子技术高速发展而孕育出的一项革命性技术。虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造,同时也影响了以数据采集为主的测控系统的传统构造方法的进化。过去独立分散、互不相干的许多领域,在虚拟仪器系统的概念之下,正在逐渐靠拢、相互影响,并形成新的技术方法和技术规范。

     
虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器,它们的功能都是相同的:采集数据,对采集来的数据进行分析处理,然后显示处理的结果。它们之间的不同主要体现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义,这意味着您可以自由地组合计算机平台、硬件、软件、以及各种完成应用系统所需要的附件。它可代替传统的测量仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等;可集成于自动控制、工业控制系统;可自由构建成专有仪器系统。它由计算机、应用软件和仪器硬件组成。因此,虚拟仪器的出现,彻底改变了传统的仪器方法,开辟了测控技术的新纪元。而这种灵活性在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能,而不像传统仪器那样,受到仪器厂商的限制。
     
我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器,交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统中,我们见到的是整洁的桌面、条理的操作,不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来,而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。不但方便之极,而且设备成本大幅降低。
     
虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号,可分为两类:一类是满足一般科学研究与工程领域测试任务要求的虚拟仪器。最简单的是基于PC总线的插卡式仪器,也包括带GPIB接口和串行接口的仪器;另一类是用于高可靠性的关键任务,如航空、航天、国防等应用的高端VXI仪器。虚拟仪器系统将不同功能、不同特点的硬件构成为一个新的仪器系统,由计算机统一管理、统一操作。软件的功能定义了仪器的功能。因此,虚拟仪器最重要、最核心的技术是虚拟仪器软件开发环境。作为面向仪器的软件环境应具备以下特点:一是软件环境是针对测试工程师而非专业程序员,因此,编程必须简单,易于理解和修改;二是具有强大的人机交互界面设计功能,容易实现模拟仪器面板;三是具有强大的数据分析能力和数据可视化分析功能,提供丰富的仪器总线接口硬件驱动程序。 

与传统仪器相比,虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势,具体表现为:
  (1)智能化程度高,处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求,将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成,从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
  (2)复用性强,系统费用低。应用虚拟仪器思想,用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器,如同一个高速数字采样器,可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。通过与计算机网络连接,还可实现虚拟仪器的分布式共享,更好地发挥仪器的使用价值。
    
(3)可操作性强。虚拟仪器面板可由用户定义,针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解,测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印,显示所需的报表或曲线,这些都使得仪器的可操作性大大提高。
  从虚拟仪器的定义来说,它更多地强调软件在仪器中的应用,但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持,信息的获取仍需要通过硬件来实现。目前,虚拟仪器的类型主要取决于仪器所采用的接口总线类型。从仪器与计算机采用的总线连接方式的不同,可分为内插卡式和外接机箱式两大类。内插卡式就是将各种数据采集卡插入计算机扩展槽,再加上必要的连接电缆或探头,就可形成一个仪器。外接机箱式采用背板总线结构,所有仪器都连接在总线上或采用外总线方式,用外部主控计算机来实现控制。这种类型的虚拟仪器以VXI仪器为典型代表。无论哪种虚拟仪器,都离不开数据采集硬件的支持。
           
    
上图描述了插入式DAQ的组成。通常一块DAQ卡可以完成多种功能,包括A/DD/A转换,数字输入/输出以及计数器操作等。 
              
    
数据采集系统的功能模块如图所示。使用模块化的设计思想完成特定任务,会使用户程序的重新组织易于控制和实现。

  设计虚拟仪器的过程与主要工作内容就是编制应用软件的过程。设计虚拟仪器必需有合适的软件工具。因此,提供应用软件开发工具的软件平台技术也相应快速发展。
    
目前流行的软件开发工具主要有两类:文本式编程语言:如Visual C++,Visual BasicLabWindowsCVI等;图形化编程语言:如LabVIEWHPVEE等。 
在这篇论文的以下章节中主要介绍LabVIEW这种图形化编程语言,并应用这种语言进行实际程序的编制。

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