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1 虚拟仪器的特点和构成
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虚拟仪器7 ]% o! e3 ?1 }' K
的特点! b/ n4 Q% G$ P* t6 L, Q K& B3 Y- ?; q
与传统仪器相比,虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性 好等明显优点,具体表现为:
- F' J) C! Q3 p5 J7 Q 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, `6 ~* S. H4 o" a5 T
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。8 L. {1 t3 [4 D$ C" @. [
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2 [0 Z0 {6 [$ X# n
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、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网- _- p, b, q' u* V% |/ E! u. D
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。
2 `8 G. I3 A6 V: V6 L5 W 可操作性强,易用灵活 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8 |6 J* g# Y0 X O! M, B
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5 q% {$ q z. \4 ~$ m, |3 E9 d
,这些都使得仪器的 可操作性大大提高而且易用、灵活。0 G; y( _9 c8 S( p8 U
1.2 虚拟仪器的构成
7 w1 P) K; T+ u' E% j虚拟仪器 u( }. k/ b# B( X$ v& |
的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。
- o# ?3 |1 a# D1 H$ b: ^ 硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定,其中接口设计可选用的接口总线标准包 括GP IB总线、VXI总线等。推荐选用VXI总线。
3 ^* b, ]! h$ N2 d因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速 率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点,因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪 " C3 S9 C8 q) r; v* x, k2 b
器生产厂家的认可,目前VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台,是仪器硬件的发 展方向。由于VXI虚拟仪器的硬件平台的基本组成5 d( L# s# O& f) h
是一些通用模块和专用接口。因此硬件电 路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括:信号调 理和高速数 B3 A' x. E% s
据采集;信号输出与控制;数据实时处理。这3部分概括了数字化仪 器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来,就能构成任
- _ S; F V, D" J% f何一种虚拟仪器。 例如使用高速数据采集模块和高速实时数据处理模块就能构成1台示波器、1台数字化仪或 1台频谱分析仪;使用信号输
4 v8 a7 B# o; E0 p3 p: m s0 t出与控制模块和实时数据处理模块就能构成1台函数发生器、 1台信号源或1台控制器。专用接口是针对特定用途仪器需要的设计,也包括一, d; _1 G N6 g% Y3 W( C; M6 h
些现场总线 接口和各类传感器接口。系统的主要硬件包括控制器、主机箱和仪器模块。常用的控制方案 有GPIB总线控制方式的硬件方案、/ a0 G3 O3 C; i
MXI总线控制方式的硬件方案、嵌入式计算机控制方式的 硬件方案3种。VXI仪器模块又称为器件(devices)。VXI有4种器件:寄存器基器件0 B- y( u) s. R, O# [
、消 息基器件、存储器器件和扩展器件。存储器器件不过是专用寄存器基器件,用来保存和传输 大量数据。扩展器目前是备用件,为今后5 k8 T4 B& O7 M( C- g
新型器件提供发展通道。将VXI仪器制作成寄存器 基器件,还是消息基器件是首先要做出的决策。寄存器基器件的通信情况极像VME总线器
! ?$ ^9 z8 V; {) e. [1 y$ N- T件 ,是在低层用二进制信息编制程序。他的明显优点在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制这一层次上进行通信的。这种高速通信
1 o3 m# u: z6 c# ~1 {可以使测试系统吞吐量大大提高。因此,寄 存器基器件适用于虚拟仪器中信号/输出部分的模块(如开关、多路复用器、数/模转换输出 卡、- [ H8 c# h; t
模/
9 ]' @+ x& C4 H. D- \5 Z1 N; d数转换输入卡、信号调理等)。消息基器件与寄存器基器件不同,他在高层次上用A SCII字符进行通信,与这种器件十分相似是独立HPIB仪
9 K" ?+ D4 o% m ?器。消息基器件用一组意义 明确的 “字串行协议”相互进行通信,这种异步协议定义了在器件之间传送命令和数据所需的挂钩 要求。消息基
# x P/ B0 c8 \: M1 g: B7 y# V, Q器件必须有CPU(或DSP)进行管理与控制。因此,消息基器件适用于虚拟仪器 中数字信号处理部分的模块。
5 I* x! n9 n+ t, e, i 软件的开发与设计包括3部分:VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件(软面板) 。软件结构如图1所示。
/ d! H t8 z2 ~8 f- x VXI总线接口软件由零槽控制器提供,包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和 编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之$ w: y! n0 I! O' V8 W% R
间建立连接,提供对VXI背板总线的控制和支 持,是实现VXI系统集成的基础。
" {, T- [ Z; v" N' s 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序,也即模块的驱动软件,他 的设计必须符合VPP的2个规范,即VPP3.1《仪
& p6 f" g5 s3 E Y3 x器驱动程序结构和模型》和VPP3.2《仪器 驱动程序设计规范》。
- @+ H: q. c* ?. k4 f4 u “软面板”设计就是设计具有可变性、多层性、自助性、人性化的面板,这个面板应不 仅同传统仪器面板一样具有显示器、LED、指针式表* d: c4 I# M8 @2 \
头、旋钮、滑动条、开关按钮、报警装 置等功能部件,而且应还具有多个连贯操作面板、在线帮助功能等。9 P! o2 Z5 l4 F/ t
2 虚拟仪器在数据采集中的应用
* q$ d |, p. A2 N 利用虚拟仪器制作数据采集器可以按照硬件设计、软件设计两个步骤来完成。8 x5 q* Y8 @' H: c/ x; C) F
2.1 硬件设计
5 S( y, W7 K3 n9 F' M* m5 Z 硬件设计要完成以下内容:" P( ?# T9 Z1 b# C6 l0 R
1)模/数转换及数据存储7 @3 m; I: P! J: q. g7 A0 ^
设置具有通用性的数据自动采集系统,一般应满足能对多路信号尽可能同步地进行采集, 为了使所采集到的数据不但能够在数据采集器
% N1 j. c4 P- Q4 D7 T9 y" V# @上进行存储,而且还能及时地在采集过程中 |
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