《電子測(cè)量技術(shù)》課件-第11章

第11章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)11.1智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷史11.2智能儀器與個(gè)人儀器11.3自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)11.4虛擬儀器11.5網(wǎng)絡(luò)化儀器與遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)

11.1智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷史

1.單機(jī)及專(zhuān)用系統(tǒng)階段

20世紀(jì)70年代,隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和微處理器的普及,以及計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子測(cè)量技術(shù)的結(jié)合,出現(xiàn)了以微處理器為基礎(chǔ)的智能儀器。它具有鍵盤(pán)操作、數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與簡(jiǎn)單運(yùn)算等功能,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量,如智能化DVM、智能化RLC測(cè)量?jī)x、智能化電子計(jì)數(shù)器、智能化半導(dǎo)體測(cè)試儀等。

在此基礎(chǔ)上,為滿(mǎn)足重復(fù)工作量大、可靠性要求高、測(cè)試速度要求快以及測(cè)試人員難于停留的場(chǎng)合的測(cè)試,誕生了早期的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),也稱(chēng)為第一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)往往是針對(duì)某項(xiàng)具體測(cè)試任務(wù)而設(shè)計(jì)的。由于缺乏儀器間的接口標(biāo)準(zhǔn),因此儀器與儀器、儀器與計(jì)算機(jī)之間的接口問(wèn)題是系統(tǒng)組建者為滿(mǎn)足測(cè)試目標(biāo)而自行努力解決的,如數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)、產(chǎn)品自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)、自動(dòng)分析及自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等。同人工測(cè)量相比,這種自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)有很大的優(yōu)越性,至今仍然在使用,但其最大的不足是適應(yīng)性差,即缺乏通用性,當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜、需要程控的器件較多時(shí),研制工作量大,費(fèi)用高。

2.以標(biāo)準(zhǔn)接口和總線為主要特征的階段

在這些儀器總線中,最具代表性的是GPIB總線和VXI總線。GPIB總線于1972年由美國(guó)惠普公司(HP,Agilent公司的前身)推出,后為美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)及國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)接受,又稱(chēng)IEEE488總線。GPIB因它的靈活和適用性好得到了廣泛使用,成為測(cè)量?jī)x器的基本配置,這些儀器既可以單獨(dú)使用,也可以通過(guò)GPIB總線靈活方便地組合成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

1987年,惠普(HP)、泰克(Tektronix)和Wavetek等5家

儀器制造商聯(lián)合推出了新的通用接口總線VXI,它是VME總線標(biāo)準(zhǔn)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。VXI總線系統(tǒng)像GPIB系統(tǒng)一樣,可以把不同類(lèi)型、不同廠商生產(chǎn)的插件式儀器和其他插件式器件組成測(cè)試系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)廣泛采用圖形用戶(hù)接口與開(kāi)發(fā)環(huán)境,支持“即插即用”,具有小型便攜、高速工作、靈活適用和性能先進(jìn)等突出優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展,VXI產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商已達(dá)百余家,其產(chǎn)品超過(guò)千余種,應(yīng)用系統(tǒng)上萬(wàn)套,廣泛應(yīng)用于通信、航空、電子、汽車(chē)、醫(yī)療等設(shè)備的測(cè)試。

3.基于PC的儀器階段

在電子測(cè)量領(lǐng)域,計(jì)算機(jī)與儀器之間的相互關(guān)系也在發(fā)生改變。在早期的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中,儀器占據(jù)主要位置,而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)起輔助作用;到了GPIB儀器和VXI儀器階段,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的地位越來(lái)越重要?；谶@種趨勢(shì),出現(xiàn)了“計(jì)算機(jī)即儀器”的測(cè)試儀器新概念,誕生了個(gè)人儀器和虛擬儀器。

個(gè)人儀器以個(gè)人計(jì)算機(jī)為核心,輔以?xún)x器電路板和擴(kuò)展箱,與個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線相連,在應(yīng)用軟件的控制下共同完成測(cè)試測(cè)量任務(wù)。強(qiáng)有力的計(jì)算機(jī)軟件代替了傳統(tǒng)儀器的

某些硬件,計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析,這樣儀器中的一些硬件從系統(tǒng)中消失了,從而大幅降低了儀器的成本,縮短了研制周期,方便了升級(jí)更新,在組成測(cè)試系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)方面展現(xiàn)出了很大潛力。

虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電子測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用,進(jìn)一步改變了測(cè)量技術(shù)的以往面貌,打破了在同一地點(diǎn)進(jìn)行采集、分析和顯示的傳統(tǒng)模式,實(shí)現(xiàn)了分布式測(cè)量及資源共享,標(biāo)志著自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)嶄新方向。

11.2智能儀器與個(gè)人儀器

11.2.1智能儀器智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子測(cè)量?jī)x器緊密結(jié)合的產(chǎn)物,是內(nèi)含微型計(jì)算機(jī)或微處理器,能夠按照預(yù)定的程序進(jìn)行一系列測(cè)量測(cè)試的測(cè)量?jī)x器,具有對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析判斷、接口輸出及自動(dòng)化操作等功能。

1.智能儀器的特點(diǎn)

儀器與微處理器相結(jié)合,使得軟件替代了許多傳統(tǒng)的硬件邏輯,帶來(lái)更小的體積、更高的集成度、更直觀方便和智能的顯示與操作、更有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理與通信。同傳統(tǒng)儀

器相比,智能儀器具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn):

(1)以軟件為核心,具有強(qiáng)大的控制能力。

(2)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理功能。

(3)實(shí)現(xiàn)儀器功能多樣化。

(4)智能化、自動(dòng)化程度高。

2.智能儀器的基本結(jié)構(gòu)

智能儀器實(shí)際上是一個(gè)專(zhuān)用的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它由硬件和軟件兩大部分組成。

1)智能儀器的硬件結(jié)構(gòu)

智能儀器的硬件部分主要包括CPU、存儲(chǔ)器、儀器總線、各種I/O接口、通信接口、人機(jī)接口(鍵盤(pán)、開(kāi)關(guān)、按鈕、顯示器)等,如圖11.1所示。

圖11.1智能儀器的基本結(jié)構(gòu)

2)智能儀器的軟件組成

智能儀器的軟件是其靈魂,整個(gè)測(cè)量工作是在軟件的控制下進(jìn)行的。沒(méi)有軟件,智能儀器就無(wú)法工作,軟件是智能儀器自動(dòng)化程度和智能化程度的主要標(biāo)志。智能儀器的軟件

部分主要包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。其中,監(jiān)控程序是核心,主要完成的功能有:通過(guò)鍵盤(pán)操作輸入并存儲(chǔ)所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù);通過(guò)控制I/O接口電路對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)定參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的采集;對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行各種處理;以數(shù)字、文字、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果等。

11.2.2個(gè)人儀器

個(gè)人儀器是在智能儀器和廣泛普及應(yīng)用的個(gè)人計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上而開(kāi)發(fā)出的一種嶄新的儀器,它與獨(dú)立儀器完全不同,其基本構(gòu)想是將原智能儀器中測(cè)量部分的電路以附加插件或模塊的形式插入個(gè)人計(jì)算機(jī)的總線插槽或擴(kuò)展箱內(nèi),而將原智能儀器中所需的控制、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、顯示和操作等任務(wù)都移交給個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)承擔(dān),與計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。這樣通過(guò)共用個(gè)人計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)、顯示器、存儲(chǔ)器、中央處理器、機(jī)箱、電源等部件,只需選擇不同的儀器插卡,就可實(shí)現(xiàn)不同功能的智能儀器。圖11.2示出了一種在微機(jī)內(nèi)部的擴(kuò)展槽及微機(jī)外部的插件箱中都插入儀器卡的混合式個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)。

圖11.2個(gè)人儀器系統(tǒng)的構(gòu)成

11.3自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

11.3.1自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包括以下五部分:(1)控制器:主要是計(jì)算機(jī)(如小型機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、微處理機(jī)、單片機(jī)等),是系統(tǒng)的指揮及控制中心。(2)程控儀器設(shè)備:包括各種程控儀器、激勵(lì)源、程控開(kāi)關(guān)、程控伺服系統(tǒng)、執(zhí)行元件,以及顯示、打印、存儲(chǔ)記錄等的器件,能完成一定的具體的測(cè)試及控制任務(wù)。

(3)總線與接口:是連接控制器與各程控儀器、設(shè)備的通路,完成消息、命令、數(shù)據(jù)的傳輸與交換,包括插卡、插槽及電纜等。

(4)測(cè)試軟件:為了完成系統(tǒng)測(cè)試任務(wù)而編制的、在控制器上運(yùn)行的各種應(yīng)用軟件,如測(cè)試主程序、驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)處理程序,以及輸入/輸出軟件等。

(5)被測(cè)對(duì)象:隨測(cè)試任務(wù)的不同,被測(cè)對(duì)象往往是千差萬(wàn)別的,由操作人員通過(guò)測(cè)試電纜,接插件、開(kāi)關(guān)等與程控儀器和設(shè)備相連。

圖11.3為典型的電壓和頻率參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)圖11.3典型的GPIB自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

11.3.2自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的總線

1.GPIB總線

GPIB總線又稱(chēng)IEEE488總線。

GPIB總線有點(diǎn)像一般的計(jì)算機(jī)總線,不過(guò)在計(jì)算機(jī)中其各個(gè)插卡電路板通過(guò)主板互相連接,而GPIB系統(tǒng)則是各獨(dú)立儀器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口電纜互相連接。GPIB標(biāo)準(zhǔn)包括接口與總線兩部分,接口部分是由各種邏輯電路組成的,與各儀器裝置安裝在一起,用于對(duì)傳送的信息進(jìn)行發(fā)送、接收、編碼和譯碼;總線部分是一條無(wú)源的24芯電纜,用作傳輸各種消息。GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接如圖11.4所示。

圖11.4GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接

總線上傳遞的各種信息統(tǒng)稱(chēng)為消息。由于帶標(biāo)準(zhǔn)接口的智能儀器按功能可分為儀器功能和接口功能兩部分,因此消息也有儀器消息和接口消息之分。所謂接口消息,是指用于

管理接口部分,完成各種接口功能的信息,又稱(chēng)為命令,它由控者發(fā)出而只被接口部分所接收和使用,如總線初始化、對(duì)儀器尋址、將儀器設(shè)置為遠(yuǎn)程方式或本地方式等。儀器消息是與儀器自身工作密切相關(guān)的信息,又稱(chēng)為數(shù)據(jù),它只被儀器部分所接收和使用,雖然儀器消息通過(guò)接口功能進(jìn)行傳遞,但它不改變接口功能的狀態(tài),如編程指令、測(cè)量結(jié)果、機(jī)器狀態(tài)和數(shù)據(jù)文件等。GPIB接口消息和儀器消息的傳遞見(jiàn)圖11.5。

圖11.5GPIB接口消息和儀器消息

2.VXI總線

為適應(yīng)測(cè)量?jī)x器從分立的臺(tái)式和機(jī)架式結(jié)構(gòu)向小型化、便攜化、模塊化方向發(fā)展,滿(mǎn)足對(duì)更高的測(cè)試速度、更靈活高效的低成本測(cè)試的需求,一些著名的測(cè)試和測(cè)量公司于

1987年聯(lián)合推出了一種新的、完全開(kāi)放的、適用于多供貨廠商環(huán)境的模塊式儀器總線標(biāo)準(zhǔn)——VXI總線結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。它將測(cè)量?jī)x器、主機(jī)架、固定裝置、計(jì)算機(jī)及軟件集為一體,集中了智能儀器、個(gè)人儀器和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的很多特長(zhǎng),其性能全面優(yōu)于IEEE－488總線系統(tǒng),而且使自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的尺寸大大縮小,測(cè)試速度大大提高,滿(mǎn)足目前自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化、模塊化及便攜式方向發(fā)展的要求,被稱(chēng)為新一代儀器接口總線,標(biāo)志著測(cè)量和儀器系統(tǒng)正進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。

VXI總線在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟、硬件開(kāi)發(fā)技術(shù)等各方面都采納了新思想及新技術(shù),有以下一些主要特點(diǎn):

(1)測(cè)試儀器模塊化。VXI系統(tǒng)的全部器件都采用插件式結(jié)構(gòu),插入以VME總線作為機(jī)箱主板總線的機(jī)箱內(nèi),插件和供插入插件的主機(jī)架尺寸滿(mǎn)足嚴(yán)格的要求。VXI總線儀器主機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖11.6所示。

(2)具有32位數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù)傳輸速率高。

(3)系統(tǒng)可靠性高,可維修性好。

(4)電磁兼容性好。

(5)通用性強(qiáng),標(biāo)準(zhǔn)化程度高。

(6)適應(yīng)性、靈活性強(qiáng),兼容性好。

圖11.6VXI總線儀器主機(jī)架結(jié)構(gòu)圖

圖11.7是選用C型主機(jī)架的HP75000VXI儀器系統(tǒng)示意圖。圖11.7HP75000VXI儀器系統(tǒng)示意圖

3.PXI總線

PXI總線標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)于1997年推出的測(cè)控儀器總線標(biāo)準(zhǔn),它是以目前廣泛使用的PCI計(jì)算機(jī)局部總線(IEEE1014－1987標(biāo)準(zhǔn))為基礎(chǔ)的模塊儀器結(jié)構(gòu),目標(biāo)是在PCI總線基礎(chǔ)上提供一種技術(shù)優(yōu)良的模塊儀器標(biāo)準(zhǔn),以求在采用GPIB的PC基系統(tǒng)與VXI系統(tǒng)之間尋求復(fù)雜性與經(jīng)濟(jì)性的折中。

1)PXI總線的特點(diǎn)

PXI總線是PCI總線的增強(qiáng)與擴(kuò)展,并與現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CompactPCI兼容。作為一種開(kāi)放的儀器結(jié)構(gòu),它在相同插件底板中提供不同廠商的互連與操作,以比較低的價(jià)格獲得了高性能模塊儀器,是VXI以外的另一種選擇。

由于利用了商品化的PC和數(shù)字技術(shù),PXI儀器能夠提供自動(dòng)測(cè)試設(shè)備獨(dú)具的高性能,同時(shí)具有尺寸小、成本低以及靈活易用等特點(diǎn),使之適用于眾多領(lǐng)域,如現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和高檔制造測(cè)試等。

2)PXI軟件特性

為了充分發(fā)掘PXI在提供高度集成化的測(cè)控平臺(tái)方面的潛力,PXI選用開(kāi)放式軟件體系結(jié)構(gòu),用以定義出一個(gè)與不同類(lèi)型硬件相連的公共接口。它以Windows98/2000為系統(tǒng)軟件框架,通過(guò)主控制器上安裝的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口,如LabVIEW、LabWindows/CVI、VisualBasic、VisualC/C++或者BorlandC++等進(jìn)行編程,以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

選擇哪種總線技術(shù)是用戶(hù)在組建測(cè)控系統(tǒng)時(shí)首先遇到的問(wèn)題,這取決于具體的應(yīng)用,取決于應(yīng)用項(xiàng)目的復(fù)雜程序、要求的速度及用戶(hù)的預(yù)算等。從價(jià)格上考慮,優(yōu)先選擇GPIB、PXI系統(tǒng);而對(duì)于更大型、更復(fù)雜、要求測(cè)試速度更高的應(yīng)用,可選擇VXI系統(tǒng)。

4.現(xiàn)場(chǎng)總線

在工業(yè)測(cè)試與自動(dòng)化控制等領(lǐng)域,需要一種分布式的網(wǎng)絡(luò),它必須具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活、性能穩(wěn)定可靠、通信實(shí)時(shí)快捷、成本低廉的特點(diǎn),并能夠很好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜甚至苛

刻的環(huán)境,包括溫濕度、電源波動(dòng)、工業(yè)及電磁干擾等。通常用現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)滿(mǎn)足這種通信組網(wǎng)需求。

現(xiàn)場(chǎng)總線具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)降低費(fèi)用。

(2)互操作性好。

(3)控制更加可靠靈活。

(4)提高系統(tǒng)安全性。

CAN總線結(jié)構(gòu)如圖11.8所示。CAN總線主要具有以下特點(diǎn)。圖11.8CAN總線結(jié)構(gòu)

(1)多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)。

CAN總線上的任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次,可靈活地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播通信,從而方便地構(gòu)成分布式現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。

(2)簡(jiǎn)單的雙線傳輸。

總線由CAN_high和CAN_low兩條物理信號(hào)線共同構(gòu)成一組差分信號(hào)線,數(shù)據(jù)的傳遞和接收以差分電平信號(hào)的方式在總線上進(jìn)行異步傳輸。傳輸介質(zhì)采用平常的雙絞線或同

軸電纜,無(wú)特殊要求。

(3)網(wǎng)絡(luò)容量大。

CAN總線上的單口節(jié)點(diǎn)數(shù)理論上可達(dá)2000個(gè),實(shí)際系統(tǒng)可達(dá)110個(gè)。

(4)實(shí)時(shí)性好,并可分優(yōu)先級(jí)。

CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀數(shù)據(jù)字段最多為8個(gè)字節(jié),傳輸時(shí)間短、受干擾的概率低,實(shí)時(shí)性好。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)還可分成不同優(yōu)先級(jí)。

(5)可靠性高。

CAN總線每幀都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施,以相應(yīng)的錯(cuò)誤處理機(jī)制(如自動(dòng)重發(fā))保證數(shù)據(jù)極低的出錯(cuò)率,適于在高噪聲干擾環(huán)境下使用。

CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下,可切斷與總線的聯(lián)系,使總線上的其他操作不受影響。

總線收發(fā)器與主機(jī)可采用光電隔離電路,以此提高抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性。

(6)數(shù)據(jù)速率、通信距離靈活。

CAN總線既支持近距離高速通信(40m,1Mb/s),也支持遠(yuǎn)距離低速通信(10km,≤5kb/s),以此適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需求。

(7)成熟、成本低。

(8)接口簡(jiǎn)單,編程方便,很容易構(gòu)成用戶(hù)系統(tǒng)。

11.4虛擬儀器

11.4.1虛擬儀器的概念與特點(diǎn)1.虛擬儀器的概念虛擬儀器(VI)是電子測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合更加緊密產(chǎn)生的一種新儀器模式,是指以通用計(jì)算機(jī)作為核心硬件平臺(tái),配以相應(yīng)的硬件模塊作為信號(hào)輸入/輸出接口,利用儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應(yīng)的功能,通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)交互式操作完成相應(yīng)測(cè)試測(cè)量任務(wù)的儀器。

測(cè)試儀器儀表的結(jié)構(gòu)主要有以下四種類(lèi)型。

1)獨(dú)立儀器

2)與計(jì)算機(jī)連接的儀器

3)分布式儀器

4)基于PC的測(cè)試儀器

2.虛擬儀器的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器具有以下特點(diǎn):

(1)它是一種功能意義上而非物理意義上的儀器,融合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源。

(2)它強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的新概念,軟件在儀器中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機(jī)實(shí)現(xiàn)的角色。

(3)虛擬儀器具有友好的圖形化用戶(hù)界面,可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

(4)虛擬儀器更新速度快,可維護(hù)性好。

(5)它采用模塊化結(jié)構(gòu),系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。

11.4.2虛擬儀器的架構(gòu)

1.虛擬儀器的硬件構(gòu)成

虛擬儀器的硬件架構(gòu)如圖11.9所示。數(shù)據(jù)的采集通過(guò)輸入/輸出接口設(shè)備來(lái)完成。輸入/輸出接口設(shè)備可以是以各種PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置數(shù)據(jù)采集插卡、通用接口總線(GPIB)卡、串口、VXI或PXI總線接口模塊等設(shè)備,或者是其他各種可編程的外置測(cè)試設(shè)備,分別構(gòu)成DAQ、GPIB、VXI、PXI等標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器,其中最常見(jiàn)的是數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡。

圖11.9虛擬儀器的硬件架構(gòu)

在性能上,隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號(hào)調(diào)理技術(shù)的迅速發(fā)展,DAQ的采樣速率已

達(dá)1GHz,精度高達(dá)24位,通道數(shù)多達(dá)64個(gè),并能任意結(jié)合數(shù)字I/O、模擬I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等通道。目前,許多儀器廠家生產(chǎn)了大量用于構(gòu)建虛擬儀器的DAQ功能模塊可供用戶(hù)選擇,如NI的PCI6013/6014等。在PC計(jì)算機(jī)上掛接若干DAQ功能模塊,配合相應(yīng)的軟件,就可以構(gòu)成一臺(tái)具有若干功能的PC儀器,如示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、任意波形發(fā)生器等,如圖11.10所示。

圖11.10PCDAQ系統(tǒng)

2.虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)

硬件平臺(tái)是虛擬儀器的基礎(chǔ),儀器用軟件是其核心?；居布_定后,要使虛擬儀器具有用戶(hù)自行定義的功能與界面,就必須有功能強(qiáng)大的儀器用軟件。

VXI總線虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)如圖11.11所示,包括應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動(dòng)器、VISAAPI三部分。

圖11.11虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)

儀器驅(qū)動(dòng)器(設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件)是完成對(duì)特定儀器硬件進(jìn)行控制與通信的驅(qū)動(dòng)程序,是連接硬件與軟件間的紐帶和橋梁。虛

VISA是VXIPlug&Play(VPP)規(guī)范規(guī)定的生成虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)和模式,它包括統(tǒng)一的儀器控制結(jié)構(gòu),與操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言、硬件接口無(wú)關(guān)的應(yīng)用程序編程接口等。

3.虛擬儀器應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

目前,市場(chǎng)上可供選擇的面向工程的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)比較多,其大致可分為兩類(lèi):一類(lèi)是圖形化編程環(huán)境,如原HP公司的HPVEE和NI公司的LabVIEW;另一類(lèi)是傳統(tǒng)的

程序語(yǔ)言編程環(huán)境,如NI公司的LabWindows/CVI,以及微軟的VisualC、VisualBasic等。在這些傳統(tǒng)的語(yǔ)言編程環(huán)境中,面向儀器的交互式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI以其簡(jiǎn)單直觀的編程方式、程序代碼的自動(dòng)生成,以及眾多源碼級(jí)的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序等優(yōu)點(diǎn),為用戶(hù)快速設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)提供了最佳環(huán)境,是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的軟件編程環(huán)境。

1)LabVIEW

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)的縮寫(xiě),是由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司于1986年推出的世界上第一個(gè)采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具,其目的是簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)工作,以使用戶(hù)能快速、簡(jiǎn)便地完成自己的工作。其主要特點(diǎn)有:

(1)可視化圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境,流程圖式的編程,簡(jiǎn)單易學(xué)、易用,大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境分為前面板和流程圖兩部分,分別如圖11.12和圖11.13所示。

圖11.12隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的前面板

圖11.13隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的流程圖

(2)LabVIEW提供了豐富的程序調(diào)試功能。

(3)結(jié)構(gòu)化、模塊化編程,可移植性好。

(4)庫(kù)函數(shù)豐富,開(kāi)放性、可擴(kuò)展性好。

綜上所述,對(duì)于建立虛擬儀器來(lái)說(shuō),LabVIEW提供了一個(gè)理想的程序設(shè)計(jì)環(huán)境,大大降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度及開(kāi)發(fā)成本,同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。當(dāng)測(cè)試需求發(fā)生變化時(shí),測(cè)試人員可以根據(jù)具體情況,對(duì)面板和流程圖做必要的補(bǔ)充、修改和調(diào)整,從而很快地適應(yīng)變化了的測(cè)試需要。

2)LabWindows/CVI

另一常用的虛擬儀器應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是NI的LabWindows/CVI。LabWindows/CVI是基于ANSIC的交互式C語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)平臺(tái),它將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)獲取、分析和顯示的測(cè)控專(zhuān)業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái),它的集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、功能面板和豐富的庫(kù)函數(shù)大大增加了C語(yǔ)言的功能,為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員建立檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

具體來(lái)說(shuō),它具有以下特點(diǎn):

(1)采用集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)、開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)。

(2)采用可視化編程,使設(shè)計(jì)用戶(hù)圖形界面輕松自如。

(3)采用交互式編輯方法,可自動(dòng)生成程序源代碼。

(4)運(yùn)用豐富的庫(kù)函數(shù),使編程工作大大簡(jiǎn)化。

(5)運(yùn)用方便靈活的程序調(diào)試手段。

總之,與LabVIEW一樣,LabWindows/CVI不失為一種功能強(qiáng)大、使用方便、編程效率高的Windows下的虛擬儀器編程環(huán)境,但同時(shí)它又可使用戶(hù)能對(duì)程序的工作細(xì)節(jié)進(jìn)行控制。在此環(huán)境下開(kāi)發(fā)用戶(hù)程序的各個(gè)階段都有強(qiáng)大的工具可以使用,用戶(hù)幾乎不需直接寫(xiě)代碼,而是由各種工具產(chǎn)生,但用戶(hù)又可以具體地控制程序的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié),因而在國(guó)內(nèi)外的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。

11.4.3虛擬儀器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

1.測(cè)試需求的制訂

明確用戶(hù)想解決什么問(wèn)題,即儀器要完成哪些功能,以及用戶(hù)對(duì)面板操作上的要求,從而確定面板需要什么控制部件和指示部件,并進(jìn)行面板布局構(gòu)思。

2.虛擬儀器的硬件選擇

虛擬儀器的硬件一般分為基礎(chǔ)硬件平臺(tái)和儀器硬件設(shè)備。

采用不同硬件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)性能比較如表11.1所示,用戶(hù)必須根據(jù)測(cè)試功能與性能需求、資金情況等進(jìn)行合理的選擇。

3.儀器驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)發(fā)

通常,儀器驅(qū)動(dòng)器包括以下幾個(gè)部分:

(1)函數(shù)體。它是儀器驅(qū)動(dòng)程序的主體,為儀器驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)際源代碼。

(2)交互式操作接口。它提供了一個(gè)圖形化的功能面板,用戶(hù)可以在這個(gè)圖形接口上管理各種控制,改變每一功能調(diào)用的參數(shù)值。

(3)編程接口。它是應(yīng)用程序調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的軟件接口,通過(guò)此接口可方便地調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)程序中所定義的所有功能函數(shù)。不同的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境有不同的軟件接口。

(4)I/O接口。它提供了儀器驅(qū)動(dòng)器與儀器硬件的通信能力。

(5)功能庫(kù)。它描述了儀器驅(qū)動(dòng)器所能完成的測(cè)試功能。

(6)子程序接口。它使得儀器驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)行時(shí)能調(diào)用其他所需要的軟件模塊(如數(shù)據(jù)庫(kù)、FFT等)。

4.虛擬儀器軟面板的設(shè)計(jì)

虛擬儀器軟面板通常由主面板和副面板組成。主面板是主要的用戶(hù)界面,在執(zhí)行過(guò)程中始終打開(kāi)。它可能處于非激活態(tài),但在應(yīng)用過(guò)程中必須保持打開(kāi)并且是可見(jiàn)的。副面板

是主面板調(diào)用的面板。主面板和副面板具有不同的特點(diǎn)和格式,但所有軟面