關于智能虛擬儀器技術的開發

摘 要： 本文主要介紹了虛擬儀器的基本思想及其特點，提出基于虛擬儀器技術的智能儀器的開發問題。

關鍵詞： 虛擬儀器技術 虛擬儀器 組成 開發

一、虛擬儀器技術概述

1.虛擬儀器技術

虛擬儀器（VI）技術是將計算機應用于測試儀器之中，利用良好的虛擬儀器軟件平臺，充分發揮計算機強大的數據處理功能和豐富的圖形顯示功能，在屏幕上虛擬出與傳統儀器相似的顯示面板，用戶通過鍵盤和鼠標操縱面板上的虛擬開關、旋鈕、按鍵等，了解儀器的狀態、讀取并打印測試結果等。虛擬儀器的主要特點體現在軟件就是儀器的思想，它對特定的軟件支持取代了相應的電子線路，充分利用計算機軟硬件資源，用計算機完成傳統儀器硬件的部分甚至全部功能。它是傳統儀器功能和外形的模塊化和軟件化。

虛擬儀器技術綜合運用了計算機技術、智能測試技術、數字信號處理技術（DSP）、圖形處理技術、模板及總線的標準化技術和高速專用電路（ASIC）制造技術等。虛擬儀器是建立在標準化、系列化、模塊化、積木化的硬件和軟件平臺上的一個完全開放的系統。

2.虛擬儀器與傳統儀器的比較

虛擬儀器是計算機技術在儀器儀表領域的應用所形成的一種全新的儀器設計概念，它與傳統儀器比較有很多優點：

（1）性價比高。

（2）“測試集成”和虛擬儀器庫。傳統儀器功能比較單一化，如示波器、信號發生器、電壓表等常規儀表都是為完成特定的一項或幾項功能而設計制造的，顯然傳統儀器無法滿足現代儀器儀表微型化、集成化和智能化的要求。而虛擬儀器順應時代發展要求，通過“測試集成”和虛擬儀器庫方案，實現傳統儀器無法實現的測量要求。所謂“測試集成”和虛擬儀器庫方案，就是將多種測試儀器的測試功能軟件化，將每一種測試功能存儲到一個VI里，形成一個測試庫，這樣以一臺計算機為核心的虛擬儀器便具備了多種測試功能。

（3）用戶具有更高的參與性。參與性主要體現在用戶可以參與儀器的設計、制造、維修等全過程。傳統儀器中硬件決定儀器的思想，使得用戶很難參與儀器的設計與制造。

（4）智能化程度高。虛擬儀器是基于計算機的儀器，其軟件具有強大的分析、計算、邏輯判斷和數據處理功能，可以在計算機上建立一個普通儀器的智能專家系統。

（5）界面友好，使用方便。數臺儀器及儀器的功能顯示于虛擬儀器面板上，用鼠標即可完成一切操作。

（6）儀器功能選擇、參數設置、數據處理、結果顯示均能通過友好對話進行。

二、虛擬儀器的組成

圖1為通用虛擬儀器系統實現方案框圖。目前較為常用的虛擬儀器系統有數據采集系統、GBIB儀器控制系統、VXI儀器控制系統、PXI儀器控制系統，以及四者之間的任意組合。

1.硬件組成

通常虛擬儀器的測試系統硬件組成如下：以通用計算機為核心，外圍是被測部件、傳感器部件、信號調理及信號采集部件（如外置或內置數據采集卡、圖形圖像采集卡、攝像機及用于輔助測量并能與計算機通訊的常規儀器等）。數據采集卡可以是通用的，也可以是NI公司生產的專用數據采集卡。數據采集卡的選擇至關重要，它直接影響到測試系統的采集數據的精度和儀器的性能價格比。

2.軟件組成

系統的軟件通常使用專用的虛擬儀器開發言語（如Lab VIEW）編寫而成。它應完成數據的采集與控制、數據的分析與數據的表達等功能。在設計中可采用圖2所示的結構化進程編寫系統軟件。在結構化進程中將應用程序分為三個層次：

（1）設備驅動層。對于數據的采集與控制，由于涉及硬件操作，需要相應的硬件驅動程序。在NI公司出售的數據采集卡直接支持Lab VIEW。Lab VIEW軟件能提供近600種設備驅動程序。

（2）測試程序層。其功能是設置各儀器的參數并采集數據，然后進行數據的分析與處理，最后計算出結果。

（3）用戶程序層。此層面軟件與用戶需求密切相關，其主要功能為：為用戶提供各類測試儀器的虛擬界面；為完成特定的測試任務，調用各個儀器，管理測試程序，等等。

3.虛擬儀器的儀用總線

在虛擬儀器硬件設計中的關鍵技術是：如何為完成測試功能選取理想的接口總線。當今虛擬儀器的系統開發采用的總線包括RS232行總線、GBIB總線、VXI總線、PXI/PGI總線和現在在PG機上廣泛采用的IEEE1394總線和USB通用串行總線。

三、虛擬儀器開發舉例

采用虛擬儀器技術，例如以通用PG機為核心，A/D、D/A卡為接口，Lab VIEW為軟件平臺的智能化數學儀器。該儀器具有以下幾種傳統儀器的功能：數據采集、示波器、信號發生器、邏輯分析儀、頻率計、數字萬用表等。

該智能化儀器的特點是：更新了傳統的實驗方式，儀器界面友好，操作簡單、安全；靈活，成本低，有利于資源共享，提高了設備的利用率；運用于學生實驗，有利于對學生的實驗分析能力和綜合能力的培養。

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