基于嵌入式的虛擬儀器構(gòu)件問題的研究

時炳彥

（愛思愛天津高科技有限公司，天津300308）

0 引 言

最早得到廣泛應(yīng)用的儀器儀表是機械式儀器儀表，以后逐漸發(fā)展到光學(xué)、電學(xué)儀器儀表，目前發(fā)展到基于計算機控制的虛擬儀器。在儀表的發(fā)展過程中，隨著集成電路、計算機技術(shù)以及通信等領(lǐng)域的發(fā)展，1986年美國國家儀器公司提出了一種新型的虛擬儀器技術(shù)，它是由計算機進行總體控制，通過利用不同的總線控制技術(shù)實現(xiàn)虛擬設(shè)備的控制和模擬。這種技術(shù)一方面將計算機科技與虛擬儀器設(shè)備相聯(lián)系，另一方面鑒于計算機強大的軟硬件設(shè)施實現(xiàn)虛擬儀器的模擬和建立。而基于嵌入式的虛擬儀器構(gòu)件也是當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的新方向，針對嵌入式系統(tǒng)的專用特性，對虛擬儀器構(gòu)建問題進行研究，更有利于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。

1 嵌入式處理器

通常來看，嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用實際，就它的整體性能而言，是一種基于計算機軟硬件技術(shù)，具備良好的軟硬件編程以及應(yīng)用能力的計算機系統(tǒng)。嵌入式一般有廣義以及狹義的區(qū)分，狹義上說，基于計算機的，能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能并且能進行獨立控制的計算機系統(tǒng)稱之為嵌入式系統(tǒng)；與之相反，類似于在單片機中應(yīng)用的沒有獨立的操作系統(tǒng)，而僅僅包含軟硬件單元的即是廣義層面上的嵌入式。

在嵌入式系統(tǒng)中，處理器是整個系統(tǒng)的核心單元，在實現(xiàn)可靠性控制的前提下，嵌入式處理器把許多需要完成的任務(wù)集結(jié)在芯片內(nèi)部，這樣一方面可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的微型化，另一方面可以提高控制的效率以及可靠性。總的來看，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的處理器與通用型最大的區(qū)別就是面向的對象以及控制對象的區(qū)別，正是由于嵌入式工作的單一性才會保障控制系統(tǒng)的穩(wěn)定以及可靠。因此，嵌入式系統(tǒng)處理器也是當(dāng)前市場競爭較為激烈的硬件芯片，不同的芯片存在不同的優(yōu)缺點。

在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，核心單元是嵌入式處理器。為此，要設(shè)計嵌入式系統(tǒng)，必須最大程度上估計處理器單元。

2 虛擬儀器構(gòu)件分析

2.1 虛擬儀器的特點

虛擬儀器（Virtual Instrument，縮寫為VI）是基于計算機的儀器，是將儀器裝入計算機，以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能的一種儀器。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有眾多的優(yōu)點，可以總結(jié)為以下幾個方面：

（1）通信方面，虛擬儀器可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接，方便用戶盡快交流，與傳統(tǒng)儀器相比在實時性上有所提高。

（2）功能方面，基于計算機控制的虛擬儀器可以實現(xiàn)軟硬件的擴充以及設(shè)計，從而滿足不同的功能需求；而傳統(tǒng)的儀器僅僅局限于某一方面的功能，因此在功能方面，傳統(tǒng)儀器大大不如虛擬儀器技術(shù)。在智能化方面虛擬儀器智能化程度高，處理能力強。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實際應(yīng)用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。

（3）成本方面，基于計算機控制的虛擬儀器價格以及成本較低，明顯低于傳統(tǒng)儀器。

總的來看，虛擬儀器有傳統(tǒng)儀器所無法比擬的眾多優(yōu)點，這就為虛擬儀器的發(fā)展提供了良好的鋪墊。

2.2 虛擬儀器的產(chǎn)生與分類

在電子儀器設(shè)備發(fā)展的歷程中，經(jīng)歷了模擬、數(shù)字、智能以及虛擬儀器的四個階段，不同階段有自己的優(yōu)缺點。然而虛擬儀器依據(jù)強大的計算機軟硬件以及處理功能，在監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用以及檢測中占有重要的作用。虛擬儀器可以較為方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、信號的分析以及處理輸出等問題，這極大地方便了用戶，為虛擬儀器的發(fā)展開辟了良好的途徑。總的來看，根據(jù)總線通信控制的不同方式，虛擬儀器大致可以歸納為以下幾類：

（1）插卡型，這類虛擬儀器通過PC總線實現(xiàn)計算機與軟件相聯(lián)系，從而組建各種儀器。但是，受到PC機箱和總線的限制，插卡的尺寸比較小，插槽數(shù)目有限，此外，機箱內(nèi)部的噪聲電平也較高。

（2）并行口型，這類虛擬儀器主要是通過一系列可以連接到計算機的并行口測量裝置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集以及分析處理，這類儀器主要為了模擬頻率計、邏輯分析儀、萬用表以及波形發(fā)生器等裝置。

（3）GPIB型，這類主要是基于通用儀器接口總線技術(shù)，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的功能分散化，通過總線聯(lián)系把不同形式的GPIB聯(lián)系起來，從而實現(xiàn)虛擬儀器的模擬。在GPIB的應(yīng)用中，鑒于其結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，一般適用于精度不高的場合。

（4）VXI型，因為具有良好的數(shù)據(jù)采集處理、結(jié)構(gòu)模塊化以及應(yīng)用廣泛等特點，在虛擬儀器中得到較為廣泛的普及，在一些要求較為嚴(yán)格的場合，一直有自己的優(yōu)勢。

（5）PXI型，這類總線在目前較為成熟，可以實現(xiàn)相鄰用戶的通信，具有良好的發(fā)展前景。

總的來說，各類虛擬儀器都有其優(yōu)勢，但是把嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到虛擬儀器技術(shù)中更能體現(xiàn)其優(yōu)良的性能。

2.3 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)分析

在虛擬儀器的組成中，大致可以分為計算機模塊、軟件模塊以及硬件模塊三部分。

2.3.1 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)

計算機以及儀器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成了虛擬儀器的硬件系統(tǒng)。嵌入式計算機在處理、分析等方面有重要的優(yōu)勢，這極大地提高了虛擬儀器的發(fā)展。通過嵌入式計算機的控制，虛擬儀器可以根據(jù)用戶的需求，來實現(xiàn)整體系統(tǒng)的模擬實現(xiàn)。虛擬儀器的構(gòu)件與基于嵌入式系統(tǒng)的計算機硬件一起工作，用來采集數(shù)據(jù)、提供源信號和控制信號。

2.3.2 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)

虛擬儀器技術(shù)就是利用了計算機作為開發(fā)平臺，實現(xiàn)良好的模擬過程，從而滿足用戶的實際需求。它一方面降低了使用成本，另一方面擴大了實用的功能，最核心的思想就是利用計算機的硬、軟件資源，增強了系統(tǒng)的可靠性。而嵌入式的計算機系統(tǒng)是虛擬儀器組件問題中一個重要的組成部分，它延續(xù)了原來系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢，還能最大程度上實現(xiàn)虛擬儀器的構(gòu)造。通過使用計算機，利用計算機編程，實現(xiàn)不同類型的需要。對于基于嵌入式的虛擬儀器，提高計算機的軟件編程也是一個非常現(xiàn)實的問題。

3 結(jié) 論

本文主要對虛擬儀器技術(shù)進行分析，對目前比較流行的幾種類型進行分析，然后對虛擬儀器的組成部分，包括軟件以及硬件等方面進行簡單的概述，再結(jié)合嵌入式處理器的相關(guān)內(nèi)容，可以清楚地看到，解決嵌入式的構(gòu)件問題在虛擬儀器系統(tǒng)的優(yōu)化以及對模型進行合理的模擬中有重要的意義。

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