淺談虛擬儀器

姜薇

摘 要：虛擬儀器數據采集、信號處理、文件存取等功能的實現緊密依賴于系統硬件平臺的性能，不同硬件平臺下的性能表現會有很大的差異。它能夠對由數據采集卡、配套軟件與計算機硬件平臺所組建的虛擬儀器進行測試并獲得具體的系統性能參數創建了對虛擬儀器軟硬件系統性能參數的測試與評價體系。

關鍵詞：LabVIEW；虛擬儀器；系統優化

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助你創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業發展趨勢的原因所在。隨著社會的發展和科學技術的進步，現代社會對測量儀器的需求越來越廣泛，對儀器的性能要求也越來越高。以虛擬儀器為代表的新型測量儀器改變了傳統儀器的思想，充分利用計算機強大的軟硬件功能，把計算機技術和測量技術緊密結合起來，是融合了電子測量、計算機和網絡技術的新型測量技術。特別是基于計算機平臺的各種測量儀器。

1 虛擬儀器背景與現狀

實驗是教學活動中一個必不可少的過程，尤其是對于電工電子類等實踐性很強的專業，實驗教學環節更是至關重要。學生只有通過足夠的驗證實驗和一定數量的綜合性實驗，才能真正理解和掌握該學科的理論知識，才能獲得一定的綜合測試技能和實驗能力，并初步具有處理實際測試工作的能力。儀器是實驗的基礎，是保證這些綜合性測試實驗的開設質量的關鍵。隨著測試儀器的數字化、計算機化的發展趨勢，傳統測試儀器漸漸有被取代的趨勢。如果運用虛擬儀器技術，以微機為基礎，構建集成化測試平臺，代替常規儀器、儀表，不但滿足電工電子實驗教學的需要，而且將這批微機可作為其他有關計算機課程教學用機，大大提高了設備利用率，降低了實驗室建設的成本。

虛擬儀器（Virtual Instrument）是隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、現代測量技術、電子儀器技術的發展而產生的一種新型儀器，它經歷了電磁指針式儀器、分立元件式儀器、數字式儀器、智能式儀器發展等進程，特別是上個世紀80年代末以來，新的測試理論，新的測試方法以及新的儀器結構不斷出現，在許多方面已經沖破了傳統儀器的概念，測量儀器的功能和作用發生了質的變化。虛擬儀器技術的發展使現代測量技術和計算機技術真正地融合在一起，是計算機技術和現代測量技術的高速發展共同孕育出的一項革命性新技術。它的出現對科學技術的發展和工業生產將產生不可估量的影響。

如今，虛擬儀器已成為許多發達國家所重點研究的領域，以美國國家儀器公司（NationalIn struments，簡稱NI）、惠普公司（Hewlet Packard，簡稱HP）、Tektronix和Racal等公司為首的虛擬儀器在測試領域呈現出越來越大的影響力。國內方面，各高等學校及科研機構從90年代開始也積極開展虛擬儀器的研究工作，研制具有自主知識產權的虛擬儀器軟件平臺，并開發相應的虛擬儀器設備。

目前虛擬儀器廣泛應用于工業自動化和控制系統、圖像的采集和分析處理、系統仿真、運動控制、遠程監控、物礦勘探、醫療、振動分析、聲學分析、故障診斷、電子工程、電力工程及教學科研等諸多領域?？梢钥闯?，虛擬儀器開發及應用已經進入高速發展的時期。

2 虛擬儀器及相關理論

2.1 虛擬儀器介紹

虛擬儀器的概念是通過配置具有數字接口（數據采集卡DAQ、GPIB總線、串口RS232/RS485、VXI總線等）的測量儀器，獲取調理信號，并利用計算機平臺實現不同測量功能的軟件系統。虛擬儀器充分利用了計算機的計算、存儲、顯示等功能。

2.2 信號采集相關技術

不同信號的測量方式對采集系統的要求不同，因此，虛擬儀器的開發需要首先了解被測信號，以便選擇合適的測量方式和采集系統配置。信號所運載信息很廣泛，如：狀態（state ）、速率（rate）、電平（level）、形狀（shape）、頻率成分（frequency content）。根據信號運載信息方式的不同，可以將信號分為數字和模擬信號。數字信號分開關信號和脈沖信號兩種；模擬信號分為直流、時域以及頻域信號

壓信號可以分為接地和浮動兩種類型。接地信號將信號的一端與系統地連接起來，如大地或建筑物的地。因為信號用的是系統地，所以與數據采集卡是共地的。不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電壓信號稱為浮動信號，浮動信號的每個端口都與系統地獨立。

兩種信號源和三種測量系統一共可以組成六種連接方式。其中，浮動信號和差動連接方式較好。實際測量時可根據具體情況而定。測量接地信號需采用差分或NRSE測量系統。如采用RSE測量系統，將會給測量結果帶來較大的誤差。圖2.2展示了使用RSE方式測量一個接地信號源，測量電壓Vm是測量信號電壓Vs和電位差DVg之和，其中DVg是信號地和測量地之間的電位差，這個電位差來自于接地回路電阻，而接地回路通常會在測量數據中引入頻率為電源頻率的交流和偏置直流干擾。一種避免接地回路形成的辦法就是在測量信號前進行隔離。

當信號電壓很高并且信號源和數據采集卡之間的連接阻抗很小時，也可采用RSE連接。此時接地回路電壓相對于信號電壓來說很小，信號源電壓的測量值受接地回路的影響可以忽略。

如輸入信號是直流，只需要用一個電阻將負端與測量系統的地連接起來。然而如果信號源的阻抗相對較高，從免除干擾的角度而言，這種連接方式會導致系統不平衡。在信號源的阻抗足夠高的時候，應該選取兩個等值電阻，一個連接信號高電平到地，一個連接信號低電平到地。如果輸入信號是交流，就需要兩個偏置電阻，以達到放大器的直流偏置通路的要求。信號采集的相關方式還有多通道采樣方式、抖動技術、觸發、分辨率等。

2.3 信號測量范圍

信號測量范圍由A/D轉換器能數字化的模擬信號的最高和最低的電壓決定。一般情況下，采集卡的輸入信號范圍是可調的，所以可選擇和信號電壓變化范圍相匹配的電壓范圍以充分利用分辨率范圍，得到更高的精度. PCI-6040E支持最大±10v的輸入電壓，測試電壓范圍通過軟件設定。

2.4 增益

增益主要用于在信號數字化之前對衰減的信號進行放大。使用增益，可以等效地降低A/D的輸入范圍，使它能盡量將信號分為更多的等份，基本達到滿量程，這樣可以更好地復原信號。因為對同樣的電壓輸入范圍，大信號的量化誤差小，而小信號時量化誤差大。當輸入信號不接近滿量程時，量化誤差會相對加大。通常通過選擇合適的增益，使得輸入信號動態范圍與A/D的電壓范圍相適應。當信號的最大電壓加上增益后超過了板卡的最大電壓，超出部分將被截斷而讀出錯誤的數據。

選擇的增益和輸入范圍要與實際被測信號匹配。如果輸入信號的改變量比采集卡的精度低，就可以將信號放大，提高增益。選擇一個小的輸入范圍或提高增益可以提高精度，但這可能會使信號超出A/D允許的電壓范圍。選擇一個大的輸入范圍或降低增益可以測量大范圍的信號，但這是以精度的降低為代價的。

3 發展趨勢

計算機速度的提高，軟件可以實現更多的功能，新器件新技術的應用使儀器功能越來越強大，儀器的價格也越來越低。隨著電子技術、網絡技術和計算機技術的不斷發展，虛擬儀器技術的更新也越來越快，更多的新技術以前所未有的速度不斷地融入到虛擬儀器中。就目前而言，虛擬儀器的發展呈現出以下幾種發展趨勢。

GPIB將被LXI和USB代替：現今，GPIB總線將由LXI替代，VXI儀器雖然還在生產，但市場已經縮小，新模塊新產品推出不多。為了將PXI總線產品推進到更高價位的大型系統，PXI聯盟及時采取新措施，一是保留原有的3U板卡和機箱，再增加6U板卡和機箱，二是隨著PCI總線升級到PCIExpress總線，保留PXI總線并擴充成PXIExpress總線。

組件化趨勢：計算機技術的迅速發展得益于它的開放式體系結構和標準的模塊化結構，受這種思想的影響，虛擬儀器也朝著組件化的方向發展。在軟件方面，組件化的趨勢更加明顯。

虛擬硬件：（VH）虛擬硬件（virtual hardware， VH）的思想源于可編程器件。用戶可以通過編程方便地改變硬件的功能和性能參數，從而依靠硬件設備的柔性（flexibility）來增強其適應性和靈活性。目前市面上的VH，其采樣率和精度都是可變的。

參考文獻

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