什么是虛擬儀器?

一、什么是虛擬儀器?                        

   一套虛擬儀器系統(tǒng)就是一臺工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)或工作站配上功能強(qiáng)大的應(yīng)用軟件、低成本的硬件(例如插入式板卡)及驅(qū)動軟件，他們在一起共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。以軟件為主的測量系統(tǒng)充分利用了常用臺式計(jì)算機(jī)和工作平臺的計(jì)算、顯示和互聯(lián)網(wǎng)等諸多用于提高工作效率的強(qiáng)大功能。軟件是在功能強(qiáng)大的硬件基礎(chǔ)上創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)的真正關(guān)鍵所在。虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件就可以實(shí)現(xiàn)功能*不同的各種測量測試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器，因此可以說“軟件即儀器”。虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測量系統(tǒng)到以軟件為中心的測量系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變。有了虛擬儀器，用戶就可以*根據(jù)自己的需求組建測量和自動化系統(tǒng)，而不用再受功能固定(*由廠家提供)的傳統(tǒng)儀器的限制。

二、虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較

   獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器，例如示波器和波形發(fā)生器，性能強(qiáng)大，但是價(jià)格昂貴，且被廠家限定了功能，只能完成一件或幾件具體的工作，因此，用戶通常都不能夠?qū)ζ浼右詳U(kuò)展或自定義其功能。儀器的旋鈕和開關(guān)、內(nèi)置電路及用戶所能使用的功能對這臺儀器來說都是固定的。另外，開發(fā)這些儀器還必須要用專門的技術(shù)和高成本的元部件，從而使它們身價(jià)頗高且很不容易更新。

   基于PC機(jī)的虛擬儀器系統(tǒng)，誕生以來就充分利用了現(xiàn)成即用的PC機(jī)所帶來的科技。這些科技和性能上的優(yōu)勢迅速縮短了獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器和PC機(jī)之間的距離，包括功能強(qiáng)大的處理器（如Pentium4)、操作系統(tǒng)及微軟Windows XP、NET技術(shù)和Apple Mac OSx。除了融合諸多功能強(qiáng)大的特性，這些平臺還為用戶提供了簡單的聯(lián)網(wǎng)工具。此外，傳統(tǒng)儀器往往不便隨身攜帶，而虛擬儀器可以在筆記本電腦上運(yùn)行，充分體現(xiàn)了其便攜特性。

   需要經(jīng)常變換應(yīng)用項(xiàng)目和系統(tǒng)要求的工程師和科學(xué)家們需要有非常靈活的開發(fā)平臺以便創(chuàng)建適合自己的解決方案?？梢允褂锰摂M儀器以滿足特定的需要，因?yàn)橛邪惭b在PC機(jī)上的應(yīng)用軟件和一系列可選的插入式硬件，無需更換整套設(shè)備，即能完成新系統(tǒng)的開發(fā)。

1、靈活性

   除了的元件和電路，獨(dú)立式傳統(tǒng)儀器的基本框架其實(shí)類似于基于PC機(jī)的虛擬儀器。兩者都需要一個或多個微處理器、通訊端口(如串口、GPIB接口)、顯示功能及數(shù)據(jù)采集模塊。其根本區(qū)別在于兩者不同的靈活性，用戶是否能夠根據(jù)各自不同的要求對其進(jìn)行修改和擴(kuò)展。一臺傳統(tǒng)儀器可能包括一套集成電路用于實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)據(jù)處理功能；而在虛擬儀器中，只需在PC處理器上運(yùn)行軟件程序即可實(shí)現(xiàn)這些功能，而且，還可以簡單地對這些功能加以擴(kuò)展，只是會受軟件功能大小的限制。

2、低價(jià)位

   使用虛擬儀器解決方案，可以大幅降低資金投入、系統(tǒng)開發(fā)成本和系統(tǒng)維護(hù)成本，同時還為用戶加快產(chǎn)品上市時間并提高產(chǎn)品質(zhì)量。

三、儀器的分類:    (什么是虛擬儀器?  )                                                                                                    

虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：

1、PC總線——插卡型虛擬儀器

   這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與的軟件如LabVIEW相結(jié)合（注：美國NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自已組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供的編程工具，通過三種編程語言VisualC++,VisualBasic,Labviews/cvi構(gòu)成測試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。

2、并行口式虛擬儀器

   發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的zui大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。

3、GBIB總線方式的虛擬儀器

   GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨(dú)立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺儀器，電纜長度可達(dá)40米。GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要應(yīng)用于臺式儀器，適合于度要求高的，但不要求對計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時應(yīng)用。

4、VXI總線方式虛擬儀器

   VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時和同步、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器*的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。

5、PXI總線方式虛擬儀器

   PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴(kuò)展性。PXI具有8個擴(kuò)展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3~4個擴(kuò)展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個擴(kuò)展槽，臺式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。

四、虛擬儀器的發(fā)展過程

1、GPIB→VSI→PXI總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）GPIB于1978年問世，VXI于1987年問世，PXI于1997年問世。

2、PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景）PC插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口USB方式于1999年問世。

   綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素。①計(jì)算機(jī)是載體,②軟件是核心③高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。

五、LabVIEW的簡單介紹

   LabVIEW是NI公司提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟件，它不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲的方式，并將結(jié)果顯示給用戶。LabVIEW是創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)的理想工具，它為用戶提供的zui有力的特性就是圖形化的編程環(huán)境。用戶可以使用LabVlEW在電腦屏幕上創(chuàng)建一個圖形化的用戶界面，即可設(shè)計(jì)出*符合自己要求的虛擬儀器。通過這個圖形界面，可以：

• 操作儀器程序
  • 控制硬件
    • 分析采集到的數(shù)據(jù)
      • 顯示結(jié)果

         用戶可以使用旋鈕、開關(guān)、轉(zhuǎn)盤、圖表等自定義前面板，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的控制面板、創(chuàng)建自制測試面板，或圖形化表示控制和操作過程。標(biāo)準(zhǔn)流程圖和圖形化程序圖的相似性使得它不象基于文本的傳統(tǒng)語言那樣難學(xué)，從而大大縮短了用戶的整個學(xué)習(xí)過程。只需將各個圖標(biāo)連在一起創(chuàng)建各種流程圖表，即可完成虛擬儀器程序的開發(fā)，而這也正好符合用戶的原始設(shè)計(jì)理念。利用圖形化編程，在保持系統(tǒng)的功能與靈活性的同時，能大大加快開發(fā)速度。

         LabVlEW帶有現(xiàn)成即用的函數(shù)庫，用戶可以用它集成各種獨(dú)立臺式儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、運(yùn)動控制和機(jī)器視覺產(chǎn)品、GPIB／IEEE488和串口／RS-232設(shè)備、PLCS等，從而開發(fā)出一套完整的測量和自動化解決方案。LabVIEW還包含了主要的儀器標(biāo)準(zhǔn)如VISA-GPIB、串口和VXI儀器可共用標(biāo)準(zhǔn)；PXI和基于PXI系統(tǒng)聯(lián)盟CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件：IVI可互換虛擬儀器驅(qū)動程序；VXIPlug&Play；VXI儀器標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序。

         大部分計(jì)算機(jī)使用的都是微軟公司的Windows系列操作系統(tǒng)。LabVIEW它可運(yùn)行在Windows2000，NT，XP，Me，98，95和嵌入式NT環(huán)境下，同時還支持Mac OS，SunSolaris與Linux。通過LabVlEW實(shí)時(LabVIEWReal．Time)模塊，LabVIEW還能夠編譯代碼，讓程序在VenturComETS實(shí)時操作系統(tǒng)中運(yùn)行。LabVlEW是獨(dú)立于平臺的，在一種環(huán)境下編寫的虛擬儀器程序(簡稱VI)，能夠透明地轉(zhuǎn)移到其他LabVIEW平臺上。用戶所需做的，只是在新環(huán)境下打開這個Vl即可。LabVlEW應(yīng)用程序能跨平臺使用，隨著新計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展，還可以輕而易舉地將您的應(yīng)用程序移植到新平臺和操作系統(tǒng)中。另外，因?yàn)槟荛_發(fā)出的虛擬儀器程序能夠在不同平臺間移植、獨(dú)立于操作系統(tǒng)。

      六、USB簡介　

         在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機(jī)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這其中有很多地方需要對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等?，F(xiàn)在常用的采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有A/D卡以及422、485等總線板卡。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。     USB是通用串行總線（Universal AerialBus）的簡稱，USB的出現(xiàn)，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。USB是一些PC大廠商，如Microsoft、In等為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，自1995年在Comdex上亮相以來至今已廣泛地為各PC廠家所支持?，F(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對USB的支持。

      1、USB系統(tǒng)的構(gòu)成
         USB系統(tǒng)主要由主控制器(Host Controller)、USB Hub 和USB外設(shè)(PeripheralsNode)組成系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
      2、USB的主要優(yōu)點(diǎn)
      　?。?）速度快
          USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps，另外為了適應(yīng)一些不需要很大吞吐量和很高實(shí)時性的設(shè)備，如鼠標(biāo)等，USB還提供低速方式，速率為1.5Mb/s。
      　?。?）設(shè)備安裝和配置容易
      　　安裝USB設(shè)備不必再打開機(jī)箱，加減已安裝過的設(shè)備*不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。所有USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進(jìn)行自動配置，*拋棄了過去的跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。
      　?。?）易于擴(kuò)展
      　　 通過使用Hub擴(kuò)展可撥接多達(dá)127個外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長度為3m（5m低速）。通過Hub或中繼器 可以使外設(shè)距離達(dá)到30m。
      　?。?）能夠采用總線供電
           USB總線提供zui大達(dá)5V電壓、500mA電流。
      　　（5）使用靈活
          USB共有4種傳輸模式：控制傳輸(control)、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。
      3、USB與RS485
      　　傳輸距離是限制USB在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的一個障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過幾十米，這對工業(yè)現(xiàn)場而言顯然是太短了?，F(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場有大量采用RS－485傳輸數(shù)據(jù)的采集設(shè)備。RS－485有其固有的優(yōu)點(diǎn)，即它的傳輸距離可以達(dá)到1200米以上，并且可以掛接多個設(shè)備。其不足之處在于傳輸速度慢，采用總線方式，設(shè)備之間相互影響，可靠性差，需要板卡的支持，成本高，安裝麻煩等