虚拟仪器的类型及其发展情况

陈书旺　胡爱华

摘要：介绍了虚拟仪器的结构特点，并分类型讲解了各种虚拟仪器硬件平台的组成、工作原理及其发展情况。重点举例说明了适合我国发展情况的DAO型虚拟仪器。

关键词：虚拟仪器类型硬件平台发展情况DAQ

1虚拟仪器的结构

1．1计算机硬件平台

虚拟仪器计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。

1．2接口硬件

按照接口硬件的不同，分为GPIB、VXI、PXI和DAQ四种标准接口总线或接口标准。

1．3虚拟仪器的软件系统

虚拟仪器从底层到顶层包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。

(1)VISA(Virtual Instrumentation Software Architec-ture)库

VISA库实质就是标准的14)函数库及其相关规范的总称．它驻留在计算机系统中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之问的软件层连接，用来实现对仪器的控制。

(2)仪器驱动程序

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器都有自己的仪器驱动程序，由仪器厂商提供。

(3)应用软件

应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、友好的操作界面、丰富的数据分析和处理功能，来完成自动测试任务。通常实现所用的编程语言有VB、VC、LabVlEW等。

2拟仪器的类型及发展情况

2．1GPIB总线方式的虚拟仪器

GPIB(General Purpose Interface Bus)是计算机和仪器之间的标准通信协议，GPIB的硬件规格和软件协议已经纳入国际工业标准IEEE 488.1和IEEE 488.2中。GPIB是最早的仪器总线。

典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口控制器卡和若干台GPIB仪器。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。通过改动计算机的控制软件可以增加、减少或更换系统中的仪器。

在价格上，GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器，但由于GPIB的数据传输率一般低于500kB/s，不适合对于系统速度要求较高的应用，现在已经逐步退出了市场。

2．2 VXI总线方式的虚拟仪器

1987年公布的VXI(VMEbus extension for Instmmen-tion)是VME总线在仪器领域的扩展，它不仅继承了GPIB、VME总线的优点，集测量、计算、通信于一体，还具有高速、模块化的优点。

与GPIB仪器系统相比，VXI模块没有前操作面板，因此，应用VXI总线组建测试系统必须编制虚拟的“软前面板”以完成对仪器系统的操作控制(当今流行的可视化编程语言如Visual Basie,Visual C，Delphi等均可以在VXI平台上构造一个完全图形化的用户操作面板，实现测试控制、数据分析、结果显示等功能，从而设计出各种操作方便的基于图形用户界面(GUI)的集成测试系统。

经过10多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。目前，这种类型也有逐渐退出市场的趋势。

2．3 PXI总线方式的虚拟仪器

PXI(PCI extension for Instnunention)是PCI在仪器领域的发展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化的仪器总线规范。PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的参考时钟，用于精确定时的星形触发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局部总线。

PXI具有高度可扩展性，可扩展到256个扩展槽。把台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台之一。

2．4 DAQ(Data AcQuisition)虚拟仪器

DAQ指的是基于计算机标准总线(如ISA、PCI、PC/104等)的内置功能插卡，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可以方便快捷地组建虚拟仪器，实现“一机多型”和“一机多用”。

下面以基于PCI总线和USB总线的多功能虚拟仪器的实现为例，介绍DAQ型虚拟仪器的结构。

2．4．1基于PCI总线的多功能虚拟仪器

本类型虚拟仪器由一块基于PCI总线的高速数据采集卡和相应的软件组成，将它们安装在一台运行的PC机上，可构成一个功能强大的数字虚拟仪器。其系统框图及工作传输。

工作原理：由主机启动程序，发出按时间步进的频率控制字送入信号源电路，产生频率随时间在1MHz－70MHz范围内变化的恒幅正弦波模拟信号。信号通过PCI高速数据采集卡采样的数字信号，经PCI总线送入计算机内，通过LaabVlEW软件模块对信号进行分析、处理，从而实现虚拟仪器的功能。

另外，通过改变应用程序，即界面程序设计可实现不同功能的虚拟仪器，如虚拟数字示波器，虚拟频谱分析仪等。这种类型的虚拟仪器具有一定的缺点：由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入时都需要打开机箱，操作不方便；并且测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机安全造成很大的威胁；同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响。

2．4．2基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的设计

基于USB总线的嵌入式虚拟仪器具有使用方便、数据传输速度快、连接灵活的特点。可以采用星型的拓扑结构构建分布式测试系统。该类系统主要由PC机、USB集线器和嵌入式虚拟仪器组成。系统的体系结构设计按照智能模块的设计思路进行，智能模块的作用是完成特定应用的测试功能。利用USB总线的优势可以实现测试方案的灵活配置和测试功能的自由扩展，即当需要添加新测试功能时，只需开发支持USB接口的相应测试功能的嵌入式虚拟仪器模块即可。

其中，嵌入式虚拟仪器从功能模块上分为：信号调理和模数转换电路、嵌入式控制模块、存储系统、液晶显示模块、USB总线接口逻辑等部分。

USB技术和虚拟仪器技术结合在一起是计算机仪表领域研究的热点，基于USB总线接口设计的嵌入式虚拟仪器具有良好的系统扩展性。嵌入式虚拟仪器可以独立完成特定的信号处理和分析，又可以通过USB总线系统组合在一起，构建大型的测试系统，完成复杂的测试功能。

2．4．3 DAQ型虚拟仪器的发展情况

在性能上，随着Ad转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的发展，DAQ的采样速率已达1Gb/s，精度高达24位，通道数高达64个，并能任意结合数字I/O、模拟I/O、计数器定时器等通道。

DAQ虚拟仪器既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对大多数用户来说，这种方案不但实用，而且具有很高的性能价格比，是一种特别适合于我国国情的虚拟仪器方案。

3结束语

本文所介绍的各类虚拟仪器已经在实践中得到检验。实现了普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。虚拟仪器不但功能多样、测量准确，而且界面友好、操作简易，与其它设备集成方便灵活，开发更加容易，质量更有保证。系统升级可透明进行，一旦需要，可以增加接口来扩展软件的功能。同时，本文通过对比各类型虚拟仪器的特点，给出了现实中进行系统设计时选择适当的虚拟仪器类型的依据，从而使设计结果达到最好的性价比。