基于PC系统构成的虚拟仪器技术

汪 迎，冯家慧（郑州大学信息工程学院，河南郑州，450000）



基于PC系统构成的虚拟仪器技术

汪 迎，冯家慧
（郑州大学信息工程学院，河南郑州，450000）

摘要：随着计算机和多媒体技术、仿真技术以及虚拟技术的发展，可以应用于测控领域的软件比较多，如Visual C++、Power Builder，还有更为高级的HP VEE、DT VEE、LabVIEW等。实际证明，其中美国National Instrument公司推出的LabVIEW语言是比较优秀的软件开发平台，特别适于数据采集和控制方面的开发。此平台提供了一些外挂工具如PID控制及模糊控制模块［20］，与远程数据库的连接功能等，可以构成了一个完整的测控系统开发平台［，主要用于过程控制、数据采集、数据分析和数据显示等方面。NI公司提出的“Software Is the Instrument”是基于计算机软件技术的测试、控制仪器。测试仪器不再是功能单一的专用仪器，而是由基本的数据采集硬件和软件的柔性组合，与传统的测试仪器相比其智能化程度、性能价格比、可靠性及可操作性等方面都具有明显的优势。

关键词：PC系统；虚拟技术；虚拟仪器；传统仪器

0 引言

虚拟仪器技术系统实质上是一种智能测控系统，虚拟仪器与传统仪器相比具有更大的优势。随着计算机技术和数字化测试技术的发展，传统仪器有被虚拟仪器取代的可能。基于虚拟仪器技术的智能测控系统具有开放式的软件体系结构和标准的模块化硬件结构，和传统的测控系统相比，是一种全新的智能化测控系统。其通过基于事件驱动的中枢用户接口管理系统实现多进程通信，用户只需在自然语言环境下，根据不同的测控任务向系统输入信息，而不需详细了解系统的具体结构，大大提高了系统的柔性和智能化程度。因此，基于虚拟仪器技术的智能测控系统的研究与应用对我国智能测控技术的发展有着重要的现实意义，而且虚拟仪器技术也为开发其它虚拟实验平台奠定了坚实的基础。

虚拟仪器是电子测量技术与计算机技术的深层次结合的具有很好发展前景的新型类电子仪器。本系统就是以虚拟仪器为依托，开发具有实用性可操作性的电子技术及电类相关专业的模拟电路、数字电路基础实验平台。

1 虚拟仪器技术

虚拟仪器系统是基于PC构成的，和传统仪器相比，具有（表1）：

（1）开放系统。用户可根据需要组成仪器或系统，甚至不用更改任何硬件，只需应用相应软件模块就可构成新的虚拟仪器，使用户有更大的灵活性。

（2）智能化高。计算机强大的分析、计算、逻辑判断能力，可以在其上建立一套智能专家系统。

（3）友好的界面。在基于视窗技术的虚拟仪器面板上，用户通过鼠标即可完成所有功能，人机界面非常友好。

（4）具备网络功能。

（5）误差小。在虚拟仪器的测量过程，减少了硬件的使用，因而误差很小。

表1 虚拟仪器的优点

正是由于虚拟仪器的这些优点，使得虚拟仪器得到了广泛应用.

虚拟仪器技术包含（以NI公司为例） ：

①性能高

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全"继承"了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能卓越的处理器和文件I/O，使用户在数据高速导入磁盘的同时，就能实时进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和速度越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术不断发展。

②扩展性强

基于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进用户的整个系统。在利用最新科技的时候，用户还可以把它们集成到现有的测量设备，节省成本。

③开发时间少

在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通信方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件架构的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改。

④集成

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

2 虚拟仪器系统的硬件结构

基于虚拟仪器技术的智能测控系统，其硬件结构如图1所示，由图2-1可知，系统的硬件结构主要由两部分组成：

①计算机系统，包括存储器、处理器、I/O设备以及显示系统等，主要用于系统的输入、输出以及数据处理和管理。目前，飞速发展的多媒体技术，网络技术等为其提供了强有力的技术支持。

②测控硬件系统群，这是一些带有微处理器的自主系统，它们既可以在网络系统中在上位机的控制下协调工作，从而构成一个大型集散控制系统，又可以单机独立工作，完成用户提出的具体测控任务。由于模块化的层级结构，测控行为可根据具体的测控任务通过测控代码的灵活组态来实现。

因此，系统具有高度的灵活性、设备的可重复映射性及可重复使用性。

图1 系统硬件结构

3 系统软件的逻辑结构

虚拟仪器智能测控系统是通过透明的计算机硬件资源和测控硬件资源，由各种不同软件的组合来构成用户的实际测控系统。系统软件按其逻辑结构自上而下可分为三个层次，即管理层、应用层和物理层。如图1.1所示。

图1.1 软件系统逻辑结构

3.1管理层

主要由高级编辑器、数据管理器以及资源库等组成，其中资源管理库包括图形库、规则库、系统配置库以及用户信息库等。该层主要完成能适应不同测控任务，便于操作使用的友好用户界面自动生成；利用系统配置库、系统规则库，使用科学的数据表达方法和合理的存储模式，通过高级编辑器，将用户提出的测控任务及其逻辑关系映射成为实际行为集，以便于应用层生成实际的测控代码，完成系统数据的管理和维护。

3.2应用层

设计重点是建立用户测控程序的自动生成模式和程序自动生成软件系统。该层是系统的主要工作层面，负责将管理层的测控行为集转换成物理层的实际测控行为，并将物理层的状态信息反馈给管理层，以便于对被控对象的监视与跟踪。

3.3物理层

该层是直接面对工作现场的部分。它具体实现用户提出的的各种测控行为。在该层设计有大量的微程序，层级处理器则根据上层下达的指令代码集，通过驱动程序完成被控对象的测量和控制。

4 虚拟仪器智能测控系统平台

随着计算机和多媒体技术、仿真技术以及虚拟技术的发展，可以应用于测控领域的软件比较多，如Visual C++、Power Builder，还有更为高级的HP VEE、DT VEE、LabVIEW等。实际证明，其中美国National Instrument公司推出的LabVIEW语言是比较优秀的软件开发平台，特别适于数据采集和控制方面的开发。此平台提供了一些外挂工具如PID控制及模糊控制模块，与远程数据库的连接功能等，可以构成了一个完整的测控系统开发平台，主要用于过程控制、数据采集、数据分析和数据显示等方面。NI公司提出的“Software Is the Instrument”是基于计算机软件技术的测试、控制仪器。测试仪器不再是功能单一的专用仪器，而是由基本的数据采集硬件和软件的柔性组合，与传统的测试仪器相比其智能化程度、性能价格比、可靠性及可操作性等方面都具有明显的优势。

利用的CIN模块可以实现与C语言的接口，将采样数据和系统的运行参数写入数据库，这样就可以使用VC++的ADD对象管理工程数据库，以便于对系统数据进行统计分析。

5 总结

虚拟仪器的实质是对模拟信号进行数字化处理，具体分为在线处理和事后处理两部分。在线数据处理主要包括运算量较小的电流、电压以及脉冲的时域分析。

虚拟仪器技术是现代计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、网络化的发展。第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器。第二代数字化仪器，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果。

虚拟仪器（Virtual Instruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司于1986年提出的。随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。

虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能充分利用和发挥现有的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。

虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来。用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器从透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器，显示器等）和仪器硬件的测试能力和控制能力结合起来。

虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。当基本硬件确定以后别就可以通过不同的软件实现不同的功能。

参考文献

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［5］刘军.电路与电子技术虚拟实验教程.出版社：西北工业大学出版社2006

［6］邹虹.数字电路与逻辑设计.出版社：人民邮电出版社，2004

［7］江晓安.计算机电子电路技术.出版社：西安电子科技大学，2002

［8］张野，郑振宇：虚拟仪器技术在院校实验室建设中的应用.科技咨询导报，2007，（24） .

［9］吴培明.电子技术虚拟实验.出版社：机械工业出版社，2005

［10］冷向京：基于虚拟仪器技术的虚拟实验室设计与应用.科技信息（学术研究），2008，（01） .

Virtual instrument technology based on PC system

Wang Ying，Feng Jiahui
（School of information engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou，Henan，450000）

Abstract：Along with the computer and multimedia technology，simulation technology and the development of virtual technology，can be applied in the field of measurement and control software is more，such as Visual c + +，Power Builder，as well as more advanced HP VEE，DT VEE，LabVIEW，etc.Actual proof，including the United States National Instrument company launching LabVIEW language is relatively good software development platform，especially suitable for the development of data acquisition and control.The platform provides some external tools such as PID control and fuzzy control module［20］，with the remote database connection，etc.，can constitute a complete measurement and control system development platform，mainly used in process control，data acquisition，data analysis and data display，etc.The NI company of"Software Is the Instrument" Is based on the technology of computer Software testing and control instruments.Test Instrument Is no longer a single function of special Instrument，but the basic data acquisition hardware and Software of the flexible combination，compared with the traditional test Instrument its intelligent level，cost performance，reliability and maneuverability has obvious advantages.

Keywords：PC system； Virtual technology；Virtual instrument；Traditional instruments