虚拟仪器与电子测量.doc

虚拟仪器与电子测量虚拟仪器与电子测量摘要：随着信息科学技术的进步和电子仪器应用领域的扩大,电子测量仪器正朝着数字化、智能化、多功能、小型化、模块化、标准化和开放型方向发展。首先对电子仪器发展历史进行回顾,进而介绍电子测量新方向虚拟仪器(VI)。关键词：电子测量发展方向 虚拟仪器 传统仪器0电子仪器发展历史回顾模拟仪表以19世纪电磁、磁电技术、钟表技术为基础，以电工类仪器为主数字仪表以20世纪60年代的半导体晶体管、集成电路为基础，进入电子测量阶段智能仪器以20世纪70年代嵌入式计算机、大规模集成电路、精密模拟电路为基础虚拟仪器以20世纪80年代计算机技术、微电子技术和数字信号处理技术、精密模数转换技术为基础01电子仪器发展纵观电子仪器发展的历史,大致经历了从模拟式-数字式-智能式-程控式的发展过程。1915年美国首先提出峰值电子电压表的设计,1928年商品化。20世纪50年代初期,仪器仪表取得了重大突破,数字技术的出现使各种数字仪器得以问世,把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级。1952年美国NLS公司首先研制出电子管式四位数字电压表。20世纪60年代中期,测量技术又一次取得了进展,计算机的引入,使仪器的功能发生了质的变化,从个别电量的测量转变成测量整个系统的特征参数,从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出,从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。20世纪70年代,计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透,使电子仪器在传统的时域与频域之外,又出现了数据域(Data domain)测试。20世纪80年代,由于微处理器被键已经消失。测量系统的主要模式是采用机柜形式,全部通过IEEE-488总线送到一个控制器上。测试时,可用丰富的BASIC语言程序来高速测试,不同于传统独立仪器模式的个人仪器已经得到了发展。20世纪90年代,电子仪器与测量科学进步取得重大的突破性进展,这个进展的主要标志是电子仪器智能化程度的提高,微电子技术的进步将更深刻地影响电子仪器。02虚拟仪器的发展虚拟仪器（Virtual Instruments）的概念源自于美国国家仪器公司（National Instruments Corporation，简称NI公司，成立于1976年）。1983年，NI公司创新的提出了虚拟仪器的概念。并将虚拟仪器的理念贯穿到1986年它们发明的LabVIEW图形化编程语言中。并最终形成了NI LabVIEW图形化虚拟仪器开发环境。初期的虚拟仪器应用主要体现在构建基于数字仪表的自动化测试系统（仪器控制）方面。设置在计算机上的GPIB控制器通过数字仪表的GPIB接口控制、管理着数字式测量仪 器，并将测量数据的分析结果在计算机的屏幕上显示出来。参考下图。GPIB连接方式二十多年后的今天，虚拟仪器技术已经得到了长足进步和发展。这得益于现代计算机技术、微电子技术和数字信号处理技术获得的突破性进展。正因为如此，以这些技术为依托的虚 拟仪器也得到了不断地发展从而导致电子测量仪器进入到一个创新的发展阶段。实质上，虚拟仪器已经成为现代电子测量仪器的一个重要的组成部分。我们的实验室已成为以虚拟仪器为主要仪器设备的现代化、自动化的实验室。在虚拟仪器出现之后，人们为了与过去所生产、使用的仪器能够相区别，改称那些仪器为传统仪器。1 认识虚拟仪器虚拟仪器的本质是：基于计算机的测试、测量和自动化仪器系统。为了更好的阐述什么是虚拟仪器，我们先做个传统仪器于虚拟仪器的简单类比。图1.1作为传统仪器，它呈现我们面前的是一个实物器具。它具备实物的基本特点：形状、大小、体积和重量。在传统仪器的操纵面板上我们可以通过开关、按键来操纵使用它，同时通过 它的显示区域可以获得最终的测量结果。参见图1.1的上半部分。虚拟仪器呈现我们面前的会是另外一种方式。由于它是基于计算机的测量仪器，所以它没有固定尺寸的大小和外观形状。它通过软件在计算机的屏幕上以各种图形的方式模拟出传统 仪器的外观以及操纵仪器所必需的开关、按键、显示器等部件。虚拟仪器的操作是通过计算机的鼠标或键盘来实现的。参见图1.1的下半部分。1.1虚拟仪器构成现代测量仪器与计算机结合有两种途径：一种是将计算机嵌入到仪器之中，精密实验室中大部分测量仪器都采用的这种方式；另一种是将仪器（模块或数据采集板卡）嵌入到计 算机中，通过专们设计的应用软件来实现对测量的控制及分析和显示。同时基于计算机的测量，显然前者仍然是属于传统仪器类，后者则属于虚拟仪器类。虚拟仪器基本构成，参见图1.2。图1.2从上图所示的部分可以看出，虚拟仪器的构成基本上是由三部分组成：传感器、多功能数据采集卡、商业化计算机平台。1.2虚拟仪器基本测量原理毋庸置疑，那些来自传感器的信号里包含了待测物理量中许多有用信息或基本特征，而测量过程则是对信号进行分析和处理的一个十分复杂的过程。通常来自传感器的信号基本上是模拟信号。模拟信号最大特点就是它是时间的连续函数。传统仪器对模拟信号的测量可以基本上归结为三种方式：模拟式测量、数字式测量、采样式全数字化测量1） 模拟式测量：所谓模拟式测量是指那些电工类指针式仪器的测量方法。2） 数字式测量：数字式仪表，如数字电压表、数字万用表等等，基本上还是采用模拟测量方式，并用数字显示的方法来显示测量结果。3） 采样式全数字化测量：这种基于采样式全数字测量方法，似乎在直流测量和交流测量间并没有给出明确的概念。测量首先完成对输入信号的高速采集，至于是直流测量还是交流测量则取决于后面选择什么 样的数据处理方式。由于测量基于对信号采样后的数据处理，所以被称采样式测量是全数字化测量。2虚拟仪器自身的特点虚拟仪器发展到今天已经受到越来越多的关注，这种计算机软、硬件技术和数字信号处理技术完美结合的新型测量仪器的出现，导致了电子仪器的设计理念和设计方法都发生了许多 重大改变。由于虚拟仪器适应了现代自动化测量系统网络化与智能化的发展趋势，所以它必将成为新世纪电子测量仪器的发展方向，并将在各个工程领域得到更加广泛的应用。2.1虚拟仪器充分利用了现代计算机的软、硬件资源1）硬件资源根据虚拟仪器构成，我们知道虚拟仪器是建立和运行在现代计算机上，这使得虚拟仪器天生就具有得天独厚的硬件运行环境，并且随着计算机技术的不断发展虚拟仪器的运行环境也 得到不断地提升。虚拟仪器凭借着现代计算机CPU的多核技术（目前8核已商业化）、以nGHz/s为单位的超高速指令执行速度、数据吞吐超强的总线带宽（PCIe）以及以G为单位的数据 存储能力，使得基于计算机的测量向着多通道同步采集和实时数据分析处理、实时显示等方面迈出了坚实的一步。由于计算机的介入从而导致测量能力上的提升是其它智能化仪器系统 所无法赶超和比拟的。现代计算机本身已经配备有丰富的硬件接口资源，比如：PCI、 PCIe、VXI、PXI、PXIe、RS232、USB、1394、WiFi、Ethernet、PCMCIA、ExpressCard2)软件资源现代计算机采用的都是基于可视化图形操作系统，如Windows、Mac OS、Linux。虚拟仪器应用软件象其它应用软件一样可以运行在上述任何一种操作系统平台上。由于可视化操作系统都是基于响应鼠标、键盘事件的，同时根据事件的处理方式可即时弹出交互式窗体或对话框，进行人机对话的操作。这种操作形式恰恰也是虚拟仪器所期待的最佳的操作方式。操作系统平台的特性将必然反映到虚拟仪器的设计之中，因为这是操作者所十分熟悉的操作方式。借助于可视化操作系统平台，虚拟仪器可以将传统仪器前面板上的硬件部件，比如按键、开关、图形指示器等，用软件图形或图标的方法设计在应用软件的前面板上。这些软件面板 的逼真度看起来与真实的传统仪器前面版几乎没有太大的区别，使用时可以通过鼠标或键盘来操纵和控制它们。千万要记住，它们是“永不磨损”的！当然修改和更新变换都是通过对 软件重新编程来实现的。这里需要注意的是：尽管可视化操作系统的运行环境十分强大，但它还是有不尽如人意的地方，它的实时性就远不如嵌入式系统好。解决这个问题的方法是可以选择使用“实时”平 台。2.2 与传统仪器比较多年来，虚拟仪器已经广泛的应用在数据采集、仪器控制、工业过程监控和实验室自动化测量领域。虚拟仪器的概念也被科学家和工程师所熟知。虚拟仪器是实实在在的电子测量仪器，虚拟的含义主要体现在将仪器的部分硬件功能及数据分析处理功能以软件的形式被虚拟化。这与网络世界中虚拟的概念是完全不同的，网络世界中的虚拟表现出的是一种不存在的虚幻。正像当年数字式仪表刚刚出现时，也曾有过类似的问题提出：数字式仪表会取代模拟式仪表吗？当然是众说纷纭，可是直到今天数字式仪表也未能取代模拟式仪表，但数字化肯定是 发展趋势。比如：民用电度表基本上是已经数字化了！3 结束语 环顾当今社会，信息技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。决大部分闭环控制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的