1.1虚拟仪器导论

第第 1 章章 虚拟仪器导论虚拟仪器导论 引言引言 测试 测量活动是人类认识客观世界最基本的方法 测量仪器则是实施测量活动所必须的工具和手 段 随着现代科学技术的不断发展和进步 电子测量仪器逐渐发展演变成为测量仪器的主体 多年来电子 测量仪器的发展大致经历了这样几个阶段 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 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 不同的接线方式 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 本章主要介绍虚拟仪器的一些基本概念 目的是为了更好的了解 LabVIEW 因为 LabVIEW 的核 心思想就是虚拟仪器 1 1 虚拟仪器虚拟仪器 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 本节将阐述什么是虚拟仪器 1 1 1 虚拟仪器简介虚拟仪器简介 1 1 1 1 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 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 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 1 1 的下半部分 上面我们仅仅是通过物理形态和操作功能上对传统仪器和虚拟仪器进行了类比 下面我们再从文字 含义上来进一步认识和了解虚拟仪器 1 1 1 1 虚拟仪器中虚拟仪器中 虚拟虚拟 的含义的含义 对于常与 PC 打交道的人来说 虚拟 的含义应该是很好理解的 如在紧张繁忙的工作了一段时间后 总希望静下心来观看一部声名显赫的 DVD 大片 借以缓解因长时间紧张工作所带来的压力和烦躁 因为 现代 PC 完全具备了这样的能力 我们何不借此享受一番呢 非诚勿扰 的确在我们身边并没有 DVD 播放器 但的确获得了如此悠闲地享受 我们所做的只不过是在 PC 的 光驱中放入了一张 DVD 光盘 其实质就是利用了 PC 上已存在的硬件资源 声卡 和软件资源 媒体播 放器 在 PC 机上 虚拟 出了一部 DVD 播放机 其实在 PC 机上可 虚拟 东西还很多如 虚拟内存 虚拟光驱 等等 所谓 虚拟 就是利用 PC 上 已存在的硬件资源通过特定的软件来实现我们所需要的 且现实中并不存在的某些实用装置的功能 在 PC 机上实现虚拟功能并不会破坏 PC 机上原有的功能 只是利用 PC 机上的硬件资源 或附加硬 件资源 通过软件的方式拓展和附加了新的应用功能 这里涉及到 虚拟 的含义我们所讨论虚拟仪器中的 虚拟 含义应该是一样的 只不过是通过不同的 软件实现功能不同的装置而已 虚拟仪器中 虚拟 指的是虚拟仪器的构成方式 或者说更加强调软件在其中所起到的极其重要作用 1 1 1 2 虚拟仪器中虚拟仪器中 仪器仪器 的含义的含义 虚拟仪器中 仪器 的含义应该与传统仪器中 仪器 的含义是相一致的 同为 仪器 它们就应该在外 特性上保持一致 所谓外特性 通常是指它们的测量特性 比如说 我们可以将虚拟仪器 传统仪器 看 成是一个黑匣子 不去考虑它们的内部测量原理和测量方法是如何实现的 这样在相同的条件下 它们对 同一被测量的测量结果应该是相一致的 从测量仪器的观点来看 二者对同一量的测量结果应该不会有什 么本质上的差别 由于它们都属于测量仪器 只是具体构成的方法不同 所以 传统仪器的很多技术性能或技术指标 都可以被用来规范虚拟仪器的技术性能和技术指标 下面通过一个实例进一步理解传统仪器与虚拟仪器间仪器的特性 实例 1 1 参见图 1 1 1 3 图 1 1 1 3 左边是传统仪器安捷论的 34401A 数字万用表 右边的是 NI 公司的虚拟仪器万用表 NI 4072 的 硬件板卡和软件前面版 同为 DMM 它们在相同条件下 对同一个被测量的测量结果应该是一致的 可是作为传统仪器安捷论的 34401A 数字万用表 它的测量功能是由生产厂商所确定的 我们作为 它使用者根本无法变更或增加它的测量功能 而 NI 公司的虚拟仪器万用表 NI 4072 只要我们具备一定的能力 学习使用 NI LabVIEW 就可 以通过对软件的重新设计来添加低频信号示波器或低频谐波分析仪的测量分析功能 通过上述分析可见 虚拟仪器是与传统仪器在构成上不相同的一类仪器 是一种创新的仪器设计思 想的产物 虚拟仪器是基于计算机的测量仪器 虚拟仪器更加强调软件在仪器中的作用 通过软件设计可 定义仪器的测量功能 这一点是传统仪器根本无法比拟的 下面就谈谈虚拟仪器的基本构成 1 1 2 虚拟仪器构成虚拟仪器构成 前面我们曾谈到过 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 现代测量仪器与计算机结合通常有两种途径 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 下面我们看一个将计算机嵌入到现代仪器之中的具体实例 参见图 1 1 1 4 图 1 1 1 4 实例 1 2 德国 ZERA 公司的三相标准电能表 0 01 级 这是世界上最顶级的功率 电能表 它的测量准确度比我们家用电表高 100 倍 并能保证其测量准 确度在两年内无须再校准 我们先看看它的基本构成 它采用内置式计算机 计算机并不对外开放 来控制整个仪器 自行设计了基于 Windows 操作系 统的应用软件用于仪器测量控制和数据分析处理 通过 6 4 英寸 TFT 彩色液晶屏嵌入前面版实现人机对 话和整个仪器的显示 它属于智能化仪器 测量单元基于特殊设计的高速 高准确度同步数据采集卡完成 数据处理采用 DSP 来实现 它是由专业厂商设计 生产的特殊用途 电压 电流 功率 电能 电子测量仪器 尽管它也是基于计算机 嵌入式 和实现了数字化测量以及采用了数字信号处理技术 但它仍然是 属于传统仪器类 因为我们根本无法改变或重新定义它的测量功能 并且它的所有部件都是专用的 生产 厂商根本不会提供任何相关的信息 现在我们在来看看虚拟仪器的基本构成 参见图 1 1 1 5 图 1 1 1 5 从图 1 1 1 5 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 1 2 1 传感器传感器 众所周知 现实世界中的许多物理量如声压 光强 温度 压力 流量 力等 电子测量仪器是无 法直接感知的 而通用的电子测量仪器绝大多数也只能识别电压 电流信号或者频率信号 为了将某些物 理量转换成为我们感兴趣的电信号 我们通常需要一种变换元件这就是 传感器 传感器可以将一种物理量变换为另一种物理量 比如 将加速度信号变换成我们感兴趣的电信号 通过传感器的变换我们就可以实现间接的对原物理量进行测量 传感器最重要的技术指标之一就是 灵敏度 灵敏度的数值反映了输入的变化量引起输出变化量之 间的函数关系 比如 某加速度传感器的灵敏度为 50mV g 如果我们测量出传感器的输出电压是 500mV 那就说明此时的加速度为 10g 灵敏度还有另外一个作用 它确定最大的测量范围 比如 NI 9234 动态数据采集卡的最大输入范围是 5V 那就意味着如果使用这个传感器最大加速度只能测量到 100g 即便是换一个最大输入范围 10V 的动态数据采集卡也不行 因为传感器的最大输出电压也是 5V 对传感器的要求是灵敏度应该是个常数 温度系数要小 年变化率要小 线性度要好等 能够找到 这样的传感器当然是最好不过了 在实际应用中 对传感器提出过分的要求可能导致工程造价倍增 其实 能够尽可能的满足工程上的需要也就可以了 传感器通常是由第三方设计制造的 目前已经发展成为智能化传感器阶段 所谓智能化就是指采用 IEEE 1451 转换标准接口的传感器 它在传感器内部提供了一个传感器电子数据表 TEDS 可供用 户使用 该表中纪录了传感器制造商的有关信息和传感器的校准数据等信息 NI 许多数据采集卡已经开 始支持对 TEDS 数据的访问功能 这里需要指出的是 无论是传统仪器还是虚拟仪器在测量某些物理量时 同样都需要使用传感器 换句话说 传感器并不是只有虚拟仪器要求必备的 传统仪器同样需要 我们将这部分内容放在这里讨论 是因为 NI 有许多数据采集卡的专用性较强 包含了信号调理部分 特别是 C 系列中的一些数据采集模 块 1 1 2 2 数据采集卡数据采集卡 我们知道 计算机是无法直接识别模拟信号的 来自传感器或其它 要想实现基于计算机的测试 测量必须将模拟信号转换为计算机可识别的数字信号 这个任务通常由模数转换器 ADC 来完成 模 数转换器也就是我们通常说的数据采集卡 NI 公司也是数据采集卡的专业制造商 它提供了品种众多 性能各异的数据采集卡 基本上涵盖了 工程项目中的所有测量应用 同时它与 NI 软件无缝的集成在仪器为虚拟仪器的设计和开发的多样化提供 了最有效的保证 数据采集卡有许多种分类的方式 如按平台 按数据总线 按输入通道数 按模数转换器的位数 按采样速率 按同步或非同步测量 按动态非动态等等 按总线分类有 PCI PCIe PXI PXIe USB WiFi Ethernet 在项目中选择数据采集卡是工程应用中非常重要的基本工作 这里根据我们的经验给出选择时需要 注意的几个基本原则 1 最好选用 NI 的数据采集卡 因为它与 NI 的软件系统是无缝连接的 2 根据测量项目的需求确定总线 或平台 模式 3 根据信号分析的实时性确定是同步还是非同步卡 4 根据信号分析所需的最高频率确定采集卡的采样速率 5 根据测量准确度要求确定数据采集卡的位数 总之 虚拟仪器的构成是多样化和十分灵活的 对数据采集卡更全面 细致的了解是十分必要的 这些更需要在实践中不断进行总结和体会 1 1 2 3 计算机计算机 计算机是虚拟仪器的一个极其重要的组成部分 因为它是虚拟仪器应用程序的运行环境 目前还不 涉及到虚拟仪器的设计开发 通常选择的是商业化的计算机 就目前计算机的发展水平来看 几乎所有的商业计算机完全满足虚拟仪器的运行条件 但是虚拟仪 器应用软件对操作系统平台具有一定的依赖性 所以最好选择 Windows 操作系统 因为 NI 的产品对 Windows 支持的力度是最大的 支持的工具包最多 当然 也应该与你所具备 NI LabVIEW 开发环境相一致 虽然 VI 本身是可以跨平台的 但应用程 序打包时是按 NI LabVIEW 所使用的平台来发布的 也就是说在 Windows 平台下的 NI LabVIEW 是无 法生成 Mac OS 系统下所使用的应用程序 反之亦然 由于操作系统实时性的限制 在实时性要求比较高的情况下最好选择实时操作系统 NI 也提供了这 方面的软件包支持 随着计算机价格的不断下降 性能的不断提高 使我们有了更多的可选择余地 但也要相应的注意 一些可能存在的问题 苹果电脑因为一体机成为主流计算机 所以已经没有了 PCI 插槽 只有服务器版还提供 所以只 适合使用 USB 接口的数据采集卡 但要注意它使用的驱动是 DAQmx base NI DAQmx Base 具有 NI DAQmx 的部分功能 支持 Windows Linux Mac OS X 和 Pocket PC 操作系统 作为仪器控 制应用应该没有太多的限制 笔记本电脑与 cDAQ 及 WiFi 数据采集卡相配合应该更适于现场便携式测量 并且 C 系列模块的功 能相当丰富可选择的余地也大些 上网本如果是使用 Windows 操作系统应该问题不大 更适合与 cDAQ 及 WiFi 数据采集卡相配合 做现场便携式测量 如果是采用其它操作系统的上网本 比如使用谷歌操作系统 目前运行虚拟仪器应用 程序的可能性不大 未见这方面的报道 未来可能 NI 也会在这方面做出一些努力 对于未来我们更期待在苹果公司的 iPad 使用 iPhone OS 运行虚拟仪器应用程序 如果可以支 持多任务 希望 NI 也应该认真考虑对它的支持 未来它是否可以成为更富有吸引力的 WiFi 数据采集便携式平台 真的很令人期待 纵观虚拟仪器构成 其三个组成部分 传感器 数据采集卡 计算机都是可选择采购的部件 这样 就带来了一个比较现实的问题 既然都是买来的那我们究竟要干些什么 获得虚拟仪器有两个渠道 一是按项目要求委托虚拟仪器系统集成商来设计制作 另一个是自己学 习设计开发虚拟仪器 这也是本书中后面所要介绍的重点内容 从这里我们也得到了另外一个启示 通过学习和掌握虚拟仪器设计技术后 使得我们可以更加专心 致志的关注于测量工作本身 同时也会将测量工作按需求安排的更有序 更合理 更快捷 1 1 3 虚拟仪器定义虚拟仪器定义 前面我们介绍了虚拟仪器的概念和构成 但没有给出虚拟仪器的确切的定义 其实到目前为止 对 于虚拟仪器的定义还没有一个完整统一的说法 正因为如此 我们才将这部分内容放到这里来讨论 在 NI 的许多文档中我们都可以看到这样的说法 LabVIEW 程序又称虚拟仪器 即 VI 其外观和 操作均模仿现实仪器 如示波器和万用表 每个 VI 都使用函数从用户界面或其它渠道获取信息输入 然 后将信息显示或传输 至其它文件或计算机 而在清华大学出版社 2008 年出版黄松岭等编著的 虚拟仪器设计基础教程 1 一书中的第 3 1 节中也谈 到 目前对于虚拟仪器的概念还没有统一定义 书中还提到了 NI 公