智能仪器设计基础第10章

1、第十章 智能仪器新发展个人仪器及系统10.1VXI总线仪器 10.2虚拟仪器 10.3网络化仪器 10.4主要内容多传感器数据融合技术在智能仪器中的应用 10.510.1 个人仪器及系统下 页上 页返 回计算机在测量测试领域的应用1982年之前将计算机装入到智能仪器中，对仪器进行控制和管理；在采用通用接口母线的自动测试系统中由计算机充当控制器，管理测试过程。下 页上 页返 回计算机在测量测试领域的应用 20世纪80年代初期插入式仪器组件个人仪器个人仪器系统在个人仪器或个人仪器系统中，标准通用的个人计算机代替了智能仪器中的微计算机和仪器中的人机接口，通过插入式结构把个人计算机和智能仪器的插入式组

2、件相连，共同完成仪器的功能。美国西北仪器系统公司 (Northwest Instrument Systems, NWIS) 1982年研制成功了世界上第一台个人仪器。下 页上 页返 回HP公司在1986年推出一套含有8种常见仪器的个人仪器系统。个人仪器的结构和特点个人仪器发展初期多功能个人仪器系统下 页上 页返 回1986年以后出现的一种个人仪器系统下 页上 页返 回下 页上 页返 回注意尽管个人仪器及个人仪器系统在20世纪80年代曾经风靡一时，但其扩展性和标准化进程等局限阻碍了其进一步发展，目前已经为VXI总线仪器、虚拟仪器和虚拟仪器系统所取代。个人仪器的特点： 低成本高性能 使用方便 研制

3、周期短 个人仪器系统可以实现多种测试功能 可以组建自动测试系统下 页上 页返 回10.2 VXI总线仪器 没有统一的标准，不同厂家的产品互不兼容，用户在组建仪器系统时难以选配不同厂家的产品，影响了仪器技术的进一步发展 1987年4月，由美国的Colorado Data Systems、Hewlett-Packard、Racal、Dana Instruments、 Tektronix和Wavetek等5家著名仪器公司率先在国际上成立了VXI总线联合体(VXIbus Consortium Inc.)，表示用基于当时国际上公认的一种比较完善的开放式计算机总线VMEbus，同时吸取GPIB易于组合的优

4、点，来开发开放式模块化仪器系统的总线标准，并于7月宣布了VXIbus技术规范草案初稿，开创了VXI的新纪元。 VXI总线标准对基于VXI总线的虚拟仪器系统没有提出详细的规范，特别是对系统软件结构几乎没有作任何的规定。1993年9月22日，National Instruments、Genrad、Racal Instruments、Tektronix和Wavetek等5家公司联合成立了VXI即插即用系统联盟(VXI Plug&Play System Alliance，VPP)VPP宗旨是通过制定一系列的VXI仪器软件(系统级)标准来提供一个开放性的系统结构，真正实现VXI仪器总线的即插即用，解决多

5、厂家的VXI系统的易操作性与互操作性问题，并为最终用户提供进行系统维护、支持与再开发的能力。VXIbus总线联合体主要负责VXIbus硬件(即仪器级)标准规范的制订VPP系统联盟主要是通过制订一系列的VXIbus软件(即系统级)标准来提供一个开放的系统结构，使其更容易集成和使用所谓VXIbus标准体系就由这两套标准构成。VXI总线是VMEbus Extension for Instrumentation的缩写，即VME总线在测量仪器领域的扩展。符合VXI总线规范标准的仪器及系统称为VXI总线仪器及VXI总线仪器系统。VXI总线系统具有标准化、通用化、系列化、模块化的显著优点，集测量、计算、通信

6、功能于一体，它不仅继承了GPIB智能仪器和VME总线的特点，还有多功能、高密度、高效率、高性能、模块化等优势。首先是在军事、航空航天、兵器系统，继而在工业上得到了广泛的应用。VXI仪器是一种模块化的卡式仪器，没有传统意义上的操作面板，对VXI仪器的操作需要借助计算机来进行。VXI的主要优点(1) 开放标准。VXI总线是一种真正的开放标准，得到世界上众多仪器生产厂家的支持，用户可以选择不同厂家的仪器模块组建仪器系统。(2) 模块化结构。采用共用电源、消除面板、共用冷却、高密度紧凑的结构设计，有利于减少尺寸。(3) 较高的测试系统吞吐量。采用背板结构，数据传输速率最高可以达到40MB/s，吞吐量大

7、。具有分布性，可以在共享存储器体系结构基础上在背板上安装多个微处理器。可以设定多级优先级别，提供严格的中断处理。(4) 单机箱多模块。VXI仪器系统由传统的“多机箱堆放式”发展成“单机箱多模块式”。具有安装密度高、体积小、重量轻、易于携带等优点。因其外形尺寸小，故可提高被测信号的保真度，能减小仪器与被测装置的引线长度，降低系统噪声和改善屏蔽效果。此外，VXI系统也易于与机架层叠式仪器结构相连。(5) 容易实现系统网络控制。VXI规范定义了仪器系统与计算机网络系统的连接，使仪器系统不仅可以实现本地局域网控制，也可以实现远程广域网控制。VXI总线系统或者其子系统由一个VXIbus主机箱、若干VXI

8、bus器件、一个VXIbus资源管理器和主控制器组成。零槽模块完成系统背板管理，包括提供时钟源和背板总线仲裁等，也可以同时具有其他的仪器功能。资源管理器在系统上电或者复位时对系统进行配置，以使系统用户能够从一个确定的状态开始系统操作。在系统正常工作后，资源管理器就不再起作用。VXI资源管理器实际上是一个软件模块，它可以装在VXI模块或者外部计算机上，与0槽模块一起进行系统中每个模块的识别、逻辑地址的分配、内存配置、并用字符串协议建立命令者/从者之间的层次体制。主机箱容纳VXIbus仪器，并为其提供通信背板、供电和冷却。一、VXI总线系统的机械结构VXIbus系统的最小物理单元是组件模块，由带电

9、子元件和连接器的组件板、前面板和任选的屏蔽壳组成。VXI规范定义了四种尺寸的VXI模块，参见图所示。较小的尺寸A和B是VMEbus模块定义的尺寸，较大的C和D尺寸模块是为高性能仪器所定义的，它们增大了模块间距，以便对包含用于高性能测量场合的敏感电路的模块进行完全屏蔽。每个模块都必须有规定的边沿导轨机构，以便能顺利插入机箱。A、B尺寸主机箱的插槽间距为20.32mm，C、D尺寸则为30.48 mm。一个机箱最多有13个槽位，其中0号槽比较特殊，位于机箱的最左边或最底部。一个模块一般占一个槽位，但VXI系统允许设计和使用多槽位的更厚的模块。组件模块的机械载体是主机箱。与模块尺寸类型相适应，主机箱也

10、有A、B、C、D四种尺寸可供选择。模块的互连载体是主机箱的背板，背板与模块之间通过总线连接器衔接。VXIbus系统允许较大尺寸机箱使用较小尺寸模块，但必须有附加的安装装置。典型的VXI标准机箱（D尺寸）VXI系统的全部总线都印制在主机箱内的背板上，并通过P1、P2、P3连接器与各模块连接。其中，P1是各种尺寸模块都必须配备的，B、C尺寸模块可选择使用P2，D尺寸模块可P2，也可以选择P3。模块和板上的连接器都是96引脚，分成A、B、C三行，每行32个引脚。VXI总线标准和VME总线标准对P1连接器引脚的定义相同，VME总线标准只定义了P2连接器的9排32个引脚，而VXI总线标准定义了P2、P3

11、连接器的全部引脚。VXI主机箱也为系统提供仪器工作所要求的公用电源、冷却和电磁屏蔽环境条件。二、VXI总线系统的总线结构VXIbus完全支持32位VME计算机总线，并在此基础上增加了用于模拟供电和ECL供电的额外电源线、用于测量同步和触发的仪器总线、模拟相加总线以及用于模块之间通信的本地总线，以适应高速高性能仪器组件模块的需要。 VXI总线系统所涉及的总线有：VME计算机总线，时钟和同步总线，模块识别线 (MODID)，触发总线，本地总线(Local Bus, LBUS)，模拟加法总线(SUMBUS) 等VXI总线系统结构 (1) VME计算机总线。包括数据传输总线(Data Transfer

12、 Bus, DTB)、DTB仲裁总线(Data Transfer Bus Arbitration)、优先级中断线(Priority Interrupt Bus)、公用总线(Priority Nierrupt Bus)。(2) 时钟和同步总线。包括一个通过连接器P2提供的10MHz时钟的CLK10，一个通过连接器P3提供的100MHz时钟CLK100，以及一个位于连接器P3上与CLK100上升沿同步的同步信号SYNC100。这三个信号都是从0槽模块发出的。其中，CLK10时钟线用于模块之间的精确同步，CLK100和SYNC100用于系统中更高精度的定时和触发。从0槽总线传至任何槽的绝对延迟时间不

13、超过8ns。(3) 模块识别线 (MODID)。用于检测特定位置上的模块存在与否，或者识别一个特定器件的物理槽位。这些线自0号槽分别送至1号槽至12号槽。系统自动配置时必须用到MODID线。(4) 触发总线。为适应仪器的触发、定时和消息传递的要求，VXI总线系统增加了三种触发线，分别是TTL、ECL和星型触发线。TTL触发线共8条，即TTLTRG0TTLTRG7，是一组用于模块间通信的、集电极开路的TTL信号线，分布在P2连接器上。包括0号槽在内所有模块都可以驱动这些线或者从这些线上接受信息。这是一组通用线，可用于触发、挂钩、时钟或逻辑状态的传送。数据传输速率最高可达125Mb/s。VXIbu

14、s规范定义了同步触发、时钟传送、数据传送、启/停和外部触发缓冲7种标准工作方式。ECL触发线共6条，即ECLTRG0-ECLTRG5，同TTL触发线一样，是一组用于模块之间通信和定时的信号线，但具有更高的工作速度。分布在P2、P3连接器上。VXIbus规范定义了7种跟TTL触发线类似的标准工作方式。星型触发总线STARX和STARY分布在P3连接器上，用于模块间的异步通信。两条STAR线连接在各模块插槽和0号槽之间。0号槽可提供一个交叉矩阵开关，通过对该开关进行编程可以确定任何两根STARX和STARY线之间的信号路径。(5) 本地总线(Local Bus, LBUS)。采用菊花链路连接，分布

15、在P2和P3连接器上，是一条专用的相邻模块间通信总线。本地总线可以为不同模块提供不同的通信方式，数据传输速率可分别高达250Mb/s和1Gb/s。VXI规范规定了使用LBUS传送TTL、ECL、模拟低、模拟中和模拟高五种信号的标准。(6) 模拟加法总线(SUMBUS)。是VXIbus系统背板上的一条模拟相加接点。每个模块都可以用一个模拟电流源驱动器来驱动这条线，或者通过一个高阻接收器如一个高阻抗模拟放大器接收来自该总线的信息。此外，VXIbus系统的电源可为每个仪器模块提供268W的功率，通过VXI背板提供7种不同的电压。+5V、12V是VME标准规定的，其余4种电压是VXI规范增加的，其中，

16、24V是为模拟电路设计的，-5.2V和-2V是为高速ECL电路设计的。三、VXI总线系统的电磁兼容、冷却和电源VXIbus总线标准规定了系统传导及辐射电磁兼容(EMC)产生和敏感度的上限值。EMC的限定保证了包含敏感电路的模块具有各自的灵敏度且互不干扰。在VXI系统中，必须采用严格的方法确保环境的冷却性以使系统正常工作。每个仪器模块的功率消耗、空气流量以及机柜空间和冷却能力都必须考虑。VXI总线的电源特性为用户组建VXI系统提供了方便，每种供电电压都提供了一个峰值DC电源输出值和一个峰值动态电流输出值，以便用户在选择模块时对电压和电流的要求与机箱进行对比。动态电流特性确保了被选择的模块不会在机

17、箱的供电线路上产生超过其他模块可以承受的波纹噪声。为了方便系统集成，VXIbus规范要求机箱制造商和模块制造商在其产品规范中给出机箱供电和冷却能力以及模块的电源需求和冷却指标。系统集成者可以根据这些指标选择合适的机箱和模块。四、VXI总线系统的器件器件是VXIbus系统的基本逻辑单元通常，一个器件占有一个模块，但也允许有多个模块器件或多器件模块存在一个VXI子系统最多可有256个器件每个器件必须具有0255(00FFH)中惟一的逻辑地址静态组态器件、动态组态器件与逻辑地址一一对应，每个VXI器件都有一块64字节的标准组态/操作寄存器器件之间的基本操作是信息传输VXI器件根据通信能力可分为寄存器

18、器件、存储器器件、消息器件和扩展器件四类VXIbus器件间的通信是基于一种器件的分层关系进行的，即相互通信的两个器件，一个是命令者，一个是响应者或从者命令者启动一次命令或数据的传递，是VXIbus命令的发出者，属消息型器件从者只能响应命令者启动的数据传递，并以事件状态响应VXIbus命令，从者通常是寄存器器件或存储器器件，某些消息器件(如智能仪器)也可能充当从者五、VXI总线系统的通信VXIbus系统的通信分为若干层次，由器件的不同硬件和软件提供支持 VXIbus总线规范定义了几种器件类型和通信协议，但是却没有规定VXIbus主机箱和器件的控制方式，以便厂商可以灵活定义并与高速发展的计算机技术

19、同步VXI总线系统的通信层次 六、VXI总线系统的总线控制VXI总线控制器可分为嵌入式和外挂式两类，而外挂式控制器又有很多不同的方案可供选择，常用的有GPIB总线控制器、MXI总线控制器和IEEE1394串行总线控制器等 嵌入式VXI控制器就是在VXI机箱的0槽内插入直接与背板相连的嵌入式计算机，由计算机直接驱动VXI总线。这种配置方式的物理尺寸最小，而且嵌入式控制器能够直接访问VXIbus背板信号，并直接读写VXIbus器件的寄存器，因此具有最高的数据传输性能外挂式控制器是一种比较灵活而且性能价格比很高的控制方案，得到了十分广泛的应用。采用这种方式，计算机不直接驱动VXI总线，而是驱动适于通

20、信传输的总线形式，间接驱动VXI总线。通信总线的一端提供总线适配器连接到计算机的扩展槽，另一端连到VXI机箱的0槽控制器上连接计算机和VXI总线的通信总线最为常用的有GPIB总线、MXI总线和IEEE1394串行总线等。GPIB总线方式是将配置有GPIB接口板的计算机通过GPI电缆与VXI主机箱相连，主机箱的0槽插入GPIB-VXI/C模块。这种方式的优点是可以充分利用已有的GPIB仪器及其系统，但由于要在GPIB协议和VXI协议之间进行转换，使得系统随机读写速度严重下降。MXI总线是一种柔性电缆相连的高速并行通信总线。 采用高速MXI总线将外部计算机接入VXI背板总线，使外部计算机可以像嵌入

21、式计算机一样直接控制VXI总线上的仪器模块。既有外挂式的灵活性，又可将计算机安置在VXI主机箱外的其他地方，还便于控制机升级和多机箱扩展。IEEE1394是一种通用串行总线，最初由Apple公司提出并命名为FireWire(火线)。IEEE1394总线具有高速率、开放式标准、即插即用、支持热拔插、拓扑结构灵活、同时支持同步和异步两种数据传输模式等优点，在众多领域特别是数字成像领域得到的广泛应用。采用VXI-1394连接方式，可以在VXI仪器与计算机之间建立高速、不间断的连接，而且在IEEE1394总线上可以串级使用4个设备而不会引起性能的下降。虚拟仪器(Virtual Instrument，V

22、I)是20世纪80年代提出的新概念，是现代计算机技术和仪器技术以及其他新技术深层次结合的产物1986年，美国国家仪器公司(National Instrument, NI)首先提出了“软件就是仪器”的概念新的检测理念、新的仪器结构、新的检测方法、新的开发手段，使测量仪器的功能和作用也发生了质的变化电子测量与自动测试领域的一次技术飞跃通过各种与测量技术相关的软硬件与通用计算机相结合，用以代替传统概念的仪器设备，或利用软硬件与传统仪器设备相连接，通过通信方式采集、分析、显示数据，监视和控制测试过程、生产过程等10.3 虚拟仪器 虚拟仪器就是在通用计算机为核心的硬件基础上，由用户设计定义，具有虚拟面板

23、、测试功能，由测试软件实现的一种计算机仪器系统。它利用计算机显示器模拟传统仪器的控制面板，通过I/O接口设备完成信号的采集与测量，使用软件对检测信号进行数据运算、分析和处理，并以多种形式表示和输出检测结果，从而实现测试测量功能。用户通过鼠标单击虚拟模板上的按钮进行操作，如同使用一台专用的电子测量仪器。简单地说，虚拟仪器就是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、自己定义的仪器，或者也可以说虚拟仪器就是一种概念性仪器。虚拟仪器通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。仪器模块的功能主要靠软件实现，通过编程在显示屏上构成波形发生器、示波器或数字万用表等传统仪器的软面板，而波形发生器发生的波形、频率、

24、占空比、幅值、偏置等，或者示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号(沿口、电平、类型)等都可用鼠标或按键进行设置，如同常规仪器一样使用，不过，虚拟仪器具有更强的分析处理能力。计算机在虚拟仪器中处于核心地位，仪器的各种功能和面板控件均由计算机软件来完成，任何一个用户均可以在现有硬件条件下通过修改软件来改变仪器的功能软件是虚拟仪器的关键，“软件就是仪器”虚拟仪器的特点 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；允许用户根据需要通过软件自定义仪器的功能，而不是事先由厂商定义好的；仪器功能的改进和扩展只需通过相关软件设计更新，而无需购买新的仪器设备；研制周期较传统仪器大

25、为缩短；功能强大，有更高的数据采集速率、测量准确度、精度以及更好的信号隔离功能；具有更大的灵活性和开放性，可与计算机同步发展，可与网络及周边设备互联；硬件扩展非常便捷，可以利用计算机插入式硬件以及网络化硬件；性价比高，可以大幅降低资金投入、系统开发成本和系统维护成本；操作性强，仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面；良好的便携性，可以在笔记本电脑上运行虚拟仪器系统构成的基本框图 虚拟仪器的硬件结构 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件虚拟仪器的计算机硬件平台可以是各种类型的计算机.计算机管理虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。虚拟仪器的测控功能硬

26、件主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换，具体测量仪器硬件模块是指各种传感器、信号调理器、A/D转换器(ADC)、D/A转换器(DAC)、数据采集卡，同时还包括外置测试设备。按照接口硬件的不同可以分为GPIB、VXI、PXI和DAQ等标准接口总线。虚拟仪器的软件结构 根据VPP系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构从底层到顶层包括三部分：VISA库、仪器驱动程序和应用软件 VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture，虚拟仪器软件体系结构)的实质是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。通常，这个I/O函数库被称作VISA库。它驻留在计算

27、机系统中，实现仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接。VISA能够适应不同的处理器结构，如单处理器结构、多处理器结构及分布式网络系统结构等，并独立于操作系统、编程语言及网络机制，可以实现仪器系统的兼容性。在VISA中，仪器类型的不同体现在资源名称的不同上，而对用户而言，不同类型仪器的使用在形式和方法上都是一样的。VISA实现了各种库的统一，是一组函数集，通过它可以直接访问计算机的硬件设备。VISA本身不具有编程的能力，只是一个应用软件的开发接口，为仪器驱动程序开发提供了可调用的函数集。I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作、对

28、VXI总线背板与器件作测试与控制、并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放统一的虚拟仪器系统的基础与核心。VPP系统规范详细规定了虚拟仪器系统I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器系统I/O接口软件定义为VISA。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集，是连接上层应用程序和底层I/O接口软件的纽带和桥梁。通常，生产厂家都为其仪器模块或设备提供了设备驱动程序。用户可在此基础上编写适合自己的应用程序。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序。应用软件是建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供友好的操作界面、丰富的数据分析与处

29、理功能来完成测试任务。 目前，主要有两类虚拟仪器系统的应用软件开发环境： (1) 通用编程语言的开发环境，如VC、VB、JAVA、Delphi等。这些软件都为用户提供了图形化的开发环境，但大都缺少针对虚拟仪器的专用类库。(2) 虚拟仪器专用软件开发平台，如LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。为用户提供了丰富的软件包，其中包含了大量的可重用的函数库、过程程序包、宏、类、库等，使得用户的开发更为容易。几乎所有用于测量、控制和通信模块的代码均已具备，供用户随时调用。 虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI，HP公司的VEE等

30、LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (实验室虚拟仪器集成环境)的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的面向虚拟仪器的图形化软件集成开发环境 LABVIEW的特点(1) 图形化编程环境。LabVIEW采用图形化编程语言，尽可能利用了技术人员所熟悉的术语、图标和概念。在开发过程中，设计人员基本上很少编写代码，更多的是采用图形化符号。(2) 功能强大的函数库。LabVIEW提供了数百个用于I/O、控制、分析和数据显示的内置函数，用户可以直接调用这些函数，大大提高了效率。(3) 内置32位程序编译器。保证用户数据采

31、集及测试方案能高效执行，此外，可以利用LabVIEW生成可脱离LabVIEW环境独立运行的可执行文件。(4) 灵活的程序调试手段。可以通过设置断点、单步运行、高亮执行及设置探针等调试手段来检查程序中的错误。(5) 开放式的开发平台。LabVIEW提供了大量与外部代码或应用程序进行链接的机制，如动态链接库、动态数据交换、ActiveX控件等。(6) 适用于多种操作系统。LabVIEW提供了对Windows、UNIX、Linux、Mac OS等操作系统的支持，并且在不同平台开发的LabVIEW应用程序可以直接移植。(7) 强大的网络功能。LabVIEW支持常用的网络协议，方便用户构建各种网络、远程

32、虚拟仪器系统。(8) 同传统编程语言相比，LabVIEW可以节省大约80的程序开发时间，但其运行速度几乎不受影响。使用LabVIEW开发的程序称为虚拟仪器VI，以.VI为后缀。LabVIEW通过应用库函数来处理用户界面的输入，VI是LabVIEW的基本程序单位。结构简单的测试任务可由一个VI来完成，复杂任务由多个VI实现，通过VI之间的层次调用结构来完成，高层的VI可以调用一个或多个低层的特殊功能的VI。VI包括三部分：程序前面板(Front Panel)、框图程序(Block Diagram)和图标/连接器(Icon/Connector)。虚拟仪器的发展与应用虚拟仪器经历了由模拟仪器、带GP

33、IB接口的智能化仪器到全部可编程虚拟仪器的发展历程虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，可大致分为四个阶段：(1) 初级虚拟仪器(2) 开放式的虚拟仪器构成 (3) 虚拟仪器框架 (4) 网络化虚拟仪器虚拟仪器是最新的计算机技术、先进的测试技术(如VXI/PXI功能模块仪器)和强大的软件包等多种技术的大集成。虚拟仪器在测量和控制方面具有无以伦比的强大功能和灵活性，可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、农业工程、教学及科研等诸多方面。国际上从1988年开始陆续问世虚拟仪器的产品，当时有五家公司推出3

34、0种产品，此后成倍增加，到1994年年底，虚拟仪器生成厂家就达到95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿美元的4%。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国，拥有许多著名的大公司。我国对虚拟仪器的研究起步于1984年，如东方振动和噪声技术研究所于1985年提出了PC卡泰(PCCATAI)微机式采集测试分析仪的概念。目前，国内一些高等院校和科研单位如重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等以及中科泛华等80余家公司在从事虚拟仪器技术和产品的研制与开发，同时在引进消化NI、HP等公司的产品方面也做了一系列有益的工作，并取得了一批成果。虚拟仪

35、器技术的发展前沿和重点硬件方面的小型化、智能化、多样化，以及各种标准的、功能更强的、面向行业应用的虚拟仪器专用硬件模块；软件方面的标准化、模块化、专业化、系列化和网络化；智能虚拟仪器系统的研究与开发；各种嵌入式虚拟仪器系统的研发；网络化虚拟仪器系统的开发与应用；新概念仪器的提出及实现等10.4网络化仪器最初诞生的智能测控系统是以单片机、PC机、工控机为核心的多个分散单元的集合体当总线出现以后，一般借助S-100或PC机总线形成测控系统集散控制系统(TDCS)基于LAN的TDCS系统现场总线与智能化测控仪器的连接构成测控网络20世纪90年代以来，计算机网络的高速发展的启发：接入Internet的

36、不应仅限于狭义上的计算机，工业中的各种测量控制装置、生活中的各种家用电器、社会不同领域不同层面的各种公众设备等，都应该且必将成为Internet的客户端。网络技术和计算机总线技术的发展，测控任务的复杂化，远程监测任务等迫切需求，促进了测控仪器向网络化的方向快速发展。网络化仪器的概念是对传统测量仪器概念的突破，是虚拟仪器与网络技术相结合的产物网络化仪器包括基于计算机总线技术的分布式测控仪器、基于Internet/Intranet的虚拟仪器、嵌入式Internet的网络化仪器、基于IEEE1451标准的智能传感系统以及基于无线通讯网络的网络化仪器系统等。在智能交通、信息家电、家庭自动化、工业自动化

37、、环境监测及远程医疗等众多领域得到越来越广泛的应用。网络化仪器是电工电子、计算机软硬件以及网络、通信等多方面技术的有机组合体，以智能化、网络化、交互性为特征，结构比较复杂，多采用体系结构来表示其总体框架和系统特点。网络化仪器的体系结构，包括基本网络系统硬件、应用软件和各种协议。可以组建多种形式的测试系统，如单用户测试系统、多用户测试系统、局域网测试系统、远程测试系统、无线网络测试系统等。基于Web的虚拟仪器 是虚拟仪器技术的延伸与扩展虚拟仪器把传统仪器的前面板移植到普通计算机上，利用计算机的资源处理相关的测试需求；而基于Web的虚拟仪器则更进一步，它是把仪器的前面板移植到Web页面上，通过We

38、b服务器处理相关的测试需求。基于Web的虚拟仪器软件技术包括ActiveX技术、DataSocket服务器和Web服务器。ActiveX是由Microsoft公司定义并发布的一种开放性标准。DataSocket是NI提供的一种编程工具，用于在不同的应用程序和数据源之间共享数据。Web服务器支持标准的HTTP协议，可以使虚拟仪器的前面板显现在浏览器中，可实现对虚拟仪器的远程交互式访问。支持SMTP，可使虚拟仪器中消息和文件的发送可以邮件方式进行。支持FTP，可以实现文件的自动上传下载。通过HTTP协议远程访问和控制测量仪器系统，可以进行远程故障诊断、修复和监控测试等。例如，基于Internet的

39、分布式虚拟实验室（Virtual Lab，VLab）将完成远程医疗、虚拟太空测试实验、虚拟海底测试实验，也将为测控仪器的设计与使用带来许多意想不到的新思路。虚拟实验室是近几年随着Internet的迅速发展而提出来的，人们希望通过虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术来操作和控制远程实验室内的科学仪器。嵌入式Internet的网络化智能传感器 传统传感器的数字化、智能化和标准化智能传感器带有标准数字总线接口，能够自己管理自己，将所检测到的信号经过变换处理后，以数字量的形式通过现场总线与上位机进行通信。所谓智能传感器，就是指带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器的

40、最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。智能传感器的主要功能：（1）具有自校准、自标定、自校正功能；（2）具有自动补偿功能；（3）具有自动采集数据并进行预处理的功能；（4）能够自动检验、自选量程、自寻故障；（5）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能；（6）具有双向通信、标准化数字输出或符号输出功能；（7）具有判断、决策处理功能；（8）具有组态功能，可设置多种模块化的硬件和软件，完成不同的测量功能。智能传感器的主要特点： 高精度、宽量程、多功能、强自适应性、高可靠性与稳定性、高信噪比、高灵敏度和分辨能力等智能传感器的发展方向：单片集成化、网络化、系统化、高精度

41、、多功能、高可靠性与安全性。“单片传感器解决方案”(Sensor Solution On Chip，SSOC)智能微尘(Smart Micro Dust)，一种具有电脑功能的超微型传感器虚拟传感器，基于软件开发而成的智能传感器网络传感器，是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器是在智能传感器的基础上实现网络化和信息化，其核心是使传感器本身实现TCP/IP网络通信协议。将TCP/IP协议嵌入到智能化传感器中可以通过软件方式或硬件方式，目前已有多种嵌入式的TCP/IP芯片(如美国Seiko Instruments公司生产的i

42、chip S7600A芯片)，它们可直接用作网络接口，实现嵌入式Internet的网络化仪器。目前，智能传感器连入Internet的方式主要有两种：一是直接在智能传感器上实现TCP/IP协议，使之直接连入Internet；二是智能传感器通过公共的TCP/IP转接口(或称网关Gateway)与Internet相连。IEEE1451网络化智能传感器标准 基于现场总线的测控系统存在如下不足：(1) 各种总线标准协议格式不同，相互之间互不兼容，不利于系统的扩展与维护； (2) 对传感器/执行器的生产厂家而言，既要花费很大精力了解和熟悉这些标准，同时又要在硬件的接口上符合每一种标准的要求，这无疑将增加制

43、造商的成本；(3) 对于系统集成开发商而言，必须提供符合相应标准规范的产品，选择合适的生产厂家提供的传感器/执行器使之与系统相匹配；(4) 对于用户而言，扩展系统功能的需求在很多情况下很难得到满足，因为智能传感器/执行器的大多数厂家都无法提供满足各种网络协议要求的产品，如果更新系统，又将给用户的投资利益带来很大的损失。IEEE组织制定并通过了智能网络化传感器接口内部标准和软硬件结构标准，即IEEE1451标准。IEEE1451标准的目的是开发一种软硬件的连接方案，将智能变送器连接到网络或者用以支持现有的各种网络技术，包括各种现场总线及Internet/Intranet。通过定义一整套通用的通信

44、接口，使变送器在现场级采用有线或无线的方式实现网络连接，大大简化由变送器构成的各种网络控制系统，解决不同网络之间的兼容性问题，并能够最终实现各个厂家产品的互换性与互操作性。IEEE1451是一个连接传感器和用户的系列标准，所有的IEEE1451系列标准都能单独或相互使用。IEEE1451变送器接口包括点对点接口UART/RS-232/RS-422/ RS-485/(IEEE P1451.2子标准)、多点分布式接口（IEEE 1451.3标准、家庭电话线联盟通信协议）、数字和模拟信号混合模式接口（IEEE1451.4子标准，1-wire通信协议）、蓝牙/802.11/802.15.4无线接口（I

45、EEE P1451.5标准），CAN总线使用的接口（IEEE P1451.6子标准，用于本质安全系统CANopen协议）、USB接口（IEEE P1451.7标准，通用串行总线协议），以及将来制定子标准定义的接口。标准代号中的字母“P”（Proposed）表示该标准目前的状态是提议标准，还没有颁布和执行。IEEE1451智能变送器标准体系 IEEE1451标准的主要技术特征：(1)变送器接口与网络和厂商无关；(2)定义了TEDS(Transducer Electronic Data Sheet，变送器电子数据表)；(3)支持变送器数据、控制、时序、配置和校正的通用模型；(4)“即插即用”的功能

46、；(5)以最小的代价安装、升级和维护变送器；(6)在世界上任意地点的主机系统和网络可以以有线或无线的方式无缝获得数据和信息。10.5 多传感器数据融合技术在智能仪器中的应用多传感器数据融合(Multi-sensor Data Fusion)是20世纪70年代初期提出的，军事应用是其诞生的源泉。1973年，美国研究机构就在国防部资助下开展了声纳信号解释系统的研究，后来，美国又投入大量人力、财力相继研究开发了几十个军用信息融合系统。在早期开发的系统中，最典型的是战场管理和目标检测系统(BETA)，它的开发进一步证实了信息融合的可行性和有效性。80年代，美国在战略和战术监视系统的开发中采用信息融合技术进行目标跟踪、目标识别、态势评估和威胁估计，并研制出已广泛应用于大型战略系统、海洋监视系统和小型战术系统的第一代信息融合系统。20世纪80年代以来，发达国家相继开始了相应研究，数据融合也由此发展称为一项专门的技术。目前，在C3I(Command, Control, Communication and Intelligence)系统中都在采用多传感器数据融合技术，在工业测量、机器人、空中交通管制、海洋监视和管理等领域也朝着这一方向发展。多传感