虚拟仪器技术现状及发展趋势1.doc

虚拟仪器技术现状及发展趋势摘 要随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，美商国家仪器公司(Ni公司)于八十年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器在各个领域中的应用越来越广泛，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。通过本文的论述，我们可以预见虚拟仪器在未来的测试领域中必然会有很好的发展前景。关键词：虚拟仪器；测试；采集硬件。目 录引 言1第一章 虚拟仪器概述21.1仪器的发展21.1.1仪器的发展21.1.2 虚拟仪器的发展21.2虚拟仪器的分类21.3 与传统仪器的比较3第二章 虚拟仪器硬件42.1 传感器及信号调理42.1.1放大42.1.2 滤波与平滑42.1.3 隔离42.2 DAQ板卡52.2.1模拟量输入52.2.2 模拟量输出52.2.3 数字I/O52.2.4 定时I/O5第三章 虚拟仪器组成63.1 高效的软件63.1.1 概述63.1.2 LabVIEW简介63.2模块化的I/O硬件63.2.1 概述63.2.2 DAQ板卡73.3 用于集成的软硬件平台7第四章 虚拟仪器特点84.184.284.384.48第五章 虚拟仪器的现状及发展趋势95.1国外发展情况95.2 国内发展情况95.3虚拟仪器的展望9结束语10致谢10参考文献1112引 言由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子工业测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断涌现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念。虚拟仪器就是其中的一种，虚拟仪器是基于通用PC建立的可编程仪器及仪器系统，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。在虚拟仪器中，硬件仅仅是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个仪器的关键。用户可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。现在虚拟仪器已得到了广泛应用，并成为当前国内外测试技术领域十分关注的技术热点。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。本文从虚拟仪器的起源、发展入手，简单介绍了虚拟仪器的概念、分类、硬件、组成、特点、现状及发展趋势等方面。第一章 虚拟仪器概述1.1仪器的发展1.1.1仪器的发展随着电子技术的发展，仪器的发展经历了四个时期:。 第一代仪器：模拟仪器如指针式万用表，基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。 第二代仪器：数字化仪器如数字电压表，将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出结果。 第三代仪器：智能仪器智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动。 第四代仪器：虚拟仪器虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。 1.1.2 虚拟仪器的发展虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代， PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。根据虚拟仪器的发展过程，截至目前，可以将它分成四个发展阶段。第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。 第二阶段，开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡 ( plug-in PC-DAQ )；二是VXI仪器总线标准的确立。第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。1.2虚拟仪器的分类根据虚拟仪器的发展、微机技术的发展和采用总线方式的不同，可将虚拟仪器分成五种类型，它们分别是：1) 采用PC总线技术的插卡型虚拟仪器这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合，通过三种编程语言Visual C+,Visual Basic,Labviews/cvi构成测试系统。2) 采用并行口式的虚拟仪器仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。3) 采用GBIB总线方式的虚拟仪器GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。4) 采用VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽5) 采用PXI总线方式虚拟仪器PXI总线方式是PCI总线内核技术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技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。1.3 与传统仪器的比较将虚拟仪器和传统仪器进行比较，可以得到如下表所示的比较结果。 表11 传统仪器与虚拟仪器的比较传统仪器虚拟仪器关键是硬件关键是软件开发与维护的费用高开发与维护的费用低技术更新周期长（510年）技术更新周期短(0.51年)价格高价格低，并且可重用性与可配置性强厂商定义仪器功能用户定义功能系统封闭、固定系统开放、灵活,与计算机的进步同步只可连接有线的设备可用网络联络周边仪器功能单一、操作不便自动化、智能化、远距离传输第二章 虚拟仪器的组成2.1 高效的软件2.1.1 概述软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。NI公司提供的行业标准图形化编程软件LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。2.1.2 LabVIEW简介LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Wokbench实验室虚拟仪器工程平台)的概念,是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合,是构建虚拟仪器的理想工具。LabVIEW和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作, 是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境。LabVIEW集成了很多仪器硬件库,如GPIB/VXI/PXI/基于计算机的仪器、RS232/485协议、插入式数据采集、模拟/数字/计数器/、信号调理、分布式数据采集、图像获取和机器视觉、运动控制、PLC/数据日志等。与传统的编程方式相比,使用LabVIEW设计虚拟仪器,可以提高效率410倍。同时,利用其模块化和递归方式,用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。2.2模块化的I/O硬件2.2.1 概述从虚拟仪器的定义来说，它更多地强调软件在仪器中的应用，但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过硬件来实现。目前，虚拟仪器的类型主要取决于仪器所采用的接口总线类型。从仪器与计算机采用的总线连接方式的不同，可分为内插卡式和外接机箱式两大类。内插卡式就是将各种数据采集卡插入计算机扩展槽，再加上必要的连接电缆或探头，就可形成一个仪器。外接机箱式采用背板总线结构，所有仪器都连接在总线上或采用外总线方式，用外部主控计算机来实现控制。这种类型的虚拟仪器以VXI仪器为典型代表。无论哪种虚拟仪器，都离不开数据采集硬件的支持。面对如今日益复杂的测试测量应用，已经提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394总线，都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。2.2.2 DAQ板卡通常一块DAQ卡可以完成多种功能，包括A/D、D/A转换，数字输入输出以及定时I/O等。2.3 用于集成的软硬件平台NI公司首先提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，用户就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，都能应付自如。不同的测试任务对测试系统有不同的要求，一种虚拟仪器测试系统不可能涵盖整个社会对测量的要求。对虚拟仪器测试系统的发展应该有一个客观的认识。基于PCI总线的虚拟仪器测试系统通常适用于低频低速的过程测控系统、教学实验和实验室常规测试。基于PXI总线的虚拟仪器测试系统由于电磁兼容性能及冷却性能的改善和模块式结构可用在一般要求的自动测试系统场合和系统总价格有所限制的自动测试系统。第三章 虚拟仪器特点同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：3.1 硬件资源强大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，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。3.2、扩展性强NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于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整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。3.3、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、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架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，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。3.4、无缝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地趋于复杂，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，帮助我们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。第四章 虚拟仪器的发展现状与展望4.1国外发展情况国外虚拟仪器技术自上世纪80年代由美国NI 公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发平台，但最早和最具影响力的还是NI 公司的图形化开发平台LabVIEW。虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。美国是虚拟仪器的诞生地，目前也是全球最大的虚拟仪器制造国。4.2 国内发展情况 国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化NI 的产品开始。国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，列入为 “十五”期间优先资助领域。目前有些研究已取得可喜成绩，如863项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”，所研制的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的技术。这项成果表明我国在虚拟仪器方面走出一条自主创新的路子。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的USB通用串行总线和IEEE 1394总线（即Firewire，也叫做火线）。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。4.3虚拟仪器的展望 虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活，它已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、机械建筑工程、铁路交通、生物医疗、教学及科研等方面。 随着计算机软硬件技术、通信技术及网络技术的发展，给虚拟仪器的发展提供了广阔的天地，国内外仪器界正看中这块大市场。测控仪器将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展。开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。虚拟仪器作为教学的新手段，已慢慢地走进了电子技术的课堂和实验室，改变着电子技术教学的传统模式。在电工电子实验室的建设中，如果配置常规仪器、仪表，学校财力难以支付，也不符合目前学校的实际。而且，随着发展趋势，传统测试仪器渐渐有被取代的趋势。如果运用虚拟仪器技术，不但满足电工电子实验教学的需要，而且将这批微机可作为其他有关计算机课程教学用机，提高设备利用率，降低实验室建没的成本。当前应该解决的是如何使虚拟仪器和现有仪器配合，达到逐步淘汰和取代传统仪器的目的。随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展： (1) 外挂式虚拟仪器 PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的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，故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。 (2) PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统 PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。 (3) 网络化虚拟仪器 尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN(Measurement and Control Networks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。此外，手持式、更轻便的小型化的嵌入式PC及掌上电脑与DSP、AD/DA、LED、调理放大、电子盘加软件组合的一体机也是一个未来发展方向，它使虚拟仪器更方便地深入到测试现场。4.4未来的虚拟仪器技术虚拟仪器从概念诞生到现在，不过20年的历史。国际上从1988年开始陆续有虚拟产品面市，当时有五家制造商推出30种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达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76亿美元的4。据预测，21世纪前10年，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达数千种，市场潜力巨大。同时，我们能够看到欧美，特别是美国企业在虚拟仪器开发平台上处于垄断地位，在市场上的状况也同样如此。可以预见，未来的这种连通水平将会更高，届时将赋予模块化新的定义。随着网际网络和无线技术的不断发展，工程师们不仅能够重新使用模块化的组成部分，还可以更方便地在全球范围内共享知识和经验巩固开发过程每个阶段工程师们的努力成果。 商业科技的发展浪潮将会继续，同时也将虚拟仪器技术推向新的领域。因此，性能的提高将节省宝贵的开发及系统整合时间，同时又比传统仪器测量方案成倍降低成本。没有人能够准确地预测未来的虚拟仪器将会发展到怎样的程度，但可以肯定的是PC与其相关的科技将会是虚拟仪器技术的核心。虚拟仪器的崛起是测试仪器技术的一次“革命”，是仪器领域的一个新的里程碑 ，它使现代测控系统更灵活、更紧凑、更经济、功能更强。无论是测量、测试、计量或是工业过程控制和分析处理 ，还是涉及其它更为广泛的测控领域，选用虚拟仪器都是理想的解决方案。随着电子技术、计算机技术、网络技术等相关技术的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。参考文献1 陈敏：虚拟仪器软件LabVIEW在仪器控制中的应用，宇航计测技术，1999 第一期2 李铁军,李学武,高育鹏：虚拟仪器技术及其在数据采集中的应用，现代电子技术，2005 第九期3 黄吉涛,周伦彬,马博群：虚拟仪器在计量测试中的应用，中国测试技术，2008 第三期4 杨乐平等：LabVIEW程序设计与应用，电子工业出版社，2001年7月5 美国国家仪器（ NI）有限）公司:虚拟仪器（白皮书）6 美国国家仪器（ NI）有限）公司: LabVIEW7 Express 评估版使用指南，2003年4月7 路林吉 饶家明：虚拟仪器讲座，信息技术，2000年8 赵会兵：虚拟仪器技术规范与系统集成，清华大学出版社、北方交通大学出版社，2003年8月9 李风国: PXI与VXI总线的选择,北京鹏搏达虚拟仪器技术公司10 彭云辉等：VXI总线与虚拟仪器技术，电子技术应用，2003年11 杨乐平等：LabVIEW程序设计与应用，电子工业出版社，2001年7月12 马西秦： 自动检测技术第三版，机械工业出版社，2008年9月13 严钟豪 谭祖根：非电量电测技术M，北京：机械出版社，2004年14 陕西海泰电子有限责任公司：VI技术专题介绍15 张斌: 数据采集基础知识讲座, 北京凌华技术支持部16 张斌: 凌华数据采集卡产品选型指南暨应用案例, 北京凌华技术支持部17 李风国: PXI与VXI总线的选择,北京鹏搏达虚拟仪器技术公司18 Kamran Shah：Serial, GPIB, and VXI Communication with Measurement Studio 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