虚拟仪器的分类及与传统仪器的比较

一,何为虚拟仪器
虚拟仪器(Virtual Instruments简称VI)技术发展非常迅速,所有测量测试仪器的主要功能可由①数据采集②数据测试和分析③结果输出显示等三大部分组成,其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成,因此只要另外提供一定的数据采集硬件,就可构成基于计算机组成的测量测试仪器。基于计算机的数字化测量测试仪器就称之为虚拟仪器(VI)。
注意:这里所指的虚拟仪器和EDA仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同,它可以完全替代传统台式测量测试仪器。而EDA仿真软件中的虚拟仪器是纯软件的、仿真的。
虚拟仪器可使用相同的硬件系统,通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪器,即软件系统是虚拟仪器的核心,软件可以定义为各种仪器,因此可以说“软件即仪器”

二,虚拟仪器仪器的分类:
虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同,可分为五种类型:
第一类:PC总线——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(注:美国NI公司的Labview是图形化编程工具,它可以通过各种控件自已组建各种仪器。Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具,通过三种编程语言Visual C++,
Visual Basic, Labviews/cvi构成测试系统,它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制,且有电源功率不足,机箱内部的噪声电平较高,插槽数目也不多,插槽尺寸比较小,机箱内无屏蔽等缺点。另外,ISA总线的虚拟仪器已经淘汰,PCI总线的虚拟仪器价格比较

第二类:并行口式虚拟仪器
最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置,它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。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。美国LINK公司的 DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连,方便野外作业,又可与台式PC机相连,实现台式和便携式两用,非常方便。由于其价格低廉、用途广泛,特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。
第三类: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,典型的GPIB系统由一台PC机、一块 GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下,一块GPIB接口可带多达14台仪器,电缆长度可达40米。GPIB 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制,替代传统的人工操作方式,可以很多方便地把多台仪器组合起来,形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单,主要应用于台式仪器,适合于精确度要求高的,但不要求对计算机高速传输状况时应用。

第四类: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。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点,很快得到广泛的应用。经过十多年的发展,VXI系统的组建和使用越来越方便,尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而,组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器,造价比较高。
第五类: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。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽,而台式PCI系统只有3~4个扩展槽,通过使用PCI—PCI桥接器,可扩展到256个扩展槽,台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来,将形成未来的虚拟仪器平台。
三,关于虚拟仪器的发展过程,有两条线:
1、GPIB→VSI→PXI总线方式(适合大型高精度集成系统)
GPIB 于1978年问世,VXI于1987年问世,PXI于1997年问世。
2、PC插卡→并口式→串口USB方式(适合于普及型的廉价系统,有广阔的应用发展前景)
PC插卡式于80年代初问世,并行口方式于1995年问世,串口USB方式于1999年问世。

综上所述,虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。①计算机是载体,②软件是核心③高质量的A/D
采集卡及调理放大器是关键。

无论哪种VI系统,都是将硬件仪器(调理放大器、A/D卡)搭载到笔记本电脑、台式PC 或工作站等各种计算机平台上,加上应用软件而构成的,实现了用计算机的全数字化的采集测试分析。因此VI发展完全跟计算机的发展步伐同步。所以显示出VI的灵活性和强大的生命力。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。未来的VI完全可以覆盖计算机辅助测试(CAT)的全部领域。几乎能替代所的模拟测试设备。它的重要意义和在于尚是一块处女地,有待我们去开拓,它有许多求知部分有待大家去填补。虚拟仪目的前景十分光明。基于计算机的全数字测量分析是采集测试分析的未来。

但是这里值得指出的是“VIRTUAL”一词可以翻译成①“虚拟的”②“虚像的”③“实质上的”④“有效的”等几种意思。当前我们研制的虚拟仪器应该着重于功能上“实质的”“有效的”仪器,不要片面地追求“虚像的”,单纯地追求外形上的相似而花大力气去模似老式仪器外形。这是一个误区。我们应该在这里大力提倡追求仪器的功能和测试的精度及可靠性,达到一种真正高级仪器的测试效果,而不要误入歧途,去追求外形上的相似,浪费大量的人力物力。

虚似仪器的发展是信息技术的一个主要领域。对科学技术的发展和国防、工业、农业的生产不可估量的影响。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、教学及科研等诸多方面。
四,虚拟仪器与传统仪器比较
所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台,它可代替传统的测量仪器,如示波器,逻辑分析仪信号发生器频谱分析仪等;可集成于自动控制,工业控制系统;可自由构建成专有仪器系统。它由计算机,应用软件和仪器硬件组成。无论哪种虚拟仪器系统,都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑,台式PC或工作站等各种计算机平台(甚至可以是掌上电脑)加上应用软件而构成的。
虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量,控制能力结合在一起,大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看,电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器,由于计算机性能以摩尔定律(每半年提高一倍)飞速发展,已把传统仪器远远抛到后面,并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。
虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统,且功能灵活,很容易构建,所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进,十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势,因而常被称作“软件仪器”。它功能强大,可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能,配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数,如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据;它操作灵活,完全图形化界面,风格简约,符合传统设备的使用习惯,用户不经培训既可迅速掌握操作规程;它集成方便,不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统,而且可以和控制设备构成自动控制系统。
在仪器计量系统方面,示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系统的广泛应用,传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口,因而配合数据采集及数据处理十分困难。而且,传统仪器体积相对庞大,多种数据测量时常感到捉襟见肘,手足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器,交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统中,我们见到的是整洁的桌面,条理的操作,不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来,而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。其方便之极固不必多言,而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量设备少则几万元,多则几十万元。在同等的性能条件下,相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势,使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。
在专用测量系统方面,虚拟仪器的发展空间更为广阔。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设计。尤其在制造业,虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力必将使其在温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。

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发布人:众宇旺仪器 发布时间:2014年8月20日 已被浏览 1020 次 〖 打印本文