虚拟仪器技术及其在数据采集中的应用

2012-11-05 14:22:27来源: 21IC
虚拟仪器是以一种全新的理念来设计和发展的仪器,他是90年代发展起来的一项新技术,主要用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域,其基本思想是在仪器设计或测试系统中尽可能用软件代替硬件,即“软件就是仪器”,他是在通用计算机平台上,根据用户需求来定义和设计仪器的测试功能,其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能。

1、虚拟仪器的特点和构成

1.1 虚拟仪器的特点

与传统仪器相比,虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性 好等明显优点,具体表现为:

智能化程度高,处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求,将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成,从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。

复用性强,系统费用低 应用虚拟仪器思想,用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器,如同一个高 速数字采样器,可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪 器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接,还可实现虚 拟仪器的分布式共享,更好地发挥仪器的使用价值。

可操作性强,易用灵活 虚拟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。使用计算机的 多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解,测量结果可以直接进入数 据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线,这些都使得仪器的 可操作性大大提高而且易用、灵活。

1.2 虚拟仪器的构成

虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。

硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定,其中接口设计可选用的接口总线标准包 括GP IB总线、VXI总线等。推荐选用VXI总线。因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速 率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点,因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪 器生产厂家的认可,目前VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台,是仪器硬件的发 展方向。由于VXI虚拟仪器的硬件平台的基本组成是一些通用模块和专用接口。因此硬件电 路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括:信号调 理和高速数据采集;信号输出与控制;数据实时处理。这3部分概括了数字化仪 器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来,就能构成任何一种虚拟仪器。 例如使用高速数据采集模块和高速实时数据处理模块就能构成1台示波器、1台数字化仪或 1台频谱分析仪;使用信号输出与控制模块和实时数据处理模块就能构成1台函数发生器、1台信号源或1台控制器。专用接口是针对特定用途仪器需要的设计,也包括一些现场总线 接口和各类传感器接口。系统的主要硬件包括控制器、主机箱和仪器模块。常用的控制方案 有GPIB总线控制方式的硬件方案、MXI总线控制方式的硬件方案、嵌入式计算机控制方式的硬件方案3种。VXI仪器模块又称为器件(devices)。VXI有4种器件:寄存器基器件、消 息基器件、存储器器件和扩展器件。存储器器件不过是专用寄存器基器件,用来保存和传输 大量数据。扩展器目前是备用件,为今后新型器件提供发展通道。将VXI仪器制作成寄存器 基器件,还是消息基器件是首先要做出的决策。寄存器基器件的通信情况极像VME总线器件 ,是在低层用二进制信息编制程序。他的明显优点在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制这一层次上进行通信的。这种高速通信可以使测试系统吞吐量大大提高。因此,寄 存器基器件适用于虚拟仪器中信号/输出部分的模块(如开关、多路复用器、数/模转换输出 卡、模/数转换输入卡、信号调理等)。消息基器件与寄存器基器件不同,他在高层次上用A SCII字符进行通信,与这种器件十分相似是独立HPIB仪器。消息基器件用一组意义 明确的 “字串行协议”相互进行通信,这种异步协议定义了在器件之间传送命令和数据所需的挂钩 要求。消息基器件必须有CPU(或DSP)进行管理与控制。因此,消息基器件适用于虚拟仪器 中数字信号处理部分的模块。

软件的开发与设计包括3部分:VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件(软面板) 。软件结构如图1所示。


图1 系统软件构成

VXI总线接口软件由零槽控制器提供,包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和 编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之间建立连接,提供对VXI背板总线的控制和支 持,是实现VXI系统集成的基础。

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序,也即模块的驱动软件,他 的设计必须符合VPP的2个规范,即VPP3.1《仪器驱动程序结构和模型》和VPP3.2《仪器 驱动程序设计规范》。

“软面板”设计就是设计具有可变性、多层性、自助性、人性化的面板,这个面板应不 仅同传统仪器面板一样具有显示器、LED、指针式表头、旋钮、滑动条、开关按钮、报警装 置等功能部件,而且应还具有多个连贯操作面板、在线帮助功能等。

2、虚拟仪器在数据采集中的应用

利用虚拟仪器制作数据采集器可以按照硬件设计、软件设计两个步骤来完成。

2.1 硬件设计

硬件设计要完成以下内容:

(1) 模/数转换及数据存储

设置具有通用性的数据自动采集系统,一般应满足能对多路信号尽可能同步地进行采集,为了使所采集到的数据不但能够在数据采集器上进行存储,而且还能及时地在采集过程中 将数据传送到上位机,选用存储量比较适中的先进先出存储器,这样既能满足少量数据存储 的需要,又能在需要实时传送数据时,在A/D转换的同时进行数据传送,不丢失任何数据。

(2) VXI总线接口

VXI总线数据采集器通常可以利用两种VXI总线通用接口消息基接口和寄存器基接口。消 息基接口的作用是通过总线传送命令,从而控制仪器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器简单的读写来控制仪器硬件的操作。利用消息基接口进行设计,具体消息基接口的框图见图2。
[1] [2]

关键字:虚拟仪器技术  数据采集  VXI总线

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/1105/article_6246.html
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