虚拟仪器构成

2015-08-06 09:13:57来源: vihome
虚拟仪器是基于计算机的测试、测量仪器。所以,它的构成中必然包括硬件模块和软件模块两个部分。

图1-5给出了早期虚拟仪器的基本构成(主要体现在仪器控制应用),在现代自动化测试系统中我们依然可以看到这种构成模式。其实,虚拟仪器的构成本身是多 样化和十分灵活的,并不局限与某种特定的模式上面。然而,随着现代虚拟仪器技术的不断发展,更多的虚拟仪器应用实例往往是采用下面的基本形式,参见下图。

图 1-8 虚拟仪器基本构成
从上图中可以看出,现代虚拟仪器的基本构成可简单的划分为三个部分:传感器、多功能数据采集模块(构成虚拟仪器的硬件)、商业化计算机平台(运行虚拟仪器应用软件)。

1.2.1 传感器

大家知道,自然界中许多物理量,比如声压、光强、温度、压力、流量、应力等等是电子测量仪器无法直接感知的。因为电子测量仪器通常只能够识别电压、电流信 号或者是频率信号,这些被称为电信号。为了将这些物理量转换成为电子测量仪器能够感知的电信号,则需要一种物理量变换元件——传感器。

传感器可以将一种物理量变换成为另一种物理量,其变换系数可视为常数。例如:我们通过麦克风可以将声音变为电信号,通过热电偶可以将温度变为电信号。这样通过测量传感器的输出电信号就可以间接实现对原物理量的测量。

在工程测量过程中,传感器已经成为虚拟仪器中的一个重要组成部分,所以它的性能好坏将决定整个虚拟仪器的测量特性的好坏。
构建虚拟仪器时,选择变换性能稳定的传感器这点尤为重要。例如:传感器最重要的技术指标之一,灵敏度。因灵敏度这个指标反映了输入变化引起输出变化之间的 某种特定的函数关系。所以对传感器灵敏度这个指标,我们期待它长期稳定不变,并不受温度等外界环境变化的影响。这不仅可以保证虚拟仪器的测量准确度,同时 也可以解决传感器需要经常标定或校准的问题。因为传感器的标定或校准,并不是所有实验室都可以做得到的,通常只有专业实验室才可以做到这点。

目前传感器已经发展到智能化传感器阶段。所谓智能化传感器就是指:采用IEEE-1451标准的传感器。这种传感器在内部提供了一个传感器电子数据表(TEDS),在使用时随时可以提供给用户。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。

1.2.2 数据采集模块

传感器实现了将物理信号变换成为电信号。可是就计算机而言,它同样是无法直接识别来自传感器输出的电信号。而要想实现基于计算机的测试测量,就必须将电信号转换为计算机能够识别的数字信号。这个任务通常由模数转换器(ADC)来完成。
数据采集模块中包含了功能各异的模数转换器以及其它部件。

NI公司也是一个数据采集模块的专业制造商,它提供了品种众多、性能各异的数据采集模块。数据采集模块有多种分类的方式,比如按平台、按总线、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、按被测物理量等等。

这些数据采集模块基本上可以满足工程项目中几乎所有物理量的采集。同时NI公司也提供了数据采集模块的驱动软件。这种数据采集模块与驱动软件来自同一个公 司的模式可以确保实现软、硬件的无缝连接。这也为虚拟仪器的设计和开发提供了多样化的选择和最有效技术上的支持与保证。

总之,选择适合的数据采集模块是工程应用中非常重要的一个环节,这里给出选择时需要注意的几个基本原则:

  1. 最好选用NI的数据采集模块,因为它与NI的整个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

虚拟仪器的构成是多样化和十分灵活的,所以对数据采集模块本身做更全面、细致的了解是十分必要的。这些需要在实践中不断进行总结和体会,只有这样才能够选择确定虚拟仪器最佳的硬件系统。

1.2.3 商业化计算机平台

显然,在虚拟仪器的构成中,商业计算机是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)。之所以强调 计算机为商业计算机,是因为无论LabVIEW开发环境还是它所开发的应用程序都需要在现代操作系统支持下才能够运行。
就目前计算机的发展水平,几乎所有的商业计算机都能够满足虚拟仪器的运行条件。但是由于NI对Windows操作系统支持力度最大(Windows平台下的工具包最多)。所以最好还是选用Windows操作系统的计算机。

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:
  1. 尽管一体机已经成为主流的计算机,但因为它们已经取消了PCI插槽,所以只适合选择使用基于Ethernet、USB、WiFI接口的数据采集模块。此类计算机如果作为仪器控制来用应该没有太多的限制。
  2. 笔记本电脑与Ethernet、USB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非常大。
  3. 上网本或者是平板计算机如果是使用Windows操作系统应该没有问题,与Ethernet、USB及WiFi数据采集卡相配合做现场便携式测量。
图 1-9 全球最小的超便携式电脑(OQO 03)
在我的记忆中,1987年我们所使用的IBM电脑,主频:4.77MHz、内存640KB、5.25"软盘驱动器x2、硬盘10MB;PC-DOS 3.1操作系统。
对于计算机的发展速度有人曾用这样的方式类比过:“如果汽车能赶上计算机的发展周期的话,一辆今天的劳斯莱斯仅值100美元,每加仑要跑100万英里,每年还得爆炸一次,把里面的人杀个精光”。这话虽然偏激并难以理解,但它足以反映计算机发展速度的影响。

关键字:虚拟仪器  测量仪器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0806/article_12634.html
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