虛擬儀器

詞語(yǔ)解釋

“虛擬儀器”是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件程序模擬真實(shí)儀器的功能，實(shí)現(xiàn)儀器的功能，從而達(dá)到替代真實(shí)儀器的目的。它可以用于通信系統(tǒng)中，主要用于測(cè)量、監(jiān)測(cè)和控制信號(hào)，以及檢測(cè)、分析和控制通信系統(tǒng)的性能。虛擬儀器在通信中的應(yīng)用主要有以下幾種： 1、信號(hào)發(fā)生器。它可以模擬各種類(lèi)型的信號(hào)，如正弦波、方波、脈沖等，用于通信系統(tǒng)的測(cè)試和調(diào)試。 2、信號(hào)檢測(cè)器。它可以檢測(cè)和測(cè)量信號(hào)的各種參數(shù)，如頻率、幅度、相位等，以及信號(hào)的功率和信噪比等，用于確定通信系統(tǒng)的性能。 3、信號(hào)源模擬器。它可以模擬各種信號(hào)源，如模擬電話(huà)、數(shù)字電話(huà)、數(shù)據(jù)信號(hào)等，用于測(cè)試和調(diào)試通信系統(tǒng)的性能。 4、信號(hào)處理器。它可以處理各種信號(hào)，如數(shù)據(jù)信號(hào)、音頻信號(hào)等，用于檢測(cè)和測(cè)量信號(hào)的參數(shù)，以及進(jìn)行信號(hào)的處理和分析。 5、信號(hào)控制器。它可以控制信號(hào)的發(fā)射和接收，以及信號(hào)的傳輸和處理，用于控制和管理通信系統(tǒng)的性能。虛擬儀器在通信中的應(yīng)用，可以有效地模擬和測(cè)量信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)的處理和控制，從而提高通信系統(tǒng)的性能和可靠性。

　　虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問(wèn)世以來(lái)，世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿(mǎn)足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。
　　20年來(lái)，無(wú)論是初學(xué)乍用的新手還是經(jīng)驗(yàn)豐富的程序開(kāi)發(fā)人員，虛擬儀器在各種不同的工程應(yīng)用和行業(yè)的測(cè)量及控制的用戶(hù)中廣受歡迎，這都?xì)w功于其直觀化的圖形編程語(yǔ)言。虛擬儀器的圖形化數(shù)據(jù)流語(yǔ)言和程序框圖能自然地顯示您的數(shù)據(jù)流，同時(shí)地圖化的用戶(hù)界面直觀地顯示數(shù)據(jù)，使我們能夠輕松地查看、修改數(shù)據(jù)或控制輸入。
　　同其他技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢(shì)：
　　1、性能高
　　虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全"繼承"了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤(pán)的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。
　　2、擴(kuò)展性強(qiáng)
　　NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。
　　3、開(kāi)發(fā)時(shí)間少
　　在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶(hù)的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。
　　4、無(wú)縫集成
　　虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。
　　美國(guó)國(guó)家儀器公司NI（National　Instruments）提出的虛擬測(cè)量?jī)x器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而開(kāi)創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。
　　“軟件即是儀器”這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發(fā)，基于電腦或工作站、軟件和I／O部件來(lái)構(gòu)建虛擬儀器。I／O部件可以是獨(dú)立儀器、模塊化儀器、數(shù)據(jù)采集板（DAQ）或傳感器。NI所擁有的虛擬儀器產(chǎn)品包括軟件產(chǎn)品（如LabVIEW）、GPIB產(chǎn)品、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、信號(hào)處理產(chǎn)品、圖像采集產(chǎn)品、DSP產(chǎn)品和VXI控制產(chǎn)品等。
　　分類(lèi):
　　虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線(xiàn)方式的不同，可分為五種類(lèi)型：
　　1、PC總線(xiàn)——插卡型虛擬儀器
　　這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專(zhuān)用的軟件如LabVIEW相結(jié)合（注：美國(guó)NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過(guò)各種控件自己組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過(guò)三種編程語(yǔ)言Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線(xiàn)、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線(xiàn)限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線(xiàn)的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線(xiàn)的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。
　　2、并行口式虛擬儀器
　　最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通�？梢酝瓿筛鞣N測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國(guó)LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門(mén)和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。
　　3、GPIB總線(xiàn)方式的虛擬儀器
　　GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)BPIB形式的儀器通過(guò)GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺(tái)儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)40米。GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺(tái)儀器組合起來(lái)，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用。
　　4、VXI總線(xiàn)方式虛擬儀器
　　VXI總線(xiàn)是一種高速計(jì)算機(jī)總線(xiàn)VME總線(xiàn)在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，組建VXI總線(xiàn)要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。
　　5、PXI總線(xiàn)方式虛擬儀器
　　PXI總線(xiàn)方式是PCI總線(xiàn)內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線(xiàn)的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線(xiàn)，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線(xiàn)。PXI的高度可擴(kuò)展性。PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3~4個(gè)擴(kuò)展槽，通過(guò)使用PCI—PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線(xiàn)面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將形成未來(lái)的虛擬儀器平臺(tái)。
　　虛擬儀器的發(fā)展過(guò)程
　　1、GPIB→VSI→PXI總線(xiàn)方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）GPIB 于1978年問(wèn)世，VXI于1987年問(wèn)世，PXI于1997年問(wèn)世。
　　2、PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景）PC插卡式于80年代初問(wèn)世，并行口方式于1995年問(wèn)世，串口USB方式于1999年問(wèn)世。
　　綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個(gè)重要因素。①計(jì)算機(jī)是載體,②軟件是核心③高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。

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