虚拟仪器技术已成为测试测量行业的主流技术

  chw ·  2007-08-19 21:40  ·  77678 次点击
摘要:本文结合各种实际测试介绍了罗德与施瓦茨公司的手持式频谱仪R&SFSH在发射机与天馈线测试、无线电干扰查处以及电磁兼容诊断测试中的应用。
关键词:发射机与天馈线测试;无线电干扰定位;电磁场强监测;电磁兼容(EMC)诊断测试
自20世纪80年代中期以来,虚拟仪器技术已结合了模块化硬件、开发软件和PC技术,从而使用户可通过软件来建立自定义的仪器。软件定义比厂商定义台式仪器功能的方式有更大的灵活性,并且由于基于PC技术,所以能以更快的速度实现高级功能。
---虚拟仪器已经成为目前测试应用中的主流技术,大多数测试行业已接受虚拟仪器技术的概念,或者倾向于采用虚拟仪器技术。综合性仪器和虚拟仪器技术具有商业化硬件和软件处理特性,把这两者结合起来,便能建立用户自定义的仪器。
传统仪器和革新者的难题
---新的具有突破性的技术会改变市场的前景并最终推翻市场领导者的地位,换言之,传统技术会遭遇“革新者的难题”。在测试和测量领域中,传统仪器通过使用已有的架构来提高测量性能并沿着这样方向不断进行革新。而在虚拟仪器技术出现的早期,由于其测量性能比较低,并没有对传统仪器厂商带来多大威胁,所以传统厂商很大程度上忽视了虚拟仪器技术的存在。然而到了20世纪80年代的晚期和90年代的早期,虚拟仪器技术开始应用于需要灵活性的测量中,而这些应用通过传统的方式是无法实现的。到了90年代末和21世纪,随着PC处理器和商用半导体芯片的性能和精度的进一步提高,虚拟仪器技术的测量性能已比原来提高了许多。现在,虚拟仪器技术可以和传统仪器的测量性能相当,甚至超过它们,而且还具有更高的数据传输率、灵活性、可扩展性以及更低的系统成本。
---在测试测量市场,行业领导者安捷伦已同样开始采用虚拟仪器技术的概念。例如,安捷伦最近推出的产品包括一套基于以太网的“综合性仪器”以及能兼容PXI的任意波形发生器,而PXI是工业标准的虚拟仪器技术平台。转向使用基于软件配置的模块化仪器,能让用户轻松地进行重复配置和重复使用,这将是测试和测量未来的发展方向。
虚拟仪器技术成功的关键
---虚拟仪器技术为建立测试系统提供了新的方式,从而影响了传统仪器市场。虚拟仪器技术成功的关键在于利用了快速发展的PC架构,提高了工程师的技术能力,降低了成本,采用了高性能的半导体数据转换器,以及引入了系统设计软件,而系统设计软件能使广大用户建立虚拟仪器技术系统。
PC性能不断革新并降低了成本
---在过去20年里,PC的性能已提高了10000倍,其他任何商业化技术都不曾有过这样高的性能增长。由于虚拟仪器技术采用PC处理器来进行测量分析,每次随着新一代PC处理器的出现,使用虚拟仪器技术就可以实现新的应用。例如,目前的3GHzPC可用来进行复杂的频域和调制分析。1990年采用386处理器的PC,进行65000个点的FFT(快速傅里叶变换,用于频谱分析的基本测量)需要1100秒。而现在使用3.4GHz的P4计算机实现相同的FFT只需要约0.8s。
---与此同时,硬盘、显示和总线带宽也有类似的性能提高。新一代的高速PC总线PCIExpress能提供的带宽高达3.2GB/s,从而可以利用PC架构来实现超高带宽的测量。某些厂商声称高速内部总线将会让位给以太网和USB这样的外部总线。尽管这些外部总线适合某些特定的应用需求(如以太网适用于分布系统,而USB易于进行桌面连接),但是同样也有高速的数据传输速率需求。例如,一个100MSPS的14位IF数字化仪能生成200MB/s的数据,这将高于千兆以太网的80MB/s带宽。基于这样的原因,用户不会在市场看到有任何以太网的视频卡,甚至千兆的网络也比PCIExpress慢30倍。实际上千兆以太网接口和其他外设是通过PCIExpress和CPU相连。虚拟仪器技术的基于软件的方式可以在应用软件中对总线进行抽象,从而利用所有这些总线,包括PCI、PCIExpress、USB和以太网。
---许多传统仪器厂商采用在仪器中嵌入PC的方式来解决这一问题。这些仪器通常有一个嵌入式仪器处理器和一个通过内部总线和仪器盒相连的标准PC主板。然而,这种方式就损失了PC技术的两个关键优势,一是像Dell这种桌面PC厂商的规模经济优势,二是能轻松地升级PC从而对测量性能进行大幅度的提高。大多数示波器的使用寿命为5~20年,而一台用了20年的PC早已没有了使用价值。此外,如图1所示,这些设备的功能还基本上是由厂商定义的,用户无法利用设备中的固件来自定义测量的功能。
使用户获得更多的技术才能
---技术才能已成为个人立足于社会的基本能力。和传统的桌面仪器相比,基于计算机的仪器更友好和更易于使用。在过去10年里用户获得了更多的技术才能,采用基于计算机的虚拟仪器技术能使他们得到更多的技术知识和编程技巧。
性能不断提高的A/D和D/A转换器
---虚拟仪器技术发展的另一个动力是出现了高性能、低成本的A/D和D/A转换器,移动电话和数字音频等应用不断地推动这些技术的发展。虚拟仪器技术硬件可以利用大量生产的芯片作为测量的前端组件。这些商业化技术按照摩尔定律发展,而专用的转换器技术则发展得非常慢,它们的性能提高如图2所示。
图形化的系统设计软件
---最后,由于能提供直观的界面来设计定制的仪器系统,系统设计软件也推动了虚拟仪器技术的发展,新的突破性革新可以使开发设备的过程不再需要“专家”。在传统的构架中,需要专家来开发封闭的仪器功能和算法;而对于虚拟仪器技术,算法对于用户是公开的,用户可以自己定义他们的仪器。
---LabVIEW就是这样的软件。LabVIEW采用图形化的数据流语言,能为工程师和科研人员提供非常熟悉的界面,LabVIEW的工作就像用电子数据表进行财务分析一样。LabVIEW提供的环境可以让所有工程师和科研人员成为测量系统设计专家。
用虚拟仪器技术进行系统设计的前景
---虚拟仪器技术不断地扩展其功能及应用范围。现在LabVIEW不仅能在PC上开发测试程序,而且可以在嵌入式处理器和FPGA上设计硬件。这一技术也将最终提供这样的一个独立环境,使用户可以从设计测试系统到定义硬件的功能,如图3所示。测试工程师将能使用合适的功能来进行系统级的设计。当他们需要定义专门的测量功能时,他们也将可以用同样的软件工具来“细化”到合适的级别以定义测量的功能。例如,工程师可以开发LabVIEW程序来使用模块化仪器进行某些测量,如DC电压和上升时间。当工程师需要开发专门的测量时,他们也可以使用LabVIEW对原始的测量数据进行分析,从而开发出专门的测量,比如峰值检测。如果在某些情况下他们需要使用一些新的硬件功能来实现测量,如定制的触发,那么他们可以用LabVIEW定义一个触发和滤波方案,并嵌入到仪器卡上的FPGA中。
虚拟仪器技术已成为主流
---虚拟仪器技术的功能和性能已被不断地提高,如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。随着PC、半导体和软件功能的进一步更新,未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式,并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性。

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chw  2007-08-19 22:30
虚拟仪器实现的零件加工精度测量与分析系统

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作者姓名: 康文利,王美英,张文斌
作者单位: 华北电力大学机械工程学院




摘要:论述利用LabVIEW开发平台,实现机械零件加工精度 分析系统中数据的采集,显示和存储,并通过大量数据的分析,得出加工误差的分布曲线图、X-R质量控制图等信息。
关键词:LabVIEW;虚拟仪器;加工精度;统计分析;数据采集
Measure and Analysis System of Working Precision Based on VI
KANG Wenli, WANG Meiying, ZHANG Wenbin
(Mechanical Engineering School, North China Electric Power University ,
Baoding 071003, China)
Abstract: The data acquisition, data storage, data processing an d data display of Mechanical Working Precision using LabVIEW were introduced. Th e information such as the distributed curve of the machining error, the X-R cha rt etc, were obtained by analyzing a great deal of data in the database.
Key words: LabVIE VI(virtual instrument); working precision; m ethod of statistics and analysis; data acquisition
1系统组成及原理
机械零件加工精度分析系统由传感器、电荷放大器、数据采集卡、计算机系统等组成,如图1所示。

本系统中将被测零件依次推过测台与测杆测头之间的空间,尺寸大小的变化将引起传感器与圆盘端面的间隙变化,传感器将间隙的变化量转变为电压的变化,这个电压信号经电荷放大器之后再经数据采集卡转变为数字量输送到计算机中,数据采集结果在虚拟仪器面板上显示,并存入数据库。计算机中利用LabVIEW开发平台设计的虚拟仪器及时、准确地对工件进行检测和误差分析,大幅度缩短测量工件和统计分析的时间,使操作者能够及时了解工艺系统的工作状态,加工误差的变化趋势及加工误差的影响因素,及时调整工艺系统,使加工误差的在线测量、实时分析得以实现。?
2零件加工精度的分析方法
2.1加工误差的分类
在已调整好的机床上加工一批工件,由各种工艺因素所产生的加工误差可分为两大类,即系统误差和随机误差。系统误差包括因调整等因素引起的常值系统误差和因刀具磨损、机床热变形等引起的有规律变化趋势的变值系统误差。随机误差则是由尺寸分散造成的。
2.2分析方法
零件的加工误差具有一定的规律性。统计分析方法是以生产现场内对许多工件进行检测的数据为基础,运用数理统计的方法加以整理归纳,从中找出规律性的东西,进而找到解决问题的途径。本系统采用虚拟仪器进行统计分析。
(1)分布曲线图法(图2)
?
所谓分布曲线图法是将零件的加工尺寸(或误差)与频数之间的关系做成直方图及分布曲线,在图中标出算术平均值、公差带、公差带中心及尺寸分散范围,据此分析该工序的加工情况。比较分散范围和公差带的宽度、算术平均值与公差带中心之间的关系等,以此判断工艺系统存在的误差性质,寻找提高加工精度的措施,这种方法研究工序的系统误差和随机误差简单易行,但必需在加工全部完了后方可进行,不能在加工过程中及时发现并解决问题,以保证加工质量。点图法可以弥补上述方法之不足。
(2)点图分析法(图3)
这种方法是将整个加工零件的过程做成一个母体,在这个过程中定期抽取样本,因此样本具有的特性必定是母体特性的反映。具体做法是在工艺过程进行前,分组测量一批试件的尺寸,求出各组的算术平均值X、极差R以及上下控制限,作X-R质量控制图。生产过程中,定期抽取样本数据Xi,Ri(即第i个样本的均值与极差),分别点注在X图和R图上,依这些点分布的位置判断工序的加工质量。由于点图只需抽样检查,不需全数测量,能反映工件加工的先后顺序,因此较多地使用在生产现场和质量管理部门。

2.3分析过程在虚拟仪器中的实现
LabVIEW提供了一些数学运算节点,包括公式节点、估计、微积分运算、线性代数、曲线拟合、数理统计、最优化方法、寻根和数值节点等,所以可以方便地处理大量数据。在LabVIEW的后面板中利用这些数学运算节点,根据分析方法中的各公式编辑好数据处理部分,其结果显示在前面板相应的控件中,如图2、图3所示。其数据流流通过程如图4所示。

测量的数据存储于数据库中,LabVIEW程序通过数据连通工具调用数据库中的数据,传递给程序中数据处理部分,数据处理的结果分别显示在前面板的相应位置。
3结束语
基于LabVIEW的虚拟软件技术给零件加工精度分析过程中参数的计算机辅助测量带来了较大的编程方便性、较强的功能和灵活性。并且LabVIEW这个功能强大又方便灵活的虚拟仪器开发平台,能创造出比传统的测试仪器具有更高智能、更高性能价格比、更可靠及便于操作的先进仪器。?
此系统适用于批量生产规模,使尺寸检测和数据计算变得简单易行,使加工误差在线测量和实时分析可望实现,并且数据处理和统计分析的准确性得到提高。另外,该系统还可以通过改变相应的程序来改变工艺分析的内容。
chw  2007-08-19 22:18
虚拟实验室和虚拟仪器

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虚拟仪器( VI - Virtual Instrumentation )是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来,用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机,就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样,从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台)是NI公司的图形化、交互式的编程设计环境,为虚拟仪器提供了实现途径。本文首先在设计虚拟示波器的基础上,熟悉Labview编程原理。然后结合固体电介质的体电阻和表面电阻测量实验编制了一套实验室虚拟仪器系统。该虚拟仪器包括前面板和框图程序两个部分,前面板是跟用户进行信息交换界面,框图程序相当于传统仪器的内部结构,它对用户来说是透明的。前面板又可以分为两个部分:控制部分和显示部分。前面板编制完成后,在框图程序中将数据发生模块、处理模块、数据显示模块按照仪器的内部结构连接起来。最后将网络协议TCP/IP添加到数据发生模块中,这一仪器就可以通过网络进行数据采集,完成实验。
20世纪80年代中期,美国国家仪器公司(National Instrument简称NI)首先提出了“软件就是仪器”(The Software is the Instrument)这一虚拟仪器概念。这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体,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。当硬件平台I/O接口设备与计算机确定后,编制某种测量功能的软件就成为该种功能的测试仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展,与网络及其他周边设备互联,用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说,仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代,这将给仪器使用者带来无尽的收益。
虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟,体现了计算机技术对传统工业的革命。大致说来,虚拟仪器发展至今,可以分为三个阶段,而这三个阶段又可以说是同步进行的。
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。随着计算机系统性能价格比的不断上升,用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。
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。这些新的技术使仪器的构成得以开放,消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。
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。发展到这一阶段,人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。
在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志,一是VXI总线标准的建立和推广;二是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分析与测量仪器所必须的总线结构,后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而非程序代码的编程方式,两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。
要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可靠性,很重要的一点是取决于传输测量数据的总线结构。在虚拟仪器中,其分析功能是由计算机来完成的或由计算机来控制的。因此,接口、总线的速度和可靠性是关键,VXI总线标准的建立,使得用户可以像仪器厂商一样,从访问寄存器这样的低层资源来设计和安排仪器功能,也使得用户化仪器功能设计得以实现。
VXI总线的出现,使得虚拟仪器设计有了一个高可靠性的硬件平台。目前已出现了用于射频和微波领域的高端VXI仪器。当然,采用普通PC总线,尤其是工业PCI总线的虚拟仪器也在不断发展,这类虚拟仪器主要面向一般工业控制,过程监测和实验室应用。

除了硬件技术外,软件技术的发展和有关国际标准的建立,也是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素之一,在GPIB接口总线出现以后,关于程控仪器的句法格式、信息交换协议和公用命令的标准化,一直是人们关心的问题。标准程序命令(SCPI)标准的建立,向解决程控命令与仪器厂家无关这一目标迈进了重要的一步。
随着虚拟仪器思想的深入,用户自己开发仪器驱动器已成为技术发展的客观要求。过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计的,缺乏标准,使得用户在仪器软件方面的投资得不到保护。为此,国际上专门制定了虚拟仪器软件体系(VISA)标准,建立了与仪器接口总线无关的标准I/O软件,与Labview、HPVEE、Labwindows等先进开发环境软件相适应。开发一个用户定制的虚拟仪器在软件技术上已经成熟。可以预计,未来电子测量仪器和自动化测试技术的发展还将更多地渗透虚拟仪器的思想。
与传统仪器一样,它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块(如图所示)。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合,实现仪器的功能运作。


应用程序将可选硬件 ( 如GPIB、VXI、RS-232、DAQ ) 和可重复使用源码库函数等软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发,源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时,可以方便地由用户自己来增减软件模块,或重新配置现有系统以满足现有系统的测试要求。
所以,虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统所需的附件,而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。
虚拟仪器的组成
虚拟仪器系统的构成有多种方式,主要取决于系统所采用的硬件和接口方式,其基本构成如图所示。

虚拟仪器的功能
虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分,是由计算机技术、测量技术和微电子技术高速发展而孕育出的一项革命性技术。虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造,同时也影响了以数据采集为主的测控系统的传统构造方法的进化。过去独立分散、互不相干的许多领域,在虚拟仪器系统的概念之下,正在逐渐靠拢、相互影响,并形成新的技术方法和技术规范。


虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器,它们的功能都是相同的:采集数据,对采集来的数据进行分析处理,然后显示处理的结果。它们之间的不同主要体现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义,这意味着您可以自由地组合计算机平台、硬件、软件、以及各种完成应用系统所需要的附件。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。因此,虚拟仪器的出现,彻底改变了传统的仪器方法,开辟了测控技术的新纪元。而这种灵活性在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能,而不像传统仪器那样,受到仪器厂商的限制。
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。不但方便之极,而且设备成本大幅降低。
虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号,可分为两类:一类是满足一般科学研究与工程领域测试任务要求的虚拟仪器。最简单的是基于PC总线的插卡式仪器,也包括带GPIB接口和串行接口的仪器;另一类是用于高可靠性的关键任务,如航空、航天、国防等应用的高端VXI仪器。虚拟仪器系统将不同功能、不同特点的硬件构成为一个新的仪器系统,由计算机统一管理、统一操作。软件的功能定义了仪器的功能。因此,虚拟仪器最重要、最核心的技术是虚拟仪器软件开发环境。作为面向仪器的软件环境应具备以下特点:一是软件环境是针对测试工程师而非专业程序员,因此,编程必须简单,易于理解和修改;二是具有强大的人机交互界面设计功能,容易实现模拟仪器面板;三是具有强大的数据分析能力和数据可视化分析功能,提供丰富的仪器总线接口硬件驱动程序。
与传统仪器相比,虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势,具体表现为:
(1)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。
(2)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、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。
(3)可操作性强。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。
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。

上图描述了插入式DAQ的组成。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/输出以及计数器操作等。

数据采集系统的功能模块如图所示。使用模块化的设计思想完成特定任务,会使用户程序的重新组织易于控制和实现。
设计虚拟仪器的过程与主要工作内容就是编制应用软件的过程。设计虚拟仪器必需有合适的软件工具。因此,提供应用软件开发工具的软件平台技术也相应快速发展。
目前流行的软件开发工具主要有两类:文本式编程语言:如Visual C++,Visual Basic,LabWindows/CVI等;图形化编程语言:如LabVIEW,HPVEE等。
在这篇论文的以下章节中主要介绍LabVIEW这种图形化编程语言,并应用这种语言进行实际程序的编制。
chw  2007-08-19 22:02
虚拟仪器中的数据管理技术

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1、引 言
八十年代后期,随着超大规模集成电路、微型计算机系统及软件技术的发展,在传统测试平台的基础上又出现了虚拟仪器技术。这种虚拟仪器以微型计算机为统一的硬件平台,在其中配以具有测试和控制功能可实现数据交换的模块化硬件接口卡,辅以具有测试仪器功能且形象逼真的软件模块,通过系统管理软件的统一指挥调度从而实现传统测控仪器的功能。
这种以软件为核心的系统不必象传统仪器那样受到生产厂商所设计功能的限制,可以使用户充分利用计算机超强的运算、显示以及连接扩展能力来灵活地自己定义强大的仪器功能,因此虚拟仪器技术在几年之内迅速发展,目前已经在机械、电子、电力、交通、航空航天、化工、冶金等行业获得了广泛的应用。
同传统测试仪器相比,虚拟测试平台具有以下优点:
1)开放性:利用通用硬件平台构建虚拟仪器系统具有开放性,便于系统的升级和更新。
2)易用性:丰富的软件资源和良好的人机交互图文界面使得虚拟仪器系统非常易于使用。
3)性能价格比高:相同的性能条件下开发费用和维护升级价格相对比较便宜。
2、测试系统中的数据管理
任何一个信息系统都需要涉及数据管理,虚拟仪器系统也不例外。数据管理是信息系统的一个功能,也是信息系统所包含的一项重要任务,它的作用在于组织数据和方便各类用户使用数据。数据管理,从数据本身来讲,是指收集数据、组织数据和提供数据等几个方面,随着网络和多媒体技术的发展,它不仅包括了数据的产生、收集、存储、删除等活动,又增加了数据传输、访问、共享和安全等方面。
目前广泛应用的虚拟仪器平台的系统框囹如图1所示。然而分析图1我们可以看到:在大部分现存的系统中,所得到的数据和分析结果采用打印方式直接输出然后归档保存,采用手工方式管理数据。部分系统将数据和结果保存入文件系统,采用文件方式管理数据。这二种管理方法从数据管理的角度来看都存在着缺陷和局限。


手工方式对数据管理的缺陷是显而易见的:无法处理大量的数据,速度慢,易出错,效率极低。虽然文件系统管理方式比手工管理方式有了很大的改进,但是依然在以下几个方面存在问题。
(1)安全性差
文件系统没有或缺乏安全机制,无法识别用户身份,不能禁止未授权用户的使用。因此不能有效的保护数据免遭恶意破坏或误操作而造成的数据损失,也无法保证重要数据不被泄露。
(2)数据冗余度大
由于数据是面向程序的,一个数据文件只能为某一用户的特定用途服务,其他应用所需要的相同数据只能重复存储,造成了大量的数据冗余。数据冗余不仅会浪费存储空间,降低存储器的利用率,而且还会带来潜在的数据不一致。这主要是由于文件系统中数据的更新是每个应用程序各自进行的,相同的数据间没有一致的保护措施。
(3)缺乏数据独立性
在文件系统中,应用程序和数据结构相互依赖。数据文件是按照具体要求建立的,而应用程序的编制直接依赖于数据的存储格式和存取方法。当存储介质或数据结构发生变化时,相应的应用程序也必须进行修改,增加了程序编制和维护的工作量。

这种虚拟仪器平台以数据库做为数据中心,由数、据提交、数据’使用、数据安全管理等几个部分组成。其中数据提交部分包括由硬件采集电路采集而得到的大量数据和由用户通过人机交互接口以及网络输入的少量数据信息。所提交数据的质量由数据采集部分的预处理模块以及使用者自己保证。数据使用部分由统计、检索、报表生成、打印、显示、决策控制以及远程通讯几个功能模块组成,各模块使用数据的目的、数量、方法、占用时间由各模块自行定义,但使用权限由安全管理部分限定。数据安全管理部分由系统安全策略、安全级别所决定。通过安全管理模块、数据库管理系统(DBMS)以及操作系统来共同完成。基于数据库管理的虚拟仪器系统系统框图如图2所示。
这样从数据管理的角度进行分析和设计的系统,可以有效的弥补前面所讨论系统的设计缺陷,具有以下优点:
1〉安全性得到保证
操作系统和DBMS共同维护数据库本身的安全,确保数据库中的数据不会因误操作或系统故障造成数据丢失,系统破坏,更重要的是通过用户管理模块对用户进行授权和控制访问管理,保护数据不被非授权用户通过各种方式造成数据流失、篡改和破坏。
2〉由于数据库系统的引心,使得数据管理工作更加高效、便捷。
(1)减少了数据冗余
利用数据库系统管理数据不再是面向具体应用,而是面向整个系统。所有数据集中管理,统一进行组织,存储和定义,避免了不必要的数据冗余。
(2〉数据实现了结构化
系统中的数据是通过数据库系统相互关联的,数据库系统是以一定的形式构成的,因此这种数据关联不仅表示为属性之间的联系,而且也表现了实体之间内在的联系。
(3)数据具有独立性
在前面的数据管理方式中,数据与应用程序之间相互依赖。在数据库系统中,应用程序不再同物理存储器上具体文件相对应,每个用户所使用的数据具有其自身逻辑结构。这种独立性给数据库的使用、调整、优化和进一步扩充带来了方便,提高了数据库应用系统的稳定性,减轻了程序员的负担。
(4)有统一的数据控制功能
数据库作为多个用户和应用程序的共享资源,对数据的存取往往是并发的,从而大大提高了数据的使用效率。
3)提高了系统的开发效率
在中央数据库数据模型及各部分功能模块方案确定以后,各部分功能模块只针对中央数据库,因此其开发调试工作可以独立展开,互不影响。
4、构建基于数据库的虚拟测试平台的方法
4.1需求分析
需求分析的任务是通过详细调查需要处理的对象,充分了解被测目标的工作概况,明确用户需求,然后在此基础上确定功能。其重点是调查、收集与分析用户在数据管理中的信息来源、处理要求,安全性与完整性要求。需求分析是设计系统的基础,也是最困难最耗费时间的步骤。需求分析是否做得充分与准确,决定了系统实现的速度与质量。
4.2数据模型设计
在需求分析阶段所得到的还只是现实世界的具体需求,通过将其进行综合,归纳和抽象,形成可供计算机使用处理的数据模型。在数据模型设计阶段,需要考虑到具体的DBMS的数据支持,同时必须注意数据采集的硬件实现问题,这包括硬件实现的可能性、复杂度、可靠性、价格等因素。综合以上因素对设计的数据模型进行优化。
4.3硬件系统设计
根据选定的数据模型确定硬件系统的设计方案,包括控制器、主机箱、总线类型、仪器模块等部分的选择和连接方式。同时需要确定数据采集方案(包括预处理部分的硬件电路和算法〉、控制方案(包括控制电路、执行机构、相应的驱动程序、控制算法〉、决策方案(主要是算法设计)。
4.4数据库系统设计
根据数据模型确定操作系统,数据库管理系统(DBMS)的类型。同时设计检索、统计、报表、安全管理、故障恢复等相关功能模块的方案。
4.5系统平台的实施阶段
对以上所选定的各种方案进行综合评估,如果满足设计需求即可进行具体实施。否则需要重新设计或修改调整某些部分。
4.6系统的运行和维护
系统经过调试、试运行后进入正式运行,在这其间要不断进行评价、调整。
5、结束语
现代化技术的进步以计算机技术的进步为代表。不断革新的计算机技术,从各个方面影响、引导着各行各业的技术革新。数据库和数据管理技术作为计算机技术的一个重要分支,自从1968年第一个商品化的数据库管理系统问世以来,得到了迅速的发展,随着计算机应用的不断深入,数据管理的重要性日益为人们所认识。虚拟仪器技术得益于现代计算机技术的进步,数据库技术和数据管理概念的引入将为虚拟仪器技术的发展带来新的活力和好处。期望本文能对虚拟仪器技术的开发应用有所裨益。
chw  2007-08-19 21:43
什么叫“虚拟仪器”

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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”。

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昂贵。

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。

虚拟仪器的发展过程有两条线:一、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。

二、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。


所以说虚似仪器完全可以替代传统台式仪器!

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