摘要:分析了儀器發(fā)展的幾個階段,探討了網(wǎng)絡(luò)化時代的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu),并對數(shù)字化測量作了詳細(xì)的介紹。
　　關(guān)鍵詞:體系結(jié)構(gòu);虛擬儀器;數(shù)字化測量
　　一、引言
　　計(jì)算機(jī)的發(fā)展帶動了許多行業(yè)的發(fā)展,測量領(lǐng)域也不例外。在測量領(lǐng)域,計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為測量系統(tǒng)的核心,徹底改變了傳統(tǒng)的測量模式。測量系統(tǒng)已經(jīng)從松散結(jié)合的、常常不兼容的、獨(dú)立的儀器發(fā)展成緊密結(jié)合的測量系統(tǒng)。
　　回顧測量領(lǐng)域的每一次飛躍都和計(jì)算機(jī)的發(fā)展有關(guān)。計(jì)算機(jī)與測量系統(tǒng)的首次結(jié)合是GPIB設(shè)備GPIB利用計(jì)算機(jī)對傳統(tǒng)儀器的功能加以擴(kuò)展和延伸隨后出現(xiàn)的PC-DAQ,利用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)計(jì)算機(jī)總線來實(shí)現(xiàn)高速采集;VXI總線則是VMEbus在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展是計(jì)算機(jī)操縱的模塊化自動測量系統(tǒng);而PXI則是將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù),定義成適合于試驗(yàn)、測量和數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,更是給測量系統(tǒng)增加了新的內(nèi)容,引起了虛擬儀器的革命。
　　二、虛擬儀器的革命
　　虛擬儀器技術(shù)給測量系統(tǒng)帶來了新的思路。在十多年前,LabVIEW主導(dǎo)了虛擬儀器的應(yīng)用,它聲稱“軟件就是儀器”。虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板,而是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境,在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來代替常規(guī)的儀器控制面板。軟面板上具有與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控件。用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板,對被測對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲、顯示。為了使軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化,并具有可復(fù)用性、開放性,在設(shè)計(jì)虛擬儀器時,必須遵照VXIplug&play系統(tǒng)聯(lián)盟制訂的VISA規(guī)范設(shè)計(jì)軟面板。
　　近年來,隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,虛擬儀器技術(shù)也從獨(dú)立的儀器發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器,從而產(chǎn)生了“數(shù)字化測量”這一概念。數(shù)字測量系統(tǒng)不僅僅指GPIB儀器和插卡式儀器,還包括通過分布式網(wǎng)絡(luò)、高速計(jì)算機(jī)總線以及智能傳感器進(jìn)行的測量。開發(fā)人員利用軟件技術(shù)把今天的系統(tǒng)通過Modem連接到網(wǎng)絡(luò)上去,通過瀏覽器采集和發(fā)布數(shù)據(jù),從而產(chǎn)生了基于Web的虛擬儀器。
　　基于Web的虛擬儀器,就是把虛擬儀器技術(shù)和面向Internet的Web技術(shù),二者有機(jī)結(jié)合所產(chǎn)生的新的虛擬儀器技術(shù)。以前虛擬儀器的主要工作是把傳統(tǒng)儀器的前面板移植到普通計(jì)算機(jī)上,利用計(jì)算機(jī)的資源處理相關(guān)的測試需求;現(xiàn)在基于Web的虛擬儀器則是把儀器的前面板移植到Web頁面上,通過Web服務(wù)器處理相關(guān)的測試需求。圖1為虛擬儀器和Web結(jié)合的基本模型。從圖中可以看出現(xiàn)在的測量系統(tǒng)是虛擬儀器與Web的結(jié)合,他們結(jié)合的紐帶就是Internet,網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在是無所不容、無所不能。
　　基于Web的虛擬儀器,任何人都可以把不同的儀器連接起來而不用去學(xué)習(xí)許多復(fù)雜的通信協(xié)議。現(xiàn)在,已經(jīng)有大量的工程師和科學(xué)家加入虛擬儀器的組織,因?yàn)樗麄冃枰�更高的系統(tǒng)吞吐率、可靠的通信方式以及更低的造價來建造數(shù)字測量系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)和Web技術(shù)的結(jié)合,將使虛擬儀器拓展到真正的分布式測試應(yīng)用環(huán)境中,對于豐富測試手段、提高測試效
　　率、充分利用有效資源都有著很好的作用。
　　
　　圖1虛擬儀器與WWW結(jié)合模型
　　三、構(gòu)建數(shù)字化測量系統(tǒng)
　　現(xiàn)在的數(shù)字化測量系統(tǒng)有以下幾個特點(diǎn):
　　2.1計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)成為數(shù)字測量系統(tǒng)的核心部分,完成著大量的數(shù)據(jù)處理和分析任務(wù),傳遞著比過去任何傳統(tǒng)測量系統(tǒng)更多的信息。微處理器的引入,使得測量系統(tǒng)不再因大量的計(jì)算而降低了運(yùn)行速度。例如,對于PⅢ500Hz的處理器,運(yùn)行1024點(diǎn)的FFT,其執(zhí)行時間僅為0.49ms。另外計(jì)算機(jī)的硬盤及RAM容量的增大,也提高了測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲能力。
　　2.2高速I/O接口。一個數(shù)字測量系統(tǒng)必須高速地把數(shù)據(jù)從測量設(shè)備傳到計(jì)算機(jī),以便計(jì)算機(jī)完成復(fù)雜的分析和計(jì)算。DAQ板、圖像采集卡等測量設(shè)備通過PCI、IEEE1394、USB、VXI等高速數(shù)據(jù)總線,把數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
　　2.3網(wǎng)絡(luò)。Internet和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展開辟了信息交流和數(shù)據(jù)共享的新階段。在過去,從測量系統(tǒng)向外實(shí)時的發(fā)布信息被認(rèn)為是不可能的,但現(xiàn)在來說,就很容易實(shí)現(xiàn)。圖2為數(shù)字測量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部分。從圖2可看出,現(xiàn)在的測量系統(tǒng)已緊緊地把測量設(shè)備、測量客戶端、公共數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器及瀏覽器連接起來,展示了采集、分析、表達(dá)的一個新方法。
　　
　　
　　
　　
　　在數(shù)字測量系統(tǒng)中,開發(fā)人員可以很容易地把網(wǎng)絡(luò)模塊嵌入到開發(fā)環(huán)境中,同時,用模塊化的軟件,也可以把系統(tǒng)的共享部分從測量系統(tǒng)中分離出來。網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用程序,也使得用戶具有主動權(quán),用戶可以根據(jù)需要從網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù),通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息,或者在幾個計(jì)算機(jī)之間分配任務(wù)。另外,當(dāng)越來越多的測量系統(tǒng)連接到Internet時,開發(fā)人員可以把數(shù)據(jù)分配到別的計(jì)算機(jī),通過Web連接到本地或遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫。
　　2.4軟件技術(shù)。軟件把整個測量系統(tǒng)連接起來。在數(shù)字測量系統(tǒng)中,軟件必須是模塊化的,像LabVIEW這樣的圖形化軟件開發(fā)工具,為不同的任務(wù)創(chuàng)建了不同的模塊,充分顯示了軟件的靈活性。如圖3所示,把軟件框架分成4個獨(dú)立的模塊化組件,這樣的模塊化設(shè)計(jì)思路有以下幾個特點(diǎn):
　　
　　①硬件的獨(dú)立性。圖3中的“測量和自動化服務(wù)軟件”層是一些板卡或儀器的驅(qū)動程序,這些驅(qū)動程序底層的軟件結(jié)構(gòu)是很相似的,所以當(dāng)硬件改變時,軟件不用改變。
　　②代碼的復(fù)用性。對于一個獨(dú)立的系統(tǒng),若用圖3中的“開發(fā)工具”,可以把一個龐大的軟件系統(tǒng)分成多個任務(wù),分別實(shí)現(xiàn)。這樣,當(dāng)一個新的應(yīng)用程序需要同樣的任務(wù)時,開發(fā)人員就可以在新的應(yīng)用程序中很容易地復(fù)用它的代碼。
　　③應(yīng)用程序的開放性。為了在軟件上減少投資測量系統(tǒng)必須不斷地采用新技術(shù),如果采用模塊化的組態(tài)軟件,開發(fā)人員就可以快速容易地把新技術(shù)加入到應(yīng)用程序。例如,當(dāng)一個新的數(shù)據(jù)共享技術(shù)產(chǎn)生時測量應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)共享部分將被性能更好的技術(shù)所代替。
　　所以說,軟件是數(shù)字化測量系統(tǒng)的最大特點(diǎn),通過軟件把測量設(shè)備連接到計(jì)算機(jī),通過Internet發(fā)布數(shù)據(jù),并用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。軟件設(shè)計(jì)獨(dú)立于硬件環(huán)境,開發(fā)人員可以利用在硬件上的最小投資和軟件的復(fù)用性,來建立一個低造價的測量系統(tǒng)。
　　2.5信號的測量精度。以前的采集卡,其采樣精度是固定的,不可改變。但是采用DSP技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)柔性精度,用戶可根據(jù)需要在軟件上設(shè)計(jì)不同的精度,以滿足不同的需要。圖4給出了系統(tǒng)的精度與采樣頻率的關(guān)系曲線。從曲線可以看出,A/D轉(zhuǎn)換器在100MHz時提供8位的分辨率,而在低頻應(yīng)用時,如1kHz可以提供21位的分辨率,美國國家儀器公司的NI5911數(shù)字化儀就可以達(dá)到這一指標(biāo)。當(dāng)然,虛擬A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)不單局限于采集的精度和速度之
　　間的折衷,在A/D轉(zhuǎn)換的其他方面,如通道數(shù)與采集速度等方面也可以進(jìn)行柔性伸縮。
　　
　　2.6高度地集成。數(shù)字化測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)測量系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于軟、硬件的高度集成化、模塊化。每個模塊必須是獨(dú)立的,但是也必須以最高的效率集成在一起。例如數(shù)字化示波器,通過高速數(shù)據(jù)總線連接到計(jì)算機(jī),采用集成化的軟、硬件,因此它的性能指標(biāo)比一般的模擬示波器要高得多。用這樣的模塊化軟件,可以把應(yīng)用軟件分成采集、分析和表達(dá)3部分。
　　①采集。現(xiàn)在的組態(tài)軟件把采集時用到的函數(shù)做成了動態(tài)連接庫,這樣開發(fā)人員可以很容易地把采集的信息送入計(jì)算機(jī);
　　②分析。現(xiàn)在有許多信號處理的軟件包,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件包、小波分析軟件包、模糊控制軟件包等,這些軟件包為編程人員節(jié)省了許多時間。
　　③表達(dá)。圖形用戶界面控件如Knobs、Graphs和Numeric等控件可以更清楚地表達(dá)信息。另外,用文件的I/O和數(shù)據(jù)共享功能來表達(dá)系統(tǒng)信息更方便。
　　數(shù)字測量系統(tǒng)集成方便,可以根據(jù)用戶的不同需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)。對于實(shí)驗(yàn)室測量系統(tǒng),靈活性是關(guān)鍵,因此組建系統(tǒng)時,通過GPIB把測量設(shè)備連接到計(jì)算機(jī),來實(shí)現(xiàn)硬件無法實(shí)現(xiàn)的功能。在戶外工作時,便攜性是關(guān)鍵,因此可以設(shè)計(jì)一種筆記本電腦式測試儀。對于工業(yè)流水線,性能指標(biāo)是關(guān)鍵,通過把基于PXI總線的測量設(shè)備嵌入PXI機(jī)箱來完成數(shù)據(jù)采集和表達(dá)。
　　四、結(jié)束語
　　計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,給現(xiàn)代測量系統(tǒng)帶來了新的思路,但也產(chǎn)生了一些新的問題,即如何提高遠(yuǎn)程測量的實(shí)時性、如何降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率等問題,成為迫切需要解決的問題。
　　
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