基于虛擬儀器概念的多功能無紙記錄儀的設(shè)計開發(fā)

摘 要： 從虛擬儀器的概念出發(fā)，采用低成本自動化系統(tǒng)的研究方法，提出了一種在硬件上基于PC/104嵌入式工控模板、軟件上基于通用編程語言的多功能無紙記錄儀，并著重從硬件設(shè)計和軟件開發(fā)等方面進行了分析與論述
關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 嵌入式系統(tǒng) 無紙記錄儀

１ 虛擬儀器技術(shù)的概念及其應(yīng)用前景

自1986年美國國家儀器公司（NI）提出虛擬儀器(Virtual Instrument)的概念以來，這種集計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和測量技術(shù)于一體的模塊化儀器便在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認同與應(yīng)用，逐步體現(xiàn)了儀器儀表技術(shù)發(fā)展的一種趨勢由于微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和軟件技術(shù)的高度發(fā)展，以及它們與各種測量技術(shù)在儀器儀表上的應(yīng)用，使新的測試理論、測試方法、測試領(lǐng)域以及儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)并發(fā)展成熟，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，儀器測量的功能和作用也發(fā)生了質(zhì)的變化虛擬儀器概念的產(chǎn)生正是基于這樣一種技術(shù)背景

儀器儀表技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下兩條發(fā)展主線：從測量的技術(shù)和方法上劃分，經(jīng)歷了從機械儀表、模擬電子儀表、數(shù)字化電子儀表到智能儀表的發(fā)展過程；從儀表結(jié)構(gòu)上劃分，經(jīng)歷了單機儀表、疊架式儀器系統(tǒng)到虛擬儀器系統(tǒng)的發(fā)展過程傳統(tǒng)儀器一般均為一個獨立的裝置，有機箱、操作面板、信號I/O端子、信號處理機構(gòu)或電路等，檢測結(jié)果輸出方式有數(shù)字、指針或圖形窗口等，有的還有打印輸出口傳統(tǒng)儀表的功能可概括描述為：信號采集與控制、信號分析與處理、結(jié)果的表達與輸出，這些功能均以硬件或固化軟件的形式存在這種架構(gòu)形式?jīng)Q定了傳統(tǒng)儀器只能由儀器的生產(chǎn)廠來定義制造，而用戶無法改變傳統(tǒng)儀器基本上未能擺脫獨立使用、手動操作、功能相對固定、使用具有局限性的模式計算機技術(shù)的發(fā)展，給傳統(tǒng)儀表技術(shù)注入了強大的活力，在微電子技術(shù)和LSIC技術(shù)推動下，有力地促進了數(shù)字化儀器、智能儀器的快速發(fā)展

在虛擬儀器系統(tǒng)中，用計算機靈活強大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，通過一組軟件和硬件，形成了既有普通儀器的基本功能、又有一般儀器所不具備的特殊功能的新型儀器虛擬儀器本質(zhì)上是利用PC機強大的運算能力、圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立具有良好人機交互性能的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，并通過一組軟件和硬件，實現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對象的各種功能在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是解決信號的輸入／輸出問題的方法和軟件賴以生存、運行的物理環(huán)境，軟件才是整個儀器的核心構(gòu)件，正如NI公司提出的口號“軟件就是儀器”，任何使用者只要通過調(diào)整或修改儀器的軟件，便可方便地改變和增減儀器的功能和規(guī)模，甚至儀器的性質(zhì)

虛擬儀器的構(gòu)成：如果按照構(gòu)成儀器的三大功能部件來分，所有控制系統(tǒng)、工業(yè)計測系統(tǒng)均可歸納至虛擬儀器的框架中來目前較為常見的虛擬儀器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），見圖１可編程儀器的信號處理、定時控制、集成總線、高速緩存、DMA等技術(shù)的應(yīng)用，使這樣的SCADA系統(tǒng)能達到儀器級的性能、精度與可靠性

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺：虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺目前主要有兩類：第一類是基于傳統(tǒng)語言的Turbo C、VB、VC++等，這類語言具有適應(yīng)面廣、開發(fā)靈活的特點，但開發(fā)人員需有較多的編程經(jīng)驗和較強的調(diào)試能力；第二類是基于圖形組態(tài)和編程的圖形組態(tài)軟件，如HP公司的VEE、IOtech公司的Dasylab、NI公司的LabVIEW、Capital Equipment公司的Testpoint 2.0和HEM公司的Snap-Master等這類組態(tài)軟件都通過建立和連接圖標來構(gòu)成虛擬儀器工作程序并定義其功能，而不是用傳統(tǒng)的文本編輯形式它們具有編程效率高、通用性強、交叉平臺互換性好的特點，適用于大批量多品種儀器的生產(chǎn)該類軟件缺點是缺少程序流程控制，大都解釋執(zhí)行

當今的儀器儀表開發(fā)技術(shù)正與計算機技術(shù)日益緊密地結(jié)合在一起，利用虛擬儀表技術(shù)開發(fā)基于PC機的多功能無紙記錄儀，可使其硬件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、兼容性好、功能大大增強、使用更為靈活，并且可通過更新軟件實現(xiàn)不同的記錄要求，真正達到一機多用的目的