虛擬儀器系統(tǒng)的設計方案

虛擬儀器是全新概念的儀器，它是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，它的出現(xiàn)開始了儀器發(fā)展的全新時代，是儀器領域的一場革命。設計功能強大、高效、集成完美，應用于測試和測控領域的虛擬儀器系統(tǒng)是信息時代的需求。

　　1 虛擬儀器系統(tǒng)的構成

　　虛擬儀器由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC為基礎的內置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。

　　1.1 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構成

　　虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡、總線標準等方面的發(fā)展，導致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。

　　按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標準體系結構，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉換。

　　1.2 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構成

　　測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)當代科學技術復雜的測試任務。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分。

　　1.2.1儀器面板控制軟件

　　儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。

　　1.2.2 數(shù)據(jù)分析處理軟件

　　利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強大的函數(shù)庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時間。

　　1.2.3 儀器驅動軟件

　　虛擬儀器驅動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅動器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅動程序的核心是驅動程序函數(shù)/VI集，函數(shù)/VI是指組成驅動的模塊化子程序。驅動程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應用函數(shù)/VI層，它根據(jù)具體測量要求調用底層的函數(shù)/VI。

　　1.2.4 通用I/O接口軟件

　　在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結構中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。VXI總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標準，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標準，VISA具有與儀器硬件接口無關性的特點， 即這種軟件結構是面向器件功能而不是面向接口總線的。應用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設備上，這樣不但大大縮短了應用程序的開發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開發(fā)的方式和手段。

　　2 虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設計標準

　　虛擬儀器軟面板是用戶用來操作儀器，與儀器進行通信，輸入?yún)?shù)設置，輸出結果顯示的用戶接口。其設計準則是：

　?。?） 按照VPP規(guī)范設計軟面板，使面板具有標準化、開放性、可移植性。

　?。?） 根據(jù)測試要求確定儀器功能。根據(jù)測試任務確定儀器軟面板具體測試、測量功能，開關、控制等設置要求。

　?。?） 用面向對象的設計方法設計軟面板。按照面向對象的設計思想，一個虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個虛擬儀器組成，每個虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控件組成。