PXI在虛擬儀器的應用

 1 引言

       PXI（PCI面向儀器的擴展）是一個新的模塊化儀器平臺，它能夠提供高性能的測量，而價格并不十分昂貴。利用PXI模塊化儀器，您可以充分享受開放式工業(yè)標準化PC技術所帶來的低成本、簡便易用性、靈活性及高性能等優(yōu)點。PXI的核心技術是CompactPCI工業(yè)計算機體系結構、Microsoft Windows 軟件及VXI的定時和觸發(fā)功能。 

 2、電子測量儀器的發(fā)展 


     電子測量儀器發(fā)展至今，大體可分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。

　    第一代模擬儀器，這類儀器在某些實驗室仍能看到，如指針式萬用表、晶體管電壓表等。

       第二代數(shù)字化儀器，這類儀器目前相當普及，如數(shù)字電壓表、數(shù)字   
頻率計等。這類儀器將模擬信號的測量轉化為數(shù)字信號測量，并以數(shù)字方式輸出最終結果，適用于快速響應和較高準確度的測量。

       第三代智能儀器，這類儀器內置微處理器，既能進行自動測試又具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，可取代部分腦力勞動，習慣上稱為智能儀器。它的功能塊全部都是以硬件（或固化的軟件）的形式存在，相對虛擬儀器而言，無論是開發(fā)還是應用，都缺乏靈活性。

       第四代虛擬儀器，它是現(xiàn)代計算機技術、通信技術和測量技術相結合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是將來儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展一個重要方向。

       3、什么是虛擬儀器

       虛擬儀器(Virtual Instruments,簡稱VI)的概念，是美國國家儀器公司(National Instruments Corp.簡稱NI)于1986年提出的。虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)；是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。

       3.1、虛擬儀器的優(yōu)點

       與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有以下優(yōu)點：

     （1） 融合計算機強大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強了傳統(tǒng)儀器的功能。高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標準配置。

     （2） 利用了計算機豐富的軟件資源，實現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，節(jié)省了物質資源，增加了系統(tǒng)靈活性；通過軟件技術和相應數(shù)值算法，實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進行各種分析與處理；通過圖形用戶界面(GUI)技術，真正做到界面友好、人機交互。

     （3） 基于計算機總線和模塊化儀器總線，儀器硬件實現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小系統(tǒng)尺寸，可方便地構建模塊化儀器（Instrument on a Card）。

     （4） 基于計算機網(wǎng)絡技術和接口技術，VI系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)(connectivity)，廣泛支持諸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線標準。因此，利用VI技術可方便地構建自動測試系統(tǒng)（ATS，Automatic Test System），實現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡化。

     （5） 基于計算機的開放式標準體系結構。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點。因此，用戶可根據(jù)自己的需要，選用不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建時間。

       3.2、虛擬儀器的硬件系統(tǒng)

       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，如普通臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。計算機管理著虛擬儀器的硬軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。計算機技術在顯示、存儲能力、處理性能、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GPIB、VXI、PXI和DAQ四種標準體系結構。

     （1） GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口總線，是計算機和儀器間的標準通訊協(xié)議。GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已納入國際工業(yè)標準--IEEE 488.1和IEEE 488.2。它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配置了遵循IEEE 488的GPIB接口。典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機的控制軟件作相應改動。這種概念已被應用于儀器的內部設計。在價格上，GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器。但是GPIB的數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于500   
kb/s，不適合于對系統(tǒng)速度要求較高的應用。(標準接口總線在20m距離內，若每2m等效的標準負載相當于使用48mA的集電極開路式發(fā)送器，則最高工作速率是250kb/s，若采用三態(tài)門發(fā)送器，一般速率為500kb/s，最高可達1000kb/s。)

     （2） VXI（VMEbus eXtension for Instrumentation）即VME總線在儀器領域的擴展，是1987年在VME總線、Eurocard標準（機械結構標準）和IEEE 488等的基礎上，由主要儀器制造商共同制訂的開放性儀器總線標準。VXI 系統(tǒng)最多可包含 256個裝置，主要由主機箱、"0槽"控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅動軟件、系統(tǒng)應用軟件等組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用組成新系統(tǒng)。目前，國際上有兩個VXI總線組織。①VXI聯(lián)盟，負責制定VXI的硬件（儀器級）標準規(guī)范，包括機箱背板總線、電源分布、冷卻系統(tǒng)、零槽模塊、儀器模塊的電氣特性、機械特性、電磁兼容性以及系統(tǒng)資源管理和通訊規(guī)程等內容；②VXI總線即插即用(VXI Plug&Play，簡稱VPP)系統(tǒng)聯(lián)盟，宗旨是通過制訂一系列VXI的軟件（系統(tǒng)級）標準來提供一個開放性的系統(tǒng)結構，真正實現(xiàn)VXI總線產(chǎn)品的"即插即用"。這兩套標準組成了VXI標準體系，實現(xiàn)了VXI的模塊化、系列化、通用化以及VXI儀器的互換性和互操作性。VXI的價格相對較高，適合于尖端的測試領域。

     （3） PXI（PCI eXtension for Instrumentation）PCI在儀器領域的擴展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是 CompactPCI結構和Microsoft Windows軟件?！XI是在PCI內核技術上增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時鐘、用于精確定時的星形觸發(fā)總線、以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，來滿足試驗和測量用戶的要求。PXI兼容CompactPCI機械規(guī)范，并增加了主動冷卻、環(huán)境測試（溫度、濕度、振動和沖擊試驗）等要求。這樣，可保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。

     （4）  DAQ（Data AcQuisition）數(shù)據(jù)采集，指的是基于計算機標準總線（如ISA、
PCI、PC/104等）的內置功能插卡。它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性。利用DAQ可方便快速地組建基于計算機的儀器（Computer-Based Instruments），實現(xiàn)"一機多型"和"一機多用"。 在性能上，隨著A/D轉換技術、儀器放大技術、抗混疊濾波技術與信號調理技術的迅速發(fā)展，DAQ的采樣速率已達到1Gb/s，精度高達24位，通道數(shù)高達64個，并能任意結合數(shù)字I/O，模擬I/O、計數(shù)器/定時器等通道。儀器廠家生產(chǎn)了大量的DAQ功能模塊可供用戶選擇，如示波器、數(shù)字萬用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在ＰＣ計算機上掛接若干DAQ功能模塊，配合相應的軟件，就可以構成一臺具有若干功能的ＰＣ儀器。 

 3.3、虛擬儀器的軟件系統(tǒng)

       虛擬儀器技術最核心的思想，就是利用計算機的硬/軟件資源，使本來需要硬件實現(xiàn)的技術軟件化（虛擬化），以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)的功能與靈活性。基于軟件在VI系統(tǒng)中的重要作用，NI提出了"軟件就是儀器（The software is the instrument）"的口號。VPP系統(tǒng)聯(lián)盟提出了系統(tǒng)框架、驅動程序、VISA、軟面板、部件知識庫等一系列VPP軟件標準，推動了軟件標準化的進程。

　　虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：VISA庫、儀器驅動程序、應用軟件。

       VISA（Virtual Instrumentation software Architecture）虛擬儀器軟件體系結構，實質就是標準的I/O函數(shù)庫及其相關規(guī)范的總稱。一般稱這個I/O函數(shù)庫為VISA庫。它駐留于計算機系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，以實現(xiàn)對儀器的程控。它對于儀器驅動程序開發(fā)者來說是一個個可調用的操作函數(shù)集。

　　儀器驅動程序是完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應用程序實現(xiàn)儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅動程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。

　　   
應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動測試任務。

　　虛擬儀器應用軟件的編寫，大致可分為兩種方式：

　　①用通用編程軟件進行編寫。主要有Microsoft公司的Visual Basic與Visual C++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder；

　?、谟脤I(yè)圖形化編程軟件進行開發(fā)。如HP公司的VEE，NI公司的LabVIEW 和Lab windows/CVI等。

       應用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。通用數(shù)字處理軟件包括用于數(shù)字信號處理的各種功能函數(shù)，如頻域分析的功率譜估計、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和細化分析等；時域分析的相關分析、卷積運算、反卷運算、均方根估計、差分積分運算和排序等。以及數(shù)字濾波等等。這些功能函數(shù)為用戶進一步擴展虛擬儀器的功能提供了基礎。

       4、LabVIEW簡介

       80年代早期，計算機接口變得越來越精細，界面也越來越友好，NI的工程師們意識到：需要一種強大的軟件接口讓用戶通過他們的計算機獲得更簡單有效的測試與控制。蘋果公司的Macintosh為這種即將誕生的圖形化軟件語言提供了一個最好的環(huán)境：G語言。不久，NI為基于計算機的測量和自動化開發(fā)出了一個軟件包：LabVIEW。 

        LabVIEW是基于G語言的革命性的圖形化開發(fā)語言，用來進行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達。它的目標是簡化程序的開發(fā)工作，讓工程師和科學家能充分利用PC機的功能，快速簡便地完成自己的工作。十余年的不斷充實，使LabVIEW成為豐富、強大的實用工具軟件包。與LabVIEW同步推出的還有LabWindows/CVI，它的特點是可利用ANSI C編程語言建立與實用儀器的交互式開發(fā)環(huán)境。這兩者內部都配有GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的庫函數(shù)，以及全球幾百家廠商的儀器驅動程序。圍繞這些核心軟件還陸續(xù)開發(fā)出多種附件。
 
       LabVIEW的誕生標志著NI進入了專門從事VI（虛擬儀器）的時期。 

       5、PCI、PXI、VXI的比較

       基于PCI總線、基于PXI總線、基于VXI總線虛擬儀器測試系統(tǒng)由于總線的不同而具有各自的特點與應用范圍。

       與傳統(tǒng)儀器組建的測試系統(tǒng)相比，基于PCI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)在性能、靈活性、易用性和低價格等方面具有絕對優(yōu)勢。其儀器硬件為插卡式，具有與計算機插卡相同的尺寸，將硬件插卡直接插入計算機中的PCI槽上即可構成測試系統(tǒng)，充分利用計算機的資源來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理、故障分析診斷和過程控制等智能測控。與基于其它總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)相比，價格低廉的特點使其在工業(yè)、軍工、教育和科研領域得到了廣泛得以應用。缺點在于基于PCI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)缺乏觸發(fā)線標準化及其所處的計算機環(huán)境，這一環(huán)境不能滿足大功率，高質量冷卻，仔細考慮RFI/EMI屏蔽的復雜而精密的測試任務的要求。插卡的連線也可能因所用的計算機型號的限制而生產(chǎn)困難。插槽數(shù)十分有限，難以容納大量的通道。  
 基于PXI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)由于PXI總線產(chǎn)品對PCI總線產(chǎn)品的完全兼容，這樣在許多領域，他們與基于PCI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)可以互相代替，而具有性能超過前者，只是價格稍高一些。用戶如果想在現(xiàn)有的基于PCI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)轉向基于PXI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)，只需對硬件投資，原有的軟件可不加任何修改而運行在PXI系統(tǒng)上。同時由于PXI總線對機箱內部器件工作環(huán)境做了嚴格的規(guī)定以及PXI系統(tǒng)擁有比臺式機設計更多的擴展槽，致使PXI系統(tǒng)可以在惡劣工作環(huán)境下正常工作，從而可以適應各種各樣更大復雜的測試領域。由于PXI總線是PCI總線基礎上借鑒VXI總線的儀器特性組合而成，PXI系統(tǒng)在價格上和性能上介于PCI系統(tǒng)和VXI系統(tǒng)之間。

       VXI總線從1987年誕生至今雖然歷史不長，但VXI總線產(chǎn)品從無到有、從小到大，已形   
成規(guī)模生產(chǎn)，特別是從90年代開始，VXI總線的產(chǎn)品發(fā)展呈指數(shù)上升趨勢。VXI總線模板本身不帶電源，沒有面板，按鍵，旋鈕和顯示器，電參數(shù)的設定及測量結果顯示必須通過軟件面板來實現(xiàn)，是很好的虛擬儀器系統(tǒng)平臺，將VXI總線這項技術與計算機網(wǎng)絡技術相結合，利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)資源，可實現(xiàn)交互式網(wǎng)頁基礎上組建遠程通信及測試網(wǎng)絡。VXI總線的系統(tǒng)結構為虛擬儀器開發(fā)提供了更為理想的環(huán)境，基于VXI總線虛擬儀器測試系統(tǒng)將會成為二十一世紀程控測試系統(tǒng)的主流。目前由于價格昂貴，它主要應用在尖端測試領域，據(jù)數(shù)據(jù)資料表明，VXI系統(tǒng)用戶72%來源于通訊業(yè)和軍工業(yè)。

       不同的測試任務對測試系統(tǒng)有不同的要求，一種虛擬儀器測試系統(tǒng)不可能涵蓋整個社會對測量的要求。對虛擬儀器測試系統(tǒng)的發(fā)展應該有一個客觀的認識?；赑CI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)通常適用于低頻低速的過程測控系統(tǒng)、教學實驗和實驗室常規(guī)測試?；赑XI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)由于電磁兼容性能及冷卻性能的改善和模塊式結構可用在一般要求的自動測試系統(tǒng)場合和系統(tǒng)總價格有所限制的自動測試系統(tǒng)。基于VXI虛擬儀器測試系統(tǒng)具有良好的性能，可用于自動措施系統(tǒng)是特別是高速大數(shù)據(jù)量自動測試系統(tǒng)，寬頻帶自動測試系統(tǒng)和軍用自動化測量，代表著二十一世紀測試技術的發(fā)展方向。 

       6、結束語

       PXI兼?zhèn)淞薱ompact PCI標準的高性能和VXI儀器系統(tǒng)的高可靠性，同時 ，保持了比VXI更具吸引力的價格優(yōu)勢，是能滿足您高標準測試要求的最佳性價比選擇。開放式PXI規(guī)范利用了多項現(xiàn)有工業(yè)標準技術，以提供最佳的測量和自動化平臺。其中最主要的電氣規(guī)范由非常成功的PCI總線擴展而來。 面向儀器的電氣擴展包括內置的觸發(fā)和局部總線，而這些又是由高性能的VXI儀器結構擴展而來。
因此，PXI是目前我所構建測量平臺的最佳選擇。

 

       參考文獻

1、 劉文彥、周學平  現(xiàn)代測試系統(tǒng)  國防科技大學出版社

2、 鮑芳、馮燕  基于 PCI/PXI/VXI總線的虛擬儀器的測試系統(tǒng)  工業(yè)儀表與自動化裝置

3、 劉輝、翼然然  PCI系統(tǒng)結構  電子工業(yè)出版社