虛擬儀器的概念及其系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)

 虛擬儀器概念

如果總結(jié)哪一項(xiàng)技術(shù)在過去50年中，對人類生活的影響最大，那肯定是計(jì)算機(jī)技術(shù)。計(jì)算機(jī)歷經(jīng)50年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)滲透到了日常生活的方方面面。似乎生活中的任何一件物品，不與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，就無法再創(chuàng)新;而一旦與計(jì)算機(jī)結(jié)合在一起，則會(huì)立刻迸發(fā)出令人瞠目的活力。

傳統(tǒng)設(shè)備與計(jì)算機(jī)的結(jié)合通常有兩個(gè)方向，一是以計(jì)算機(jī)為主體，在計(jì)算機(jī)上添加某些必要硬件設(shè)備，完成傳統(tǒng)設(shè)備的功能;二是以傳統(tǒng)設(shè)備為基礎(chǔ)，在其上添加計(jì)算機(jī)軟硬件。以電話為例，它的發(fā)展方向：一是為計(jì)算機(jī)配備耳機(jī)、麥克風(fēng)、攝像頭等硬件，然后直接通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行語音、視頻通訊;其二，是把外形和功能都縮減后的計(jì)算機(jī)直接安裝到電話上，并在安裝上相應(yīng)的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，成為智能手機(jī)。

不論采用哪種融合方式，傳統(tǒng)設(shè)備的功能都被革命性的增強(qiáng)了，而其成本卻不斷降低。比如說，在計(jì)算機(jī)上，可以把電話的單純語音通話功能擴(kuò)展為語音視頻交流，而起每次通訊的邊際成本幾乎為零;時(shí)下流行的各種手機(jī)，在嵌入計(jì)算機(jī)設(shè)備后，除了用于通話，更可以用來娛樂甚至辦公。這些都是傳統(tǒng)電話所不能比擬的。

圖 1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的結(jié)構(gòu)

在測試測量領(lǐng)域，測試儀器經(jīng)歷了與電話及其類似的發(fā)展過程。它們或者被植入CPU、內(nèi)存、安裝上軟件，具備了計(jì)算機(jī)的基本功能;或者被拆解開來，取其核心部件插入到計(jì)算機(jī)中去，使計(jì)算機(jī)具備測試功能。這兩種發(fā)展方向都使得儀器的功能更強(qiáng)大，速度更快。但其區(qū)別之處在于，把儀器移植到計(jì)算機(jī)上，更多考慮的是降低成本;而把計(jì)算機(jī)移植到儀器上，則更多的是為了滿足儀器小型化的需要。

在計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力強(qiáng)大到一定程度之后，以“虛擬”為前綴的各項(xiàng)技術(shù)開始紛紛出現(xiàn)，比如虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬機(jī)、虛擬儀器等。虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)表現(xiàn)真實(shí)世界;虛擬機(jī)是指在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上模擬多臺(tái)計(jì)算機(jī);同樣虛擬儀器是指在計(jì)算機(jī)上完成儀器的功能。

虛擬儀器的概念是相對于傳統(tǒng)儀器來說的。記得以前上學(xué)做物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，常常用到萬用表、示波器等儀器，它們每臺(tái)儀器就是一個(gè)固定的方盒子，它們所有的測量功能都在這個(gè)盒子內(nèi)完成，這就是所謂的傳統(tǒng)儀器。而進(jìn)入到虛擬儀器時(shí)代，這種單一功能的方盒子開始逐漸被電腦所取代。

傳統(tǒng)儀器的方盒子，用戶看不到其內(nèi)部，更無法改變其結(jié)構(gòu)。因此，一臺(tái)傳統(tǒng)儀器一旦離開它生產(chǎn)線后，其功能和外觀就固定下來了。用戶只能利用一臺(tái)傳統(tǒng)儀器完成某個(gè)功能固定的測試任務(wù)。一旦測試需求改變，則必須再次購買滿足新需求的儀器。

而虛擬儀器的最大優(yōu)勢則在于，它除了基礎(chǔ)的信號(hào)采集部分，其它軟硬件全部采用通用的計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)備。這些通用的軟硬件設(shè)備可以以低廉的價(jià)格進(jìn)行升級(jí)，或者被使用者按自己意愿進(jìn)行配置。比如，在虛擬儀器上，用戶可以通過升級(jí)CPU來加快儀器的處理速度、可以自己編寫程序來改變儀器的測試功能和交互界面。

虛擬儀器系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)

按照系統(tǒng)中各部分之間的依賴關(guān)系，可以把一套虛擬儀器系統(tǒng)劃分成幾個(gè)層次，如圖 2所示。最籠統(tǒng)的劃分方式是把虛擬儀器系統(tǒng)劃分為軟件部分和硬件部分。

雖然軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的主體，但硬件仍然是整個(gè)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分。硬件主要負(fù)責(zé)將被測量物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)，而軟件系統(tǒng)一方面負(fù)責(zé)控制硬件的工作，一方面又負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、顯示和存儲(chǔ)。

圖 2 虛擬儀器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)虛擬儀器的硬件部分時(shí)需要考慮多種因素，以下列舉其中最主要的幾個(gè)：

* 被測量物理信號(hào)的特性。不同的物理信號(hào)需要使用不同類型的傳感器將其轉(zhuǎn)換為可供電腦分析的數(shù)字電信號(hào)，而不同的傳感器又需要配備不同的信號(hào)調(diào)理模塊。某些早期虛擬儀器系統(tǒng)直接通過GPIB等總線與傳統(tǒng)儀器相連，利用傳統(tǒng)儀器的硬件部分轉(zhuǎn)換和采集被測信號(hào)。

* 硬件技術(shù)指標(biāo)。不同檔次的數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以支持的采樣率、分辨率以及精度等都有差別。通常，一套系統(tǒng)會(huì)選取能夠滿足測量需要的最低級(jí)別硬件或是不超出資金預(yù)算的最高級(jí)別硬件。

* 滿足應(yīng)用需求。根據(jù)虛擬儀器系統(tǒng)工作環(huán)境的不同，需要為系統(tǒng)選擇不同種類的運(yùn)算、控制單元。比如，工作在惡劣環(huán)境下的虛擬儀器系統(tǒng)需要采用工業(yè)級(jí)別計(jì)算機(jī)作為載體;被放置在工業(yè)現(xiàn)場狹小空間內(nèi)的虛擬儀器需要采用嵌入式系統(tǒng);需要滿足多種測量功能的虛擬儀器系統(tǒng)可以選用PXI機(jī)箱作為載體。

設(shè)計(jì)虛擬儀器系統(tǒng)的軟件部分首先需要考慮的是使用何種開發(fā)平臺(tái)。開發(fā)平臺(tái)的選擇，一要考慮系統(tǒng)硬件的限制，二要考慮軟件開發(fā)的周期和成本。

某些硬件只支持特定的開發(fā)軟件，比如某些嵌入式系統(tǒng)必須使用Linux操作系統(tǒng)和C編程語言。一般來說基于臺(tái)式機(jī)的虛擬儀器系統(tǒng)對開發(fā)軟件的支持更全面，可以選擇Windows或其它操作系統(tǒng)，可以選擇LabVIEW、VB 、VC等各種常用編程語言。這其實(shí)也是在硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的因素，選擇虛擬儀器硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量選擇有完善軟件支持的硬件設(shè)備。

各種開發(fā)軟件的適用場合、難易程度都不盡相同。選擇一種最為廣泛應(yīng)用的開發(fā)語言，可以提高軟件開發(fā)效率，節(jié)省開發(fā)成本，保證系統(tǒng)質(zhì)量。

根據(jù)TIOBE公司統(tǒng)計(jì)的各類編程語言的使用情況，近年來Java、C、C++始終是使用的最為廣泛的編程語言。但就測試測量領(lǐng)域來說，情況并非如此。在測控領(lǐng)域，使用最為廣泛的編程語言是LabVIEW，它也是開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)的首選編程語言。