虛擬儀器構(gòu)成

虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試、測(cè)量?jī)x器。所以，它的構(gòu)成中必然包括硬件模塊和軟件模塊兩個(gè)部分。

圖1－5給出了早期虛擬儀器的基本構(gòu)成（主要體現(xiàn)在儀器控制應(yīng)用），在現(xiàn)代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)中我們依然可以看到這種構(gòu)成模式。其實(shí)，虛擬儀器的構(gòu)成本身是多 樣化和十分靈活的，并不局限與某種特定的模式上面。然而，隨著現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的虛擬儀器應(yīng)用實(shí)例往往是采用下面的基本形式，參見(jiàn)下圖。

圖 1－8 虛擬儀器基本構(gòu)成從上圖中可以看出，現(xiàn)代虛擬儀器的基本構(gòu)成可簡(jiǎn)單的劃分為三個(gè)部分：傳感器、多功能數(shù)據(jù)采集模塊（構(gòu)成虛擬儀器的硬件）、商業(yè)化計(jì)算機(jī)平臺(tái)（運(yùn)行虛擬儀器應(yīng)用軟件）。

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1.2.1 傳感器大家知道，自然界中許多物理量，比如聲壓、光強(qiáng)、溫度、壓力、流量、應(yīng)力等等是電子測(cè)量?jī)x器無(wú)法直接感知的。因?yàn)殡娮訙y(cè)量?jī)x器通常只能夠識(shí)別電壓、電流信 號(hào)或者是頻率信號(hào)，這些被稱為電信號(hào)。為了將這些物理量轉(zhuǎn)換成為電子測(cè)量?jī)x器能夠感知的電信號(hào)，則需要一種物理量變換元件——傳感器。

傳感器可以將一種物理量變換成為另一種物理量，其變換系數(shù)可視為常數(shù)。例如：我們通過(guò)麥克風(fēng)可以將聲音變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)熱電偶可以將溫度變?yōu)殡娦盘?hào)。這樣通過(guò)測(cè)量傳感器的輸出電信號(hào)就可以間接實(shí)現(xiàn)對(duì)原物理量的測(cè)量。

在工程測(cè)量過(guò)程中，傳感器已經(jīng)成為虛擬儀器中的一個(gè)重要組成部分，所以它的性能好壞將決定整個(gè)虛擬儀器的測(cè)量特性的好壞。
構(gòu)建虛擬儀器時(shí)，選擇變換性能穩(wěn)定的傳感器這點(diǎn)尤為重要。例如：傳感器最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，靈敏度。因靈敏度這個(gè)指標(biāo)反映了輸入變化引起輸出變化之間的 某種特定的函數(shù)關(guān)系。所以對(duì)傳感器靈敏度這個(gè)指標(biāo)，我們期待它長(zhǎng)期穩(wěn)定不變，并不受溫度等外界環(huán)境變化的影響。這不僅可以保證虛擬儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度，同時(shí) 也可以解決傳感器需要經(jīng)常標(biāo)定或校準(zhǔn)的問(wèn)題。因?yàn)閭鞲衅鞯臉?biāo)定或校準(zhǔn)，并不是所有實(shí)驗(yàn)室都可以做得到的，通常只有專業(yè)實(shí)驗(yàn)室才可以做到這點(diǎn)。

目前傳感器已經(jīng)發(fā)展到智能化傳感器階段。所謂智能化傳感器就是指：采用IEEE－1451標(biāo)準(zhǔn)的傳感器。這種傳感器在內(nèi)部提供了一個(gè)傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS），在使用時(shí)隨時(shí)可以提供給用戶。該表中紀(jì)錄了傳感器制造商的有關(guān)信息和傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等信息。
NI許多數(shù)據(jù)采集卡已經(jīng)開(kāi)始支持對(duì)TEDS數(shù)據(jù)的訪問(wèn)功能。

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1.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊傳感器實(shí)現(xiàn)了將物理信號(hào)變換成為電信號(hào)?？墒蔷陀?jì)算機(jī)而言，它同樣是無(wú)法直接識(shí)別來(lái)自傳感器輸出的電信號(hào)。而要想實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試測(cè)量，就必須將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。這個(gè)任務(wù)通常由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來(lái)完成。
數(shù)據(jù)采集模塊中包含了功能各異的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及其它部件。

NI公司也是一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊的專業(yè)制造商，它提供了品種眾多、性能各異的數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊有多種分類的方式，比如按平臺(tái)、按總線、按輸入通道數(shù)、按模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、按采樣速率、按同步或非同步測(cè)量、按動(dòng)態(tài)非動(dòng)態(tài)、按被測(cè)物理量等等。

這些數(shù)據(jù)采集模塊基本上可以滿足工程項(xiàng)目中幾乎所有物理量的采集。同時(shí)NI公司也提供了數(shù)據(jù)采集模塊的驅(qū)動(dòng)軟件。這種數(shù)據(jù)采集模塊與驅(qū)動(dòng)軟件來(lái)自同一個(gè)公 司的模式可以確保實(shí)現(xiàn)軟、硬件的無(wú)縫連接。這也為虛擬儀器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了多樣化的選擇和最有效技術(shù)上的支持與保證。

總之，選擇適合的數(shù)據(jù)采集模塊是工程應(yīng)用中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，這里給出選擇時(shí)需要注意的幾個(gè)基本原則：

最好選用NI的數(shù)據(jù)采集模塊，因?yàn)樗cNI的整個(gè)軟件系統(tǒng)是無(wú)縫連接的根據(jù)測(cè)量項(xiàng)目的需求確定總線（或平臺(tái)）模式根據(jù)信號(hào)分析的實(shí)時(shí)性確定是同步還是非同步卡根據(jù)信號(hào)分析所需的最高頻率確定采集卡的采樣速率根據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確度要求確定數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)
虛擬儀器的構(gòu)成是多樣化和十分靈活的，所以對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊本身做更全面、細(xì)致的了解是十分必要的。這些需要在實(shí)踐中不斷進(jìn)行總結(jié)和體會(huì)，只有這樣才能夠選擇確定虛擬儀器最佳的硬件系統(tǒng)。

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1.2.3 商業(yè)化計(jì)算機(jī)平臺(tái)顯然，在虛擬儀器的構(gòu)成中，商業(yè)計(jì)算機(jī)是一個(gè)極其重要的組成部分。因?yàn)樗翘摂M儀器應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境（目前還不涉及到虛擬儀器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)）。之所以強(qiáng)調(diào) 計(jì)算機(jī)為商業(yè)計(jì)算機(jī)，是因?yàn)闊o(wú)論LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境還是它所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序都需要在現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持下才能夠運(yùn)行。
就目前計(jì)算機(jī)的發(fā)展水平，幾乎所有的商業(yè)計(jì)算機(jī)都能夠滿足虛擬儀器的運(yùn)行條件。但是由于NI對(duì)Windows操作系統(tǒng)支持力度最大（Windows平臺(tái)下的工具包最多）。所以最好還是選用Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。

隨著計(jì)算機(jī)價(jià)格的不斷下降、性能的不斷提高，使我們有了更多的可選擇余地，但也要相應(yīng)的注意一些可能存在的問(wèn)題：
盡管一體機(jī)已經(jīng)成為主流的計(jì)算機(jī)，但因?yàn)樗鼈円呀?jīng)取消了PCI插槽，所以只適合選擇使用基于Ethernet、USB、WiFI接口的數(shù)據(jù)采集模塊。此類計(jì)算機(jī)如果作為儀器控制來(lái)用應(yīng)該沒(méi)有太多的限制。筆記本電腦與Ethernet、USB及WiFi數(shù)據(jù)采集卡相配合應(yīng)該更適于現(xiàn)場(chǎng)便攜式測(cè)量，并且C系列模塊的功能相當(dāng)豐富可選擇的余地也非常大。上網(wǎng)本或者是平板計(jì)算機(jī)如果是使用Windows操作系統(tǒng)應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題，與Ethernet、USB及WiFi數(shù)據(jù)采集卡相配合做現(xiàn)場(chǎng)便攜式測(cè)量。圖 1－9 全球最小的超便攜式電腦（OQO 03）在我的記憶中，1987年我們所使用的IBM電腦，主頻：4.77MHz、內(nèi)存640KB、5.25"軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器x2、硬盤(pán)10MB；PC-DOS 3.1操作系統(tǒng)。
對(duì)于計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度有人曾用這樣的方式類比過(guò)：“如果汽車能趕上計(jì)算機(jī)的發(fā)展周期的話，一輛今天的勞斯萊斯僅值100美元，每加侖要跑100萬(wàn)英里，每年還得爆炸一次，把里面的人殺個(gè)精光”。這話雖然偏激并難以理解，但它足以反映計(jì)算機(jī)發(fā)展速度的影響。