本文介紹了虛擬儀器的構成及其特點，分析了如何從軟件和硬件方面構造具體的虛擬儀器；提出了一種虛擬儀器技術在數據采集中新的應用方法，該方法利用虛擬儀器制作數據采集器，分別從硬件設計、軟件設計兩個角度闡述了數據采集器的具體制作方法。實際應用證明是 行之可靠的，可供技術人員在組建基于虛擬儀器技術的數據采集器時參考使用。 虛擬儀器是以一種全新的理念來設計和發展的儀器，他是90年代發展起來的一項新技術，主要用于自動測試、過程控制、儀器設計和數據分析等領域，其基本思想是在儀器設計或測試系統中盡可能用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”，他是在通用計算機平臺上，根據用戶需求來定義和設計儀器的測試功能，其實質是充分利用計算機的最新技術來實現和擴展傳統儀器的功能。 1、虛擬儀器的特點和構成 1.1 虛擬儀器的特點 與傳統儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性 好等明顯優點，具體表現為： 智能化程度高，處理能力強 虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。 復用性強，系統費用低 應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高 速數字采樣器，可設計出數字示波器、邏輯分析儀、計數器等多種儀器。這樣形成的測試儀 器系統功能更靈活、更高效、更開放、系統費用更低。通過與計算機網絡連接，還可實現虛 擬儀器的分布式共享，更好地發揮儀器的使用價值。 可操作性強，易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的 多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數 據庫系統或通過網絡發送。測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的 可操作性大大提高而且易用、靈活。 1.2 虛擬儀器的構成 虛擬儀器的構建主要從硬件電路的設計、軟件開發與設計2個方面考慮。 硬件電路的設計主要根據用戶所面對的任務決定，其中接口設計可選用的接口總線標準包 括GP IB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因為他具有通用性強、可擴充性好、傳輸速 率高、抗干擾能力強以及良好的開放性能等優點，因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀 器生產廠家的認可，目前VXI模塊化儀器被認為是虛擬儀器的最理想平臺，是儀器硬件的發 展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電 路的設計一般可以選擇用現有的各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括：信號調 理和高速數據采集；信號輸出與控制；數據實時處理。這3部分概括了數字化儀 器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就能構成任何一種虛擬儀器。 例如使用高速數據采集模塊和高速實時數據處理模塊就能構成1臺示波器、1臺數字化儀或 1臺頻譜分析儀；使用信號輸出與控制模塊和實時數據處理模塊就能構成1臺函數發生器、1臺信號源或1臺控制器。專用接口是針對特定用途儀器需要的設計，也包括一些現場總線 接口和各類傳感器接口。系統的主要硬件包括控制器、主機箱和儀器模塊。常用的控制方案 有GPIB總線控制方式的硬件方案、MXI總線控制方式的硬件方案、嵌入式計算機控制方式的硬件方案3種。VXI儀器模塊又稱為器件（devices）。VXI有4種器件：寄存器基器件、消 息基器件、存儲器器件和擴展器件。存儲器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸 大量數據。擴展器目前是備用件，為今后新型器件提供發展通道。將VXI儀器制作成寄存器 基器件，還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像VME總線器件 ，是在低層用二進制信息編制程序。他的明顯優點在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制這一層次上進行通信的。這種高速通信可以使測試系統吞吐量大大提高。因此，寄 存器基器件適用于虛擬儀器中信號/輸出部分的模塊（如開關、多路復用器、數/模轉換輸出 卡、模/數轉換輸入卡、信號調理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用A SCII字符進行通信，與這種器件十分相似是獨立HPIB儀器。消息基器件用一組意義 明確的 “字串行協議”相互進行通信，這種異步協議定義了在器件之間傳送命令和數據所需的掛鉤 要求。消息基器件必須有CPU（或DSP）進行管理與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器 中數字信號處理部分的模塊。 軟件的開發與設計包括3部分：VXI總線接口軟件、儀器驅動軟件和應用軟件（軟面板） 。軟件結構如圖1所示。 VXI總線接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和 編程函數庫等。該軟件在編程語言和VXI總線之間建立連接，提供對VXI背板總線的控制和支 持，是實現VXI系統集成的基礎。 儀器驅動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅動軟件，他 的設計必須符合VPP的2個規范，即VPP3.1《儀器驅動程序結構和模型》和VPP3.2《儀器 驅動程序設計規范》。 “軟面板”設計就是設計具有可變性、多層性、自助性、人性化的面板，這個面板應不 僅同傳統儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動條、開關按鈕、報警裝 置等功能部件，而且應還具有多個連貫操作面板、在線幫助功能等。 2、虛擬儀器在數據采集中的應用 利用虛擬儀器制作數據采集器可以按照硬件設計、軟件設計兩個步驟來完成。 2.1 硬件設計 硬件設計要完成以下內容： （1） 模/數轉換及數據存儲 設置具有通用性的數據自動采集系統，一般應滿足能對多路信號盡可能同步地進行采集，為了使所采集到的數據不但能夠在數據采集器上進行存儲，而且還能及時地在采集過程中 將數據傳送到上位機，選用存儲量比較適中的先進先出存儲器，這樣既能滿足少量數據存儲 的需要，又能在需要實時傳送數據時，在A/D轉換的同時進行數據傳送，不丟失任何數據。 （2） VXI總線接口 VXI總線數據采集器通常可以利用兩種VXI總線通用接口消息基接口和寄存器基接口。消 息基接口的作用是通過總線傳送命令，從而控制儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡單的讀寫來控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進行設計，具體消息基接口的框圖見圖2。 （3） 采樣通道控制 為了滿足幾種典型系統通道控制的要求，使通道的數量足夠多，通道的選取比較靈活，可以利用寄存器電路、可預置計數器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設計成最多64路、最少2路可以任意選擇，而且可以從任意一路開始采樣，也可以到任意一路結束采樣，只要截止通道號大于起始通道號就可以了。整個控制在虛擬儀器軟面板上進行操作，通過消息基接口將命令寫在這部分的控制寄存器中，從而設置計數器的初值以及采樣的通道總數。 （4） 定時采樣控制 由于不同的自動測試系統對采樣時間間隔的要求不同，以及同一系統在不同的試驗中 需要的采樣時間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時間間隔設置在2 μs～13. 0 ms之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是2 μs。所有這些選擇設置可以在虛擬儀器軟面板上進行。 （5） 采樣點數控制 根據不同測試系統的需求，將采樣點數設計成可在一個比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進行。 （6） 采樣方式控制 總結各種自動測試系統的采樣方式不外乎軟件觸發采樣和硬件 觸發采樣。在硬件觸發采樣中又包括同步整周期采樣和非同步整周期采樣，這2種采樣又可 以是定時進行的或等轉速差進行的。所有這些采樣方式，對于數據采集器來說都可以在軟面 板上進行選擇。 2.2 軟件設計 軟件是虛擬儀器的關鍵，為使VI系統結構清晰簡潔，一般可采用組件化設計思想，將各部分彼此獨立的軟件單元分別制成標準的組件，然后按照系統的總體要求組成完整的應用系統，一個標準的組件化的虛擬儀器軟件系統，如圖3所示。 應用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴展其功能的必要工具，以及利用PC機、工作站的 強大功能。同時VPP聯盟提出了建立虛擬儀器標準結構庫（VISA）的建議，為虛擬儀器的研 制與開發提供了標準。這也進一步使由通用的VXI數據采集模塊、CPU/DSP模塊來構成虛擬儀器成為可能。 基于虛擬儀器的數據采集器的軟件包括系統管理軟件、應用程序、儀器驅動軟件和I/O接 口 軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開發，往往很困難，但現在NI公司提供了所有這 四部分軟件，使應用開發比以往容易得多。 下面簡單介紹以NI公司的Lab Windows/CVI為開發環境，來進行VXI虛擬儀器的驅動程序開發的方法。 第一步：生成儀器模塊的用戶接口資源文件（UIR）。用戶接口資源、文件是儀器模塊 開 發者利用Lab Windows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設計的一個圖形用戶界面（GUI）。 一個Lab Windows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及 許多其他控制項和說明項構成。 第二步：Lab Windows/CVI事件驅動編程。應用程序開發環境Lab Windows/CVI中設計一個 用戶接口，實際上是在用戶計算機屏幕上定義一個面板，他由各種控制項（如命令按鈕、菜 單、曲線等）構成。用戶選中這些控制項就可以產生一系列用戶接口事件（events）。例如 ，當用戶單擊一個命令按鈕，這個按鈕產生一個用戶接口事件，并傳遞給開發者編寫的C語 言驅動程序。這是運用了Windows編程的事件驅動機制。Lab Windows/CVI中使用不同類型的 控制項，在界面編輯器中將顯示不同類型的信息，并產生不同操作的接口事件。在Lab Wind ows/CVI的開發平臺中，對事件驅動進行C程序編程時可采用2種基本的方法：回調函數法和 事件循環處理法。 回調函數法是開發者為每一個用戶界面的控制項寫一個獨立的用戶界面的控制函數 ，當選中某個控制項，就調用相應的函數進行事件處理。在循環處理法中，只處理GUI控制 項所產生的COMMIT事件。通過Get User Event函數過濾，將所有的COMMIT事件區分開，識別 出是由哪個控制項所產生的事件，并執行相應的處理。 第三步：應用函數/VI集與應用程序軟件包編寫。應用函數/VI集需針對具體儀器模塊 功能進行編程，應用程序軟件包只是一些功能強大、需要完善的數據處理能力的模塊才需要 提供，如波形分析儀模塊、DSP模塊等。 圖4是基于虛擬儀器的系統測試流程。 3、結語 本文探討了虛擬儀器的基本組成，以及實際的虛擬儀器軟硬件設計的一般方法，這些方法經過實際設計工作運用證明是可靠的，可供系統工程技術人員在組建具體的基于VXI總線的虛擬儀器數據采集、測試時參考使用。 參考文獻 [1] 趙勇.虛擬儀器軟件平臺和發展趨勢［J］.國外電子測量技術,2002,（1） [2] 陳光禹.VXI總線測試平臺［M］.北京：電子科技大學出版社,1996 [3] 孫昕，張忠亭，薛長斌.集成VXI總線自動測試系統的方法［J］.測控技術,1996,15（4） [4] 張毅剛，彭喜元，姜寧達，等.自動測試系統［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2001 [5] 汪紅.基于組件的虛擬儀器軟件系統［J］.微型計算機信息,2001,（ 1）：76-77