摘要:分析了儀器發展的幾個階段,探討了網絡化時代的虛擬儀器體系結構,并對數字化測量作了詳細的介紹。
　　關鍵詞:體系結構;虛擬儀器;數字化測量
　　一、引言
　　計算機的發展帶動了許多行業的發展,測量領域也不例外。在測量領域,計算機已經成為測量系統的核心,徹底改變了傳統的測量模式。測量系統已經從松散結合的、常常不兼容的、獨立的儀器發展成緊密結合的測量系統。
　　回顧測量領域的每一次飛躍都和計算機的發展有關。計算機與測量系統的首次結合是GPIB設備GPIB利用計算機對傳統儀器的功能加以擴展和延伸隨后出現的PC-DAQ,利用標準工業計算機總線來實現高速采集;VXI總線則是VMEbus在儀器領域的擴展是計算機操縱的模塊化自動測量系統;而PXI則是將CompactPCI規范定義的PCI總線技術,定義成適合于試驗、測量和數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范。隨著網絡技術的飛速發展,更是給測量系統增加了新的內容,引起了虛擬儀器的革命。
　　二、虛擬儀器的革命
　　虛擬儀器技術給測量系統帶來了新的思路。在十多年前,LabVIEW主導了虛擬儀器的應用,它聲稱“軟件就是儀器”。虛擬儀器沒有常規儀器的控制面板,而是利用計算機強大的圖形環境,在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來代替常規的儀器控制面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關、指示燈及其他控件。用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板,對被測對象進行數據采集、分析、存儲、顯示。為了使軟件設計標準化、模塊化,并具有可復用性、開放性,在設計虛擬儀器時,必須遵照VXIplug&play系統聯盟制訂的VISA規范設計軟面板。
　　近年來,隨著計算機的發展,虛擬儀器技術也從獨立的儀器發展成為網絡化虛擬儀器,從而產生了“數字化測量”這一概念。數字測量系統不僅僅指GPIB儀器和插卡式儀器,還包括通過分布式網絡、高速計算機總線以及智能傳感器進行的測量。開發人員利用軟件技術把今天的系統通過Modem連接到網絡上去,通過瀏覽器采集和發布數據,從而產生了基于Web的虛擬儀器。
　　基于Web的虛擬儀器,就是把虛擬儀器技術和面向Internet的Web技術,二者有機結合所產生的新的虛擬儀器技術。以前虛擬儀器的主要工作是把傳統儀器的前面板移植到普通計算機上,利用計算機的資源處理相關的測試需求;現在基于Web的虛擬儀器則是把儀器的前面板移植到Web頁面上,通過Web服務器處理相關的測試需求。圖1為虛擬儀器和Web結合的基本模型。從圖中可以看出現在的測量系統是虛擬儀器與Web的結合,他們結合的紐帶就是Internet,網絡現在是無所不容、無所不能。
　　基于Web的虛擬儀器,任何人都可以把不同的儀器連接起來而不用去學習許多復雜的通信協議。現在,已經有大量的工程師和科學家加入虛擬儀器的組織,因為他們需要更高的系統吞吐率、可靠的通信方式以及更低的造價來建造數字測量系統。虛擬儀器技術和Web技術的結合,將使虛擬儀器拓展到真正的分布式測試應用環境中,對于豐富測試手段、提高測試效
　　率、充分利用有效資源都有著很好的作用。
　　
　　圖1虛擬儀器與WWW結合模型
　　三、構建數字化測量系統
　　現在的數字化測量系統有以下幾個特點:
　　2.1計算機。計算機成為數字測量系統的核心部分,完成著大量的數據處理和分析任務,傳遞著比過去任何傳統測量系統更多的信息。微處理器的引入,使得測量系統不再因大量的計算而降低了運行速度。例如,對于PⅢ500Hz的處理器,運行1024點的FFT,其執行時間僅為0.49ms。另外計算機的硬盤及RAM容量的增大,也提高了測量系統的數據存儲能力。
　　2.2高速I/O接口。一個數字測量系統必須高速地把數據從測量設備傳到計算機,以便計算機完成復雜的分析和計算。DAQ板、圖像采集卡等測量設備通過PCI、IEEE1394、USB、VXI等高速數據總線,把數據送給計算機進行處理。
　　2.3網絡。Internet和網絡技術的發展開辟了信息交流和數據共享的新階段。在過去,從測量系統向外實時的發布信息被認為是不可能的,但現在來說,就很容易實現。圖2為數字測量系統的網絡部分。從圖2可看出,現在的測量系統已緊緊地把測量設備、測量客戶端、公共數據庫、服務器及瀏覽器連接起來,展示了采集、分析、表達的一個新方法。
　　
　　
　　
　　
　　在數字測量系統中,開發人員可以很容易地把網絡模塊嵌入到開發環境中,同時,用模塊化的軟件,也可以把系統的共享部分從測量系統中分離出來。網絡化應用程序,也使得用戶具有主動權,用戶可以根據需要從網絡獲取數據,通過網絡發布信息,或者在幾個計算機之間分配任務。另外,當越來越多的測量系統連接到Internet時,開發人員可以把數據分配到別的計算機,通過Web連接到本地或遠端數據庫。
　　2.4軟件技術。軟件把整個測量系統連接起來。在數字測量系統中,軟件必須是模塊化的,像LabVIEW這樣的圖形化軟件開發工具,為不同的任務創建了不同的模塊,充分顯示了軟件的靈活性。如圖3所示,把軟件框架分成4個獨立的模塊化組件,這樣的模塊化設計思路有以下幾個特點:
　　
　　①硬件的獨立性。圖3中的“測量和自動化服務軟件”層是一些板卡或儀器的驅動程序,這些驅動程序底層的軟件結構是很相似的,所以當硬件改變時,軟件不用改變。
　　②代碼的復用性。對于一個獨立的系統,若用圖3中的“開發工具”,可以把一個龐大的軟件系統分成多個任務,分別實現。這樣,當一個新的應用程序需要同樣的任務時,開發人員就可以在新的應用程序中很容易地復用它的代碼。
　　③應用程序的開放性。為了在軟件上減少投資測量系統必須不斷地采用新技術,如果采用模塊化的組態軟件,開發人員就可以快速容易地把新技術加入到應用程序。例如,當一個新的數據共享技術產生時測量應用程序的數據共享部分將被性能更好的技術所代替。
　　所以說,軟件是數字化測量系統的最大特點,通過軟件把測量設備連接到計算機,通過Internet發布數據,并用統一的數據庫進行管理。軟件設計獨立于硬件環境,開發人員可以利用在硬件上的最小投資和軟件的復用性,來建立一個低造價的測量系統。
　　2.5信號的測量精度。以前的采集卡,其采樣精度是固定的,不可改變。但是采用DSP技術就可以實現柔性精度,用戶可根據需要在軟件上設計不同的精度,以滿足不同的需要。圖4給出了系統的精度與采樣頻率的關系曲線。從曲線可以看出,A/D轉換器在100MHz時提供8位的分辨率,而在低頻應用時,如1kHz可以提供21位的分辨率,美國國家儀器公司的NI5911數字化儀就可以達到這一指標。當然,虛擬A/D轉換器技術不單局限于采集的精度和速度之
　　間的折衷,在A/D轉換的其他方面,如通道數與采集速度等方面也可以進行柔性伸縮。
　　
　　2.6高度地集成。數字化測量系統與傳統測量系統的本質區別在于軟、硬件的高度集成化、模塊化。每個模塊必須是獨立的,但是也必須以最高的效率集成在一起。例如數字化示波器,通過高速數據總線連接到計算機,采用集成化的軟、硬件,因此它的性能指標比一般的模擬示波器要高得多。用這樣的模塊化軟件,可以把應用軟件分成采集、分析和表達3部分。
　　①采集。現在的組態軟件把采集時用到的函數做成了動態連接庫,這樣開發人員可以很容易地把采集的信息送入計算機;
　　②分析。現在有許多信號處理的軟件包,如神經網絡軟件包、小波分析軟件包、模糊控制軟件包等,這些軟件包為編程人員節省了許多時間。
　　③表達。圖形用戶界面控件如Knobs、Graphs和Numeric等控件可以更清楚地表達信息。另外,用文件的I/O和數據共享功能來表達系統信息更方便。
　　數字測量系統集成方便,可以根據用戶的不同需求設計系統。對于實驗室測量系統,靈活性是關鍵,因此組建系統時,通過GPIB把測量設備連接到計算機,來實現硬件無法實現的功能。在戶外工作時,便攜性是關鍵,因此可以設計一種筆記本電腦式測試儀。對于工業流水線,性能指標是關鍵,通過把基于PXI總線的測量設備嵌入PXI機箱來完成數據采集和表達。
　　四、結束語
　　計算機及其網絡技術的發展,給現代測量系統帶來了新的思路,但也產生了一些新的問題,即如何提高遠程測量的實時性、如何降低數據傳輸的誤碼率等問題,成為迫切需要解決的問題。
　　
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