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采用单片机与PC/104总线实现多功能无纸记录仪的设计

1 虚拟仪器技术的概念及其应用前景

自1986年美国国家仪器公司(NI)提出虚拟仪器(Virtual Instrument)的概念以来,这种集计算机技术、通讯技术和测量技术于一体的模块化仪器便在世界范围内得到了广泛的认同与应用,逐步体现了仪器仪表技术发展的一种趋势。由于微电子技术、计算机技术、网络通讯技术和软件技术的高度发展,以及它们与各种测量技术在仪器仪表上的应用,使新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不断涌现并发展成熟,在许多方面已经冲破了传统仪器的概念,仪器测量的功能和作用也发生了质的变化。虚拟仪器概念的产生正是基于这样一种技术背景。

仪器仪表技术的发展大致经历了以下两条发展主线:从测量的技术和方法上划分,经历了从机械仪表、模拟电子仪表、数字化电子仪表到智能仪表的发展过程;从仪表结构上划分,经历了单机仪表、叠架式仪器系统到虚拟仪器系统的发展过程。传统仪器一般均为一个独立的装置,有机箱、操作面板、信号I/O端子、信号处理机构或电路等,检测结果输出方式有数字、指针或图形窗口等,有的还有打印输出口。传统仪表的功能可概括描述为:信号采集与控制、信号分析与处理、结果的表达与输出,这些功能均以硬件或固化软件的形式存在。这种架构形式决定了传统仪器只能由仪器的生产厂来定义制造,而用户无法改变。传统仪器基本上未能摆脱独立使用、手动操作、功能相对固定、使用具有局限性的模式。计算机技术的发展,给传统仪表技术注入了强大的活力,在微电子技术和LSIC技术推动下,有力地促进了数字化仪器、智能仪器的快速发展。

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面,模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成,标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分,才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少,以及出色的集成这四大优势。

虚拟仪器的构成:如果按照构成仪器的三大功能部件来分,所有控制系统、工业计测系统均可归纳至虚拟仪器的框架中来。目前较为常见的虚拟仪器是数据采集系统(SCADA),见图1。可编程仪器的信号处理、定时控制、集成总线、高速缓存、DMA等技术的应用,使这样的SCADA系统能达到仪器级的性能、精度与可靠性。

虚拟仪器的软件开发平台:虚拟仪器的软件开发平台目前主要有两类:第一类是基于传统语言的Turbo C、VB、VC++等,这类语言具有适应面广、开发灵活的特点,但开发人员需有较多的编程经验和较强的调试能力;第二类是基于图形组态和编程的图形组态软件,如HP公司的VEE、IOtech公司的Dasylab、NI公司的LabVIEW、Capital Equipment公司的Testpoint 2.0和HEM公司的Snap-Master等。这类组态软件都通过建立和连接图标来构成虚拟仪器工作程序并定义其功能,而不是用传统的文本编辑形式。它们具有编程效率高、通用性强、交叉平台互换性好的特点,适用于大批量多品种仪器的生产。该类软件缺点是缺少程序流程控制,大都解释执行。

虚拟仪器技术的三大组成部分:

(1)高效的软件

软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具 虚拟仪器技术

并通过设计或调用特定的程序模块,工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。提供的行业标准图形化编程软件——LabVIEW,不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接,更能提供强大的后续数据处理能力,设置数据处理、转换、存储的方式,并将结果显示给用户。此外,还提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具,例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C语言的LabWindows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等,均可满足客户对高性能应用的需求。   有了功能强大的软件,您就可以在仪器中创建智能性和决策功能,从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。

(2)模块化的I/O硬件

面对如今日益复杂的测试测量应用,已经提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394总线,都能提供相应的模块化的硬件产品,产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯,应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件,可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统,满足各种独特的应用要求。

(3)用于集成的软硬件平台

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