虚拟仪器及其应用

（3）利用VXI总线仪器实现虚拟仪器系统

VXI（VME bus extension for Instrumention）总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。VXI总线是一种高速计算机总线——VME（Versa Module Eurocard）总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放，传输速率高，数据吞吐能力强，定时和同步精确，模块化设计，结构紧凑，使用方便灵活，已越来越受人们的重视。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。

（4）　基于串行口或其它工业标准总线的系统

将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。

2．2　虚拟仪器的软件构成

构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键。没有一个优秀的控制分析软件，很难想象可以构成一台理想的虚拟仪器系统。

以VXI虚拟仪器系统为例（图2），从图可以看到，VXI虚拟仪器系统至少需要仪器、通信和驱动程序三种接口软件。其中仪器接口为仪器与计算机之间的通信协议和方法。通信接口按标准方式将仪器连接起来，它是仪器与仪器驱动程序之间的通信接口，实际上就是VXI系统的I/O接口软件。仪器驱动程序接口将通信接口与应用开发环境（ADE）连接起来。



图2　VXI虚拟仪器系统软件结构框架

仪器驱动器是完成对某一特定仪器控制与通信的一段程序。它作为用户应用程序的一部分在计算机上运行。仪器驱动器是VXI虚拟仪器系统的核心，是完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。应用软件开发环境将计算机的数据分析、显示能力与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必要的软件工具和环境。目前有两种较流行的虚拟仪器开发环境：一是用传统的编程语言设计虚拟仪器，如HPITGII、Labwindows等；一是用图形编程语言设计虚拟仪器，如HPVEE，LabVIEW等。

特别指出LabVIEW是美国国家仪器公司（National Instruments Co．）推出的图形化软件编程平台。在这个平台上，各专业领域的工程师、科学家们通过定义和连接代表各种功能模块的图标来方便迅速地建立高水平的应用程序。在这个软件环境中，提供了一种象数据流一样的编程模式，用户只要连接各个逻辑框即可构成程序。同时，还以图形方式提供了大量的显示和分析程序库，利用软件平台可大大缩短虚拟仪器控制软件的开发时间，而且在这个平台上用户可以建立自己的测试方案。

3　虚拟仪器的应用

3．1　电力参数测试装置

该装置由武汉水利电力大学电力工程学院研究。虚拟仪器下的电力参数测试充分利用了微型机的硬件资源，并尽可能以软件代替硬件，使仪表的硬件结构简单，可靠性高，成本低廉。

该装置以微型机为核心，将电力参数采集卡插入微型机总线插槽中，直接与微型机内总线连接，以实现对电力参数的测试。其硬件结构框图见图3。



图3　电力参数测试装置结构框图

图中，三相电压、电流信号由电力线经电压互感器、电流互感器引入，经变压器和霍尔电流传感器后，6路输入Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic均为交流信号；同时，根据采样原理，使6路信号分别经6个采样保持器，在同一采样脉冲信号控制下，对这6路信号同时采样。为了实现对每一信号的频率跟踪，该系统采用锁相环跟踪技术：将一路被测信号经零检测电路变成方波信号（此方波信号的频率与电网基频相同），同时对它进行跟踪、锁相和倍频。这样就能使采样脉冲的频率fs严格地跟踪电网基频f1，且每一周期内的采样点数N＝fs/f1为恒定常数。采样的6路模拟量经多路模拟开关后依次送到A/D转换器。测频采用测周方式：假如在一个周期内，计数脉冲数为m，则被测信号频率为fx＝fc/m，其中fc为计数脉冲的频率。

应用软件采用Borland C＋＋和Visual Basic编写。由于C语言具有直接操作硬件的功能，故采用其编写仪器的驱动程序，以便完成仪器的接口。虚拟仪器的软面板采用VB制作，它由4个互不重合的窗口组成：控制窗口、状态窗口、绘图窗口和数据显示窗口。

3．2　内燃机试验测试系统

清华大学汽车工程系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检测，主要检测发动机的功率性、负荷性等。

过去采用DOS下的C语言开发程序，开发出来的检验系统的功能、操作界面及使用的方便程度都不很理想。利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW后，使整个系统移植到LabVIEW下，并大大增强了功能，操作界面也更加美观，检测时间大大减少，使用更加方便。检测后还能打印出完整的测试报告。