基于PC系统的虚拟仪器研究与应用

　　1　引言

　　虚拟仪器是80年代末出现的新的仪器概念,它是计算机技术、测量仪器技术和软件技术的高速发展共同孕育出的一项革命性新技术[1]。虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器观,开　　辟了测量测试技术的新纪元。采用由PC机与其相应的插卡或模块和相关测试软件构成各种仪器,如基于PC的示波器、任意波形发生器、波形分析仪、函数发生器、逻辑分析仪、电压表和数据采集等设备。还可根据测试的需要,自己设计所需要的仪器系统,利用一种或多种功能的通用模块,调用不同功能的软件模块,组成不同的仪器功能,这也是现代实验教学的新方法。

　　目前,在美国Stanford大学机械学院和英国诺丁汉大学物理和天文学院,它们从大二学生到研究生的实验课程中都应用到虚拟仪器技术,包括从简单的数据采集任务到一个团队共同完成一个综合性的实际测试项目。相对而言,我国高校利用虚拟仪器技术辅助教学尚处于方兴未艾的阶段,清华大学、复旦大学、上海交通大学等陆续建立的虚拟仪器实验室已经开始逐步将虚拟仪器技术引入我国的工程教育中。

　　虚拟仪器之所以受到高校重视,有一个很大的原因在于其软件和硬件都能够根据教学的需要灵活配置,复用性很好。根据需要,一套虚拟仪器能够开发出不同功能的测试仪器系统。这里边即能体现出虚拟仪器本身的广泛适用性,也能考验学生对测试知识和技术的灵活运用能力,对培养学生的创新性和研究能力很有益处。

　　2　虚拟仪器技术[6]

　　图1是PC系统虚拟仪器的一种基本组建方法。它是把具有测量功能的模块或仪器卡直接与个人计算机的系统总线连接而成的。连接时既可以插在PC机内接口槽上,也可以插在计算机外部专用的仪器板卡架上或专用机箱内。PC仪器的各种测量功能都是由磁盘中的常驻测量程序来实现的。

　　在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个仪器的关键。任何一个使用者都可以通过软件的方法,很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模,所以有“软件就是仪器”之说。

　　VXI总线(VME总线在仪器领域的扩展)是一种高速计算机总线,它将高速A/D、共用存储器、数据处理器等多种技术结合起来,具有模块可重复利用、定时和同步精确等优点,是现代计算机结构和先进的测量环境相结合而构成的新颖仪器部件和测量方法,它为虚拟仪器提供了良好的硬件平台。

　　3　虚拟仪器硬件构成

　　虚拟仪器的硬件组成是以通用微型计算机为基础,机内插入支持相应测试功能的硬件模板,如数据采集、通信、输出等模板,便可构成一台功能强大的仪器。而各种仪器所必需的其他功能部件,如键盘、显示器、电源、机箱以及处理器、存储器、基本I/O部件、打印机等,都利用PC机原有的硬件系统[3]。