1.绪论.txt

虚拟仪器软件的介绍

发信人: ilyfe (伊犁*飞), 信区: LabVIEW
标  题: 第一章 绪论
发信站: 饮水思源 (2003年05月04日13:13:29 星期天), 站内信件

第一章   绪  论
虚拟仪器的出现与发展，为自动测试领域带来了一次新技术革命。本章简要回顾了
虚拟仪器的发展历史，分析了以VXI仪器为代表的虚拟仪器的特点与应用，引出了
虚拟仪器系统的概念，重点介绍了虚拟仪器系统结构及其规范。本书的以后各章，
均基于虚拟仪器系统结构而展开。

1.1 虚拟仪器
众所周知，测量是人类认识自然、改造自然的一种手段，通过测量人们可以对客观
世界取得定量的信息，仪器是测量中必不可少的工具。电子测量是利用电子学的理
论和技术对电量和非电量进行观察和测量的装置和系统。随着电子技术的发展及其
在各方面的广泛应用，对于测量和仪器提出了更高的要求，测试项目和范围与日俱
增，测试精度和测试速度要求急剧提高。
七十年代以来，是电子测量和仪器领域发生飞跃变化的年代，微计算机的问世和大
规模集成电路的发展对这一领域产生了革命性的影响。在测试系统中，对仪器的“
智能”要求越来越高，仪器中微机的任务不断加重，仪器在很多方面逐渐向微计算
机靠拢。此外，随着微计算机和智能仪器的普及，测试系统中包含的重复部件越来
越多，而冗余的部件往往不能容错。因此，需要统筹地考虑仪器与计算机之间的系
统结构。在这种背景下，1982年出现了一种与PC机配合使用的模块式仪器，自动测
试系统结构也从传统的机架层迭式结构发展成为模块式结构。
与传统仪器不同的是，模块式仪器本身不带仪器面板，因此必须借助于PC机强大的
图形环境和在线帮助功能，建立图形化的“虚拟的”仪器面板，完成对仪器的控制
、数据分析与显示。这种与PC机结合构成的，包含实际仪器使用与操作信息软件的
仪器，被称为“虚拟仪器”。
与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下几个性能特点：
1、 虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。为提
高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不
用购买一个全新的系统，有利于测试系统的扩展。
2、 可由用户自定义仪器功能。由于仪器的功能可在用户级上产生，故它不再完全
由仪器生产厂家来确定，用户可以根据自己的需要，通过增加或修改软件，为虚拟
仪器加入新的测量功能，而不用购买一台新的仪器。
3、 数据处理能力强。由于借助于计算机，虚拟仪器可以实现过去比基于微处理机
内核仪器复杂许多的数据处理、分析与显示能力，并可利用数据文件或数据库格式
进行数据的存储与恢复。
随着软件在仪器系统中的权重越来越大的趋势，虚拟仪器的概念也进一步得到扩充
。著名的仪器厂家美国NI（National Instrument）公司甚至提出了“软件就是仪
器”的口号，将自动测试系统中所有独立的模块都称为虚拟仪器（包括采集、分析
计算及显示等各个过程与函数）或者称为子虚拟仪器（SubVI），通过虚拟仪器层
次化的结合，构建复杂的虚拟仪器系统。在这个层次上，虚拟仪器的概念已经抽象
化，并不再等同于一个硬件实体。然而，这个观点尚未被仪器领域完全接受，为了
不使概念混淆，本书在所论及的虚拟仪器（VI），仍是指与传统仪器相对的模块化
仪器实体（包括硬件模块与软件模块），而将NI公司提出的虚拟仪器称为抽象的虚
拟仪器（AVI—Abstract Virtual Instrument），以示与实体化的虚拟仪器区别。


1.2 VXI仪器
1.2.1 VXI总线的由来
虚拟仪器的出现，以其突出的优点，显示了很强的生命力，然而，这种模块化仪器
没有统一的标准，不同的仪器厂家生产的产品之间不能兼容，用户在集成系统时难
以在多个仪器厂家的产品中进行选择配置，这成了虚拟仪器技术发展的主要障碍。
因此，用户对它的标准化提出了强烈要求。
八十年代中期，美国空军的一个模块化自动测试设备（MATE）用户组织提出对模块
化仪器进行标准化的建议，并成立了卡式仪器分委员会，对各种模块式仪器和卡式
仪器进行研究，以降低设备尺寸为指导原则，寻求一种替代传统GPIB接口总线的模
块化标准接口。世界上一些有影响的仪器厂家受美国空军的委托，从仪器生产方面
考虑，希望能研制出一种模块化的仪器总线。与此同时，IEEE也着手进行一个标准
项目，目的是发展一种高速的模块化仪器总线，这些都为VXI总线的产生作了准备
。
一九八七年春，Colorado Data Systems、HP、Tek、Racal-Dana、Wavetek等五家
测试和仪器公司的工程技术代表组成一个联合体，他们志愿在一起工作一段时间，
根据VME计算机总线、EUROCARD标准（机械结构标准）和IEEE488.2等标准，来制定
开放性仪器总线。同年七月，他们一致宣布支持一种在VME总线基础上扩展而成的
模块化仪器的公用系统结构，命名为VXI（VMEbus eXtensions for Instrument）
，并公布了VXI总线-1.0版本规范。之后经过不断修改、完善，1992年，VXI总线系
统规范成了工业领域国际标准，即IEEE-1155-1992标准。凡符合VXI总线规范标准
的仪器及系统，被称为VXI仪器及VXI仪器系统。

1.2.2 VXI仪器的特点
VXI仪器是一种模块化的卡式仪器，它没有传统意义上的操作面板，对VXI仪器的操
作与显示，都需要借助PC机进行。毫无疑问，所有VXI仪器都属于虚拟仪器，它继
承了虚拟仪器的所有特性。VXI总线系统的出现为虚拟仪器的发展提供了新的方向
与动力，VXI总线的系统结构为虚拟仪器的开发提供了更为理想的平台。
VXI仪器的主要特点是：
1、 开放标准：VXI是一种真正的开放标准，得到世界上许多仪器厂家（已收到
VXI总线联合体颁发的标识码的生产厂家目前有200多家）的支持，因此，用户可以
选用不同厂家的仪器模块，使用户集成虚拟仪器系统选择性更大、更为灵活、效率
更高，缩短了系统组建时间，提高了系统可互换性。
2、 较高的测试系统吞吐量：VXI总线背板的理论数据传输速率最高可达40Mbit/S
，背板不再成为数据传输的瓶颈。VXI总线的另一个优点是具有分布性智能的潜力
，可在共享存储器体系结构内与背板上多个微处理器打交道。通过背板上的数据传
输，可使数据带宽比系统中任何一个器件所能达到的带宽都要宽。多级优先权可提
供严格的中断处理，在判优电路中能高效利用数据总线，有助于提高整个系统的吞
吐量。
3、 模块化结构：VXI仪器系统采用了模块化结构，其采用共用电源、消除面板、
共用冷却、高密度紧凑的结构设计，有利于减少尺寸，选用需要的测试模块、较少
的CPU管理等措施降低系统的冗余度，与机架层迭式仪器系统相比，会大大缩小系
统尺寸和降低成本。
4、 易与机架层迭式仪器结构相结合：在VXI总线规范中定义了IEEE488-VXI总线接
口，可以把成功的IEEE488.2（GPIB）语言和软件移植，用于VXI总线测试系统控制
，接口器件中的关键是智能翻译器，它完成协议命令词的转换。这样，VXI总线测
试系统不但能单独运行，也可以将成功的IEEE488（GPIB）自动测试系统连接，构
成了更大的测试系统。
5、 易于实现系统网络控制：VXI总线规范定义了仪器系统与计算机网络系统的连
接，使仪器系统不但可以实现本地局域网络控制，也可实现远程广域网络控制，将
仪器系统与计算机网络技术紧密结合在一起。
VXI总线规范的内容如图1.1所示。
图1.1 VXI总线规范结构框图

1.3 虚拟仪器系统结构及规范
1.3.1 VXI总线即插即用规范的提出
VXI总线规范的制定，保证了模块总线级的互用性和互操作性，而对基于VXI总线的
虚拟仪器系统的技术和应用并没有提出太详细的规范，特点是对于系统软件组织几
乎没有作任何规定。为了使VXI仪器更易于应用与开发，并在系统层次上使VXI总线
系统成为一个真正开放的系统结构，1992年9月，NI、Tek等公司组成了一个开放测
试系统联盟组织（OMS），着手解决虚拟仪器软件结构统一定义与规范的问题。
1993年9月，在OMS组织的基础上，NI、Tek、Racal等五家公司联合成立了VXI总线
即插即用（VXI plug&play，简称VPP）系统联盟，通过定义和推行一些标准化准则
和操作规程，来解决VXI总线规范中尚未包含的系统级问题。