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1、引言 PXI（PCI面向儀器的擴展）是一個新的模塊化儀器平臺，它能夠提供高性能的測量，而價格并不十分昂貴。利用PXI模塊化儀器，您可以充分享受開放式工業標準化PC技術所帶來的低成本、簡便易用性、靈活性及高性能等優點。PXI的核心技術是CompactPCI工業計算機體系結構、Microsoft Windows 軟件及VXI的定時和觸發功能。 2、電子測量儀器的發展 電子測量儀器發展至今，大體可分為四代：模擬儀器、數字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。 第一代模擬儀器，這類儀器在某些實驗室仍能看到，如指針式萬用表、晶體管電壓表等。 第二代數字化儀器，這類儀器目前相當普及，如數字電壓表、數字頻率計等。這類儀器將模擬信號的測量轉化為數字信號測量，并以數字方式輸出最終結果，適用于快速響應和較高準確度的測量。 第三代智能儀器，這類儀器內置微處理器，既能進行自動測試又具有一定的數據處理能力，可取代部分腦力勞動，習慣上稱為智能儀器。它的功能塊全部都是以硬件（或固化的軟件）的形式存在，相對虛擬儀器而言，無論是開發還是應用，都缺乏靈活性。 第四代虛擬儀器，它是現代計算機技術、通信技術和測量技術相結合的產物，是傳統儀器觀念的一次巨大變革，是將來儀器產業發展一個重要方向。 3、什么是虛擬儀器 虛擬儀器(Virtual Instruments,簡稱VI)的概念，是美國國家儀器公司(National Instruments Corp.簡稱NI)于1986年提出的。虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統；是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統。 3.1、虛擬儀器的優點 與傳統儀器相比，虛擬儀器有以下優點： （1） 融合計算機強大的硬件資源，突破了傳統儀器在數據處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強了傳統儀器的功能。高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標準配置。 （2） 利用了計算機豐富的軟件資源，實現了部分儀器硬件的軟件化，節省了物質資源，增加了系統靈活性；通過軟件技術和相應數值算法，實時、直接地對測試數據進行各種分析與處理；通過圖形用戶界面(GUI)技術，真正做到界面友好、人機交互。 （3） 基于計算機總線和模塊化儀器總線，儀器硬件實現了模塊化、系列化，大大縮小系統尺寸，可方便地構建模塊化儀器（Instrument on a Card）。 （4） 基于計算機網絡技術和接口技術，VI系統具有方便、靈活的互聯(connectivity)，廣泛支持諸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各種工業總線標準。因此，利用VI技術可方便地構建自動測試系統（ATS，Automatic Test System），實現測量、控制過程的網絡化。 （5） 基于計算機的開放式標準體系結構。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點。因此，用戶可根據自己的需要，選用不同廠家的產品，使儀器系統的開發更為靈活、效率更高，縮短了系統組建時間。 3.2、虛擬儀器的硬件系統 虛擬儀器的硬件系統一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。 計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如普通臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。計算機管理著虛擬儀器的硬軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。計算機技術在顯示、存儲能力、處理性能、網絡、總線標準等方面的發展，導致了虛擬儀器系統的快速發展。 按照測控功能硬件的不同，VI可分為GPIB、VXI、PXI和DAQ四種標準體系結構。 （1） GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口總線，是計算機和儀器間的標準通訊協議。GPIB的硬件規格和軟件協議已納入國際工業標準--IEEE 488.1和IEEE 488.2。它是最早的儀器總線，目前多數儀器都配置了遵循IEEE 488的GPIB接口。典型的GPIB測試系統包括一臺計算機、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。系統中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機的控制軟件作相應改動。這種概念已被應用于儀器的內部設計。在價格上，GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器。但是GPIB的數據傳輸速度一般低于500kb/s，不適合于對系統速度要求較高的應用。(標準接口總線在20m距離內，若每2m等效的標準負載相當于使用48mA的集電極開路式發送器，則最高工作速率是250kb/s，若采用三態門發送器，一般速率為500kb/s，最高可達1000kb/s。) （2） VXI（VMEbus eXtension for Instrumentation）即VME總線在儀器領域的擴展，是1987年在VME總線、Eurocard標準（機械結構標準）和IEEE 488等的基礎上，由主要儀器制造商共同制訂的開放性儀器總線標準。VXI 系統最多可包含 256個裝置，主要由主機箱、"0槽"控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅動軟件、系統應用軟件等組成。系統中各功能模塊可隨意更換，即插即用組成新系統。目前，國際上有兩個VXI總線組織。①VXI聯盟，負責制定VXI的硬件（儀器級）標準規范，包括機箱背板總線、電源分布、冷卻系統、零槽模塊、儀器模塊的電氣特性、機械特性、電磁兼容性以及系統資源管理和通訊規程等內容；②VXI總線即插即用(VXI Plug&Play，簡稱VPP)系統聯盟，宗旨是通過制訂一系列VXI的軟件（系統級）標準來提供一個開放性的系統結構，真正實現VXI總線產品的"即插即用"。這兩套標準組成了VXI標準體系，實現了VXI的模塊化、系列化、通用化以及VXI儀器的互換性和互操作性。VXI的價格相對較高，適合于尖端的測試領域。 （3） PXI（PCI eXtension for Instrumentation）PCI在儀器領域的擴展，是NI公司于1997年發布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規范。其核心是 CompactPCI結構和Microsoft Windows軟件。 PXI是在PCI內核技術上增加了成熟的技術規范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的觸發總線和參考時鐘、用于精確定時的星形觸發總線、以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，來滿足試驗和測量用戶的要求。PXI兼容CompactPCI機械規范，并增加了主動冷卻、環境測試（溫度、濕度、振動和沖擊試驗）等要求。這樣，可保證多廠商產品的互操作性和系統的易集成性。 （4） DAQ（Data AcQuisition）數據采集，指的是基于計算機標準總線（如ISA、PCI、PC/104等）的內置功能插卡。它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統的靈活性和擴展性。利用DAQ可方便快速地組建基于計算機的儀器（Computer-Based Instruments），實現"一機多型"和"一機多用"。 在性能上，隨著A/D轉換技術、儀器放大技術、抗混疊濾波技術與信號調理技術的迅速發展，DAQ的采樣速率已達到1Gb/s，精度高達24位，通道數高達64個，并能任意結合數字I/O，模擬I/O、計數器/定時器等通道。儀器廠家生產了大量的DAQ功能模塊可供用戶選擇，如示波器、數字萬用表、串行數據分析儀、動態信號分析儀、任意波形發生器等。在ＰＣ計算機上掛接若干DAQ功能模塊，配合相應的軟件，就可以構成一臺具有若干功能的ＰＣ儀器。 3.3、虛擬儀器的軟件系統 虛擬儀器技術最核心的思想，就是利用計算機的硬/軟件資源，使本來需要硬件實現的技術軟件化（虛擬化），以便最大限度地降低系統成本，增強系統的功能與靈活性�；谲浖赩I系統中的重要作用，NI提出了"軟件就是儀器（The software is the instrument）"的口號。VPP系統聯盟提出了系統框架、驅動程序、VISA、軟面板、部件知識庫等一系列VPP軟件標準，推動了軟件標準化的進程。 虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：VISA庫、儀器驅動程序、應用軟件。 VISA（Virtual Instrumentation software Architecture）虛擬儀器軟件體系結構，實質就是標準的I/O函數庫及其相關規范的總稱。一般稱這個I/O函數庫為VISA庫。它駐留于計算機系統之中執行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，以實現對儀器的程控。它對于儀器驅動程序開發者來說是一個個可調用的操作函數集。 儀器驅動程序是完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應用程序實現儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅動程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。 應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數據分析與處理功能，來完成自動測試任務。 虛擬儀器應用軟件的編寫，大致可分為兩種方式： ①用通用編程軟件進行編寫。主要有Microsoft公司的Visual Basic與Visual C++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder； ②用專業圖形化編程軟件進行開發。如HP公司的VEE，NI公司的LabVIEW 和Lab windows/CVI等。 應用軟件還包括通用數字處理軟件。通用數字處理軟件包括用于數字信號處理的各種功能函數，如頻域分析的功率譜估計、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和細化分析等；時域分析的相關分析、卷積運算、反卷運算、均方根估計、差分積分運算和排序等。以及數字濾波等等。這些功能函數為用戶進一步擴展虛擬儀器的功能提供了基礎。 4、LabVIEW簡介 80年代早期，計算機接口變得越來越精細，界面也越來越友好，NI的工程師們意識到：需要一種強大的軟件接口讓用戶通過他們的計算機獲得更簡單有效的測試與控制。蘋果公司的Macintosh為這種即將誕生的圖形化軟件語言提供了一個最好的環境：G語言。不久，NI為基于計算機的測量和自動化開發出了一個軟件包：LabVIEW。 LabVIEW是基于G語言的革命性的圖形化開發語言，用來進行數據采集和控制、數據分析和數據表達。它的目標是簡化程序的開發工作，讓工程師和科學家能充分利用PC機的功能，快速簡便地完成自己的工作。十余年的不斷充實，使LabVIEW成為豐富、強大的實用工具軟件包。與LabVIEW同步推出的還有LabWindows/CVI，它的特點是可利用ANSI C編程語言建立與實用儀器的交互式開發環境。這兩者內部都配有GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的庫函數，以及全球幾百家廠商的儀器驅動程序。圍繞這些核心軟件還陸續開發出多種附件。 LabVIEW的誕生標志著NI進入了專門從事VI（虛擬儀器）的時期。 5、PCI、PXI、VXI的比較 基于PCI總線、基于PXI總線、基于VXI總線虛擬儀器測試系統由于總線的不同而具有各自的特點與應用范圍。 與傳統儀器組建的測試系統相比，基于PCI總線的虛擬儀器測試系統在性能、靈活性、易用性和低價格等方面具有絕對優勢。其儀器硬件為插卡式，具有與計算機插卡相同的尺寸，將硬件插卡直接插入計算機中的PCI槽上即可構成測試系統，充分利用計算機的資源來實現數據采集及處理、故障分析診斷和過程控制等智能測控。與基于其它總線的虛擬儀器測試系統相比，價格低廉的特點使其在工業、軍工、教育和科研領域得到了廣泛得以應用。缺點在于基于PCI總線的虛擬儀器測試系統缺乏觸發線標準化及其所處的計算機環境，這一環境不能滿足大功率，高質量冷卻，仔細考慮RFI/EMI屏蔽的復雜而精密的測試任務的要求。插卡的連線也可能因所用的計算機型號的限制而生產困難。插槽數十分有限，難以容納大量的通道。 基于PXI總線的虛擬儀器測試系統由于PXI總線產品對PCI總線產品的完全兼容，這樣在許多領域，他們與基于PCI總線的虛擬儀器測試系統可以互相代替，而具有性能超過前者，只是價格稍高一些。用戶如果想在現有的基于PCI總線的虛擬儀器測試系統轉向基于PXI總線的虛擬儀器測試系統，只需對硬件投資，原有的軟件可不加任何修改而運行在PXI系統上。同時由于PXI總線對機箱內部器件工作環境做了嚴格的規定以及PXI系統擁有比臺式機設計更多的擴展槽，致使PXI系統可以在惡劣工作環境下正常工作，從而可以適應各種各樣更大復雜的測試領域。由于PXI總線是PCI總線基礎上借鑒VXI總線的儀器特性組合而成，PXI系統在價格上和性能上介于PCI系統和VXI系統之間。 VXI總線從1987年誕生至今雖然歷史不長，但VXI總線產品從無到有、從小到大，已形成規模生產，特別是從90年代開始，VXI總線的產品發展呈指數上升趨勢。VXI總線模板本身不帶電源，沒有面板，按鍵，旋鈕和顯示器，電參數的設定及測量結果顯示必須通過軟件面板來實現，是很好的虛擬儀器系統平臺，將VXI總線這項技術與計算機網絡技術相結合，利用現有的互聯網資源，可實現交互式網頁基礎上組建遠程通信及測試網絡。VXI總線的系統結構為虛擬儀器開發提供了更為理想的環境，基于VXI總線虛擬儀器測試系統將會成為二十一世紀程控測試系統的主流。目前由于價格昂貴，它主要應用在尖端測試領域，據數據資料表明，VXI系統用戶72%來源于通訊業和軍工業。 不同的測試任務對測試系統有不同的要求，一種虛擬儀器測試系統不可能涵蓋整個社會對測量的要求。對虛擬儀器測試系統的發展應該有一個客觀的認識�；赑CI總線的虛擬儀器測試系統通常適用于低頻低速的過程測控系統、教學實驗和實驗室常規測試�；赑XI總線的虛擬儀器測試系統由于電磁兼容性能及冷卻性能的改善和模塊式結構可用在一般要求的自動測試系統場合和系統總價格有所限制的自動測試系統。基于VXI虛擬儀器測試系統具有良好的性能，可用于自動措施系統是特別是高速大數據量自動測試系統，寬頻帶自動測試系統和軍用自動化測量，代表著二十一世紀測試技術的發展方向。 6、結束語 PXI兼備了compact PCI標準的高性能和VXI儀器系統的高可靠性，同時 ，保持了比VXI更具吸引力的價格優勢，是能滿足您高標準測試要求的最佳性價比選擇。開放式PXI規范利用了多項現有工業標準技術，以提供最佳的測量和自動化平臺。其中最主要的電氣規范由非常成功的PCI總線擴展而來。 面向儀器的電氣擴展包括內置的觸發和局部總線，而這些又是由高性能的VXI儀器結構擴展而來。 因此，PXI是目前我所構建測量平臺的最佳選擇。 |
