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[導讀]虛擬儀器是基于計算機的測試、測量儀器。所以,它的構成中必然包括硬件模塊和軟件模塊兩個部分。 圖1-5給出了早期虛擬儀器的基本構成(主要體現(xiàn)在儀器控制應用),在現(xiàn)代自動化測試系統(tǒng)中我們依然可以看到這種構

虛擬儀器是基于計算機的測試、測量儀器。所以,它的構成中必然包括硬件模塊和軟件模塊兩個部分。

圖1-5給出了早期虛擬儀器的基本構成(主要體現(xiàn)在儀器控制應用),在現(xiàn)代自動化測試系統(tǒng)中我們依然可以看到這種構成模式。其實,虛擬儀器的構成本身是多 樣化和十分靈活的,并不局限與某種特定的模式上面。然而,隨著現(xiàn)代虛擬儀器技術的不斷發(fā)展,更多的虛擬儀器應用實例往往是采用下面的基本形式,參見下圖。

圖 1-8 虛擬儀器基本構成從上圖中可以看出,現(xiàn)代虛擬儀器的基本構成可簡單的劃分為三個部分:傳感器、多功能數(shù)據(jù)采集模塊(構成虛擬儀器的硬件)、商業(yè)化計算機平臺(運行虛擬儀器應用軟件)。


1.2.1 傳感器大家知道,自然界中許多物理量,比如聲壓、光強、溫度、壓力、流量、應力等等是電子測量儀器無法直接感知的。因為電子測量儀器通常只能夠識別電壓、電流信 號或者是頻率信號,這些被稱為電信號。為了將這些物理量轉(zhuǎn)換成為電子測量儀器能夠感知的電信號,則需要一種物理量變換元件——傳感器。

傳感器可以將一種物理量變換成為另一種物理量,其變換系數(shù)可視為常數(shù)。例如:我們通過麥克風可以將聲音變?yōu)殡娦盘?,通過熱電偶可以將溫度變?yōu)殡娦盘?。這樣通過測量傳感器的輸出電信號就可以間接實現(xiàn)對原物理量的測量。

在工程測量過程中,傳感器已經(jīng)成為虛擬儀器中的一個重要組成部分,所以它的性能好壞將決定整個虛擬儀器的測量特性的好壞。
構建虛擬儀器時,選擇變換性能穩(wěn)定的傳感器這點尤為重要。例如:傳感器最重要的技術指標之一,靈敏度。因靈敏度這個指標反映了輸入變化引起輸出變化之間的 某種特定的函數(shù)關系。所以對傳感器靈敏度這個指標,我們期待它長期穩(wěn)定不變,并不受溫度等外界環(huán)境變化的影響。這不僅可以保證虛擬儀器的測量準確度,同時 也可以解決傳感器需要經(jīng)常標定或校準的問題。因為傳感器的標定或校準,并不是所有實驗室都可以做得到的,通常只有專業(yè)實驗室才可以做到這點。

目前傳感器已經(jīng)發(fā)展到智能化傳感器階段。所謂智能化傳感器就是指:采用IEEE-1451標準的傳感器。這種傳感器在內(nèi)部提供了一個傳感器電子數(shù)據(jù)表(TEDS),在使用時隨時可以提供給用戶。該表中紀錄了傳感器制造商的有關信息和傳感器的校準數(shù)據(jù)等信息。
NI許多數(shù)據(jù)采集卡已經(jīng)開始支持對TEDS數(shù)據(jù)的訪問功能。
1.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊傳感器實現(xiàn)了將物理信號變換成為電信號??墒蔷陀嬎銠C而言,它同樣是無法直接識別來自傳感器輸出的電信號。而要想實現(xiàn)基于計算機的測試測量,就必須將電信號轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別的數(shù)字信號。這個任務通常由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來完成。
數(shù)據(jù)采集模塊中包含了功能各異的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及其它部件。

NI公司也是一個數(shù)據(jù)采集模塊的專業(yè)制造商,它提供了品種眾多、性能各異的數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊有多種分類的方式,比如按平臺、按總線、按輸入通道數(shù)、按模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、按采樣速率、按同步或非同步測量、按動態(tài)非動態(tài)、按被測物理量等等。

這些數(shù)據(jù)采集模塊基本上可以滿足工程項目中幾乎所有物理量的采集。同時NI公司也提供了數(shù)據(jù)采集模塊的驅(qū)動軟件。這種數(shù)據(jù)采集模塊與驅(qū)動軟件來自同一個公 司的模式可以確保實現(xiàn)軟、硬件的無縫連接。這也為虛擬儀器的設計和開發(fā)提供了多樣化的選擇和最有效技術上的支持與保證。

總之,選擇適合的數(shù)據(jù)采集模塊是工程應用中非常重要的一個環(huán)節(jié),這里給出選擇時需要注意的幾個基本原則:

最好選用NI的數(shù)據(jù)采集模塊,因為它與NI的整個軟件系統(tǒng)是無縫連接的根據(jù)測量項目的需求確定總線(或平臺)模式根據(jù)信號分析的實時性確定是同步還是非同步卡根據(jù)信號分析所需的最高頻率確定采集卡的采樣速率根據(jù)測量準確度要求確定數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)
虛擬儀器的構成是多樣化和十分靈活的,所以對數(shù)據(jù)采集模塊本身做更全面、細致的了解是十分必要的。這些需要在實踐中不斷進行總結和體會,只有這樣才能夠選擇確定虛擬儀器最佳的硬件系統(tǒng)。
1.2.3 商業(yè)化計算機平臺顯然,在虛擬儀器的構成中,商業(yè)計算機是一個極其重要的組成部分。因為它是虛擬儀器應用程序的運行環(huán)境(目前還不涉及到虛擬儀器的設計開發(fā))。之所以強調(diào) 計算機為商業(yè)計算機,是因為無論LabVIEW開發(fā)環(huán)境還是它所開發(fā)的應用程序都需要在現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持下才能夠運行。
就目前計算機的發(fā)展水平,幾乎所有的商業(yè)計算機都能夠滿足虛擬儀器的運行條件。但是由于NI對Windows操作系統(tǒng)支持力度最大(Windows平臺下的工具包最多)。所以最好還是選用Windows操作系統(tǒng)的計算機。

隨著計算機價格的不斷下降、性能的不斷提高,使我們有了更多的可選擇余地,但也要相應的注意一些可能存在的問題:
盡管一體機已經(jīng)成為主流的計算機,但因為它們已經(jīng)取消了PCI插槽,所以只適合選擇使用基于Ethernet、USB、WiFI接口的數(shù)據(jù)采集模塊。此類計算機如果作為儀器控制來用應該沒有太多的限制。筆記本電腦與Ethernet、USB及WiFi數(shù)據(jù)采集卡相配合應該更適于現(xiàn)場便攜式測量,并且C系列模塊的功能相當豐富可選擇的余地也非常大。上網(wǎng)本或者是平板計算機如果是使用Windows操作系統(tǒng)應該沒有問題,與Ethernet、USB及WiFi數(shù)據(jù)采集卡相配合做現(xiàn)場便攜式測量。圖 1-9 全球最小的超便攜式電腦(OQO 03)在我的記憶中,1987年我們所使用的IBM電腦,主頻:4.77MHz、內(nèi)存640KB、5.25"軟盤驅(qū)動器x2、硬盤10MB;PC-DOS 3.1操作系統(tǒng)。
對于計算機的發(fā)展速度有人曾用這樣的方式類比過:“如果汽車能趕上計算機的發(fā)展周期的話,一輛今天的勞斯萊斯僅值100美元,每加侖要跑100萬英里,每年還得爆炸一次,把里面的人殺個精光”。這話雖然偏激并難以理解,但它足以反映計算機發(fā)展速度的影響。

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