虛擬儀器在專用測試設(shè)備中的運(yùn)用

徐炎

摘 要

虛擬儀器具有良好的系統(tǒng)開放性和擴(kuò)展性，能夠在有限的硬件基礎(chǔ)上通過軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)多樣化的測試設(shè)備搭配。本文主要論述虛擬儀器測試設(shè)備的軟硬件組成，自動(dòng)測試系統(tǒng)的開發(fā)以及虛擬儀器測試設(shè)備的校準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器 專用測試設(shè)備 PXI總線

1 虛擬儀器的發(fā)展概況

1.1 虛擬儀器的概念

虛擬儀器（Virtual Instruments，VI）的概念最初是由美國國家儀器公司在上世紀(jì)八十年代提出，一般認(rèn)為是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)的硬件和軟件而構(gòu)成不同的儀器，實(shí)現(xiàn)各種用戶定義的儀器或測試功能。

1.2 虛擬儀器的組成

虛擬儀器通常由硬件設(shè)備與接口、功能實(shí)現(xiàn)軟件和人機(jī)交互界面組成。硬件設(shè)備與接口可以是各種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)胡擴(kuò)展類設(shè)備，或者是其他各種可直接、間接程控的外圍設(shè)備；功能實(shí)現(xiàn)軟件根據(jù)儀器的功能定義對(duì)硬件功能進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)儀器功能；人機(jī)交互見面提供了傳統(tǒng)儀器面板所進(jìn)行的操作和顯示功能。

2 虛擬儀器技術(shù)在測試設(shè)備中的應(yīng)用

虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在可由用戶定義專用測試設(shè)備，且功能靈活，構(gòu)建簡便，特別契合專用測試設(shè)備開發(fā)需求。虛擬儀器把強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和測量、控制能力結(jié)合在一起，可通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)胡實(shí)時(shí)分析處理。

2.1 虛擬儀器測試設(shè)備的總線接口選擇

現(xiàn)階段虛擬儀器的接口總線類型多樣，有數(shù)據(jù)采集卡式（DAQ）虛擬儀器、串口虛擬儀器、USB虛擬儀器、GPIB虛擬儀器、VXI虛擬儀器、PXI虛擬儀器。

綜合性能、價(jià)格等多方面因素，推薦使用PXI總線。PXI總線規(guī)范是在PCI總線規(guī)范上發(fā)展而來的，具有傳遞數(shù)據(jù)量大、傳輸率高等性能特點(diǎn)，并且增加了專用的系統(tǒng)參考時(shí)鐘、觸發(fā)總線等，以此滿足儀器領(lǐng)域高精度的定時(shí)、同步與數(shù)據(jù)通信要求。相比較同樣用于測試系統(tǒng)開發(fā)的VXI總線，PXI總線具有更小巧的體積、更低廉的成本以及更好的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)框架。

2.2 基于PXI總線的虛擬儀器測試設(shè)備

2.2.1 硬件方面主要包括功能板卡選擇和接口電路設(shè)計(jì)

功能板卡的選擇主要取決于測試設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)的功能，可以根據(jù)測試的具體參數(shù)，在保證測試通道和測試精度的前提下選擇合適的板卡。常見的數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字表卡、矩陣卡等功能板卡在功能上足以保證常用的測試設(shè)備需求，能夠比較便捷地搭建所需的測試設(shè)備。

接口電路是測試設(shè)備和被測設(shè)備之間的連接部分，也是專用測試設(shè)備與通用測試設(shè)備區(qū)別最大的地方，主要是被測信號(hào)的多樣性和特殊性所決定的。精確高效穩(wěn)定的接口電路設(shè)計(jì)是虛擬儀器測試設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，被測信號(hào)的類型、量值、精度等諸多因素都是在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)要考慮的，基本原則是讓被測信號(hào)能夠被完整準(zhǔn)確的讀取。

2.2.2 軟件方面現(xiàn)在常用的是LabVIEW之類的圖形化G語言編制

開發(fā)人員不再需要在硬件驅(qū)動(dòng)和函數(shù)套用上消耗過多的精力，只要調(diào)用相應(yīng)模塊并進(jìn)行圖形化連接就能很便捷的完成測試程序的編制，但要注意過多的未經(jīng)優(yōu)化的嵌套循環(huán)會(huì)嚴(yán)重影響G語言程序的運(yùn)行效率。

2.3 基于虛擬儀器的自動(dòng)測試系統(tǒng)

現(xiàn)在的虛擬儀器測試設(shè)備已經(jīng)逐漸從單一的測量設(shè)備發(fā)展到了自動(dòng)測試系統(tǒng)，所謂自動(dòng)測試系統(tǒng)是指采用計(jì)算機(jī)控制，能自動(dòng)完成激勵(lì)、測量、數(shù)據(jù)處理并顯示或輸出測試結(jié)果的系統(tǒng)。虛擬儀器自動(dòng)測試系統(tǒng)能夠最大限度的發(fā)揮計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢(shì)提高測試效率，同時(shí)具備良好的開放性，能夠便捷的實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和功能轉(zhuǎn)換。

虛擬儀器自動(dòng)測試系統(tǒng)與虛擬儀器測試設(shè)備的硬件和軟件都存在較大的區(qū)別。

硬件方面，除了要有被測信號(hào)采集通道外，還需要提供被測試備的輸入信號(hào)甚至是工作電源，讓被測設(shè)備能夠在測試環(huán)境中獨(dú)立工作，從而保證測試過程的完整性和有效性。

測試軟件是自動(dòng)測試系統(tǒng)的核心，功能完善的測試軟件除了能夠判定被測設(shè)備的工作狀態(tài)，還能進(jìn)行故障定位。實(shí)現(xiàn)故障定位的途徑主要有兩個(gè)，一是設(shè)置合理的中間采集點(diǎn)，監(jiān)控對(duì)被測設(shè)備工作過程，通過各采集點(diǎn)的工作狀態(tài)定位故障，需要對(duì)被測設(shè)備的工作原理有比較透徹的認(rèn)識(shí)，能夠準(zhǔn)確的選定采集點(diǎn)；二是能夠積累足夠多的故障案例，通過“查表法”進(jìn)行故障定位。

3 虛擬儀器測試設(shè)備的校準(zhǔn)

虛擬儀器測試設(shè)備的校準(zhǔn)計(jì)量是一個(gè)新興的課題，鑒于虛擬儀器測試設(shè)備的多樣性和靈活性，對(duì)其校準(zhǔn)的方法還沒有一致的校準(zhǔn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)設(shè)備計(jì)量所使用的“端對(duì)端”比較的計(jì)量方法只適用于實(shí)現(xiàn)簡單測量功能的虛擬儀器測試設(shè)備，對(duì)虛擬儀器自動(dòng)測試系統(tǒng)就很難準(zhǔn)確完整地反映設(shè)備的工作狀態(tài)和精準(zhǔn)程度。

首先是對(duì)組成虛擬儀器的功能板卡進(jìn)行校準(zhǔn)，這部分板卡都有明確的獨(dú)立功能，通常都會(huì)提供明確的校準(zhǔn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，能夠使用傳統(tǒng)手段進(jìn)行校準(zhǔn)。

其次測試軟件中的數(shù)據(jù)處理和算法等可能影響的是精度的因素在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮，只需要對(duì)軟件版本是否現(xiàn)行有效進(jìn)行確認(rèn)即可。

再次是對(duì)接口電路部分的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查校正，因?yàn)榻涌陔娐凡糠謱?duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)存在的誤差和錯(cuò)誤會(huì)直接影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，接口電路通常由各種電子線路組合而成，可以通過傳統(tǒng)的校正方法進(jìn)行校正。

做好以上幾點(diǎn)，結(jié)合正確的操作使用，應(yīng)該就能夠保證虛擬儀器測試設(shè)備的測試精度。

4 結(jié)束語

虛擬儀器從概念的提出到廣泛運(yùn)用，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的革命性推進(jìn)。虛擬儀器作為新興的儀器設(shè)備形式，用戶可以自由定義其功能結(jié)構(gòu)，構(gòu)建靈活，轉(zhuǎn)換快捷，特別適用于專用測試設(shè)備各式各樣的測試需求。利用虛擬儀器思想搭建的測試設(shè)備提高了測量精度和速度，成本消耗較低，今后將是專用測試設(shè)備發(fā)展的重點(diǎn)方向。

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