虛擬儀器論文

虛擬儀器論文1

　　虛擬儀器是以一種全新的理念來設計和發(fā)展的儀器。和傳統(tǒng)儀器不同,虛擬儀器本質上是一個開放式的結構,用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。VXI總線測試平臺是公認的21世紀儀器總線系統(tǒng)和自動測試系統(tǒng)的優(yōu)秀平臺。VXI總線模塊儀器的優(yōu)良的交互操作性,數(shù)據(jù)傳輸速率高,可靠性高。體積小,重量輕,功耗低、可移動性好、易維修,價格與傳統(tǒng)自動測試系統(tǒng)相比具有巨大的潛力。它的出現(xiàn)為虛擬儀器的發(fā)展提供了新的動力,進一步增強了虛擬儀器的功能。

　　1 VXI總線與虛擬儀器技術的發(fā)展過程

　　20世紀80年代后期,儀器制造商發(fā)現(xiàn)GPIB總線和VME總線產品無法再滿足軍用測控系統(tǒng)的需求了。在這種情況下,HP、Tekronix等五家國際著名的儀器公司成立了VXIbus聯(lián)合體,并于1987年發(fā)布了VXI規(guī)范的第一個版本。幾經修改和完善,與1992年被IEEE接納為IEEE-1155-1992標準。

　　VXIbus規(guī)范是一個開放的體系結構標準,其主要目標是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其它標準的器件(計算機)之間能夠以明確的方式開放地通信;使系統(tǒng)體積更小;通過使用高帶寬的吞吐量,為開發(fā)者提供高性能的測試設備;采用通用的接口來實現(xiàn)相似的儀器功能,使系統(tǒng)集成軟件成本進一步降低。

　　VXIbus規(guī)范發(fā)布后,由于軍方對測控系統(tǒng)的大量需求,許多儀器生產廠商都加入到VXIplug&play(VXI既插既用)聯(lián)盟。聯(lián)盟是VXIbus聯(lián)合體的固有補充機構。聯(lián)盟通過規(guī)定連接器的統(tǒng)一方法、UUT接口和測試夾具、共享存儲器通信的儀器協(xié)議、可選VXI特性的統(tǒng)一使用方法以及統(tǒng)一文件的編制方法來增加硬件的兼容性,并開發(fā)一種統(tǒng)一的校準方法。聯(lián)盟還通過規(guī)定和推廣標準系統(tǒng)軟件框架來實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的“plug&play”互換性。

　　虛擬儀器(Vitual Instrumentation,VI)最早是適應PC卡式儀器于1986年由NI公司提出的。所謂虛擬儀器,簡單地說就是一組完成傳統(tǒng)儀器功能的硬件和軟件部件。VI通過軟件將通用計算機與儀器硬件結合起來,用戶可以通過友好的圖形界面(通常稱為虛擬面板)

　　操作這臺計算機,就象在操作自己定義、自己設計的一臺單個傳統(tǒng)儀器一樣。VI透明地將計算機資源和儀器硬件(如A/D、D/A、數(shù)字I/0、定時器和信號調理器等)的測試、控制能力結合在一起,通過軟件實現(xiàn)地數(shù)據(jù)的分析處理和表達,從而能更迅速、更經濟、更靈活地解決測試問題,并有效地降低了系統(tǒng)組建成本。

　　2 VXI總線系統(tǒng)規(guī)范簡介

　　VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個VXIbus主機箱、若干VXIbus器件、一個VXIbus資源管理器和主控制器組成,零槽模塊完成系統(tǒng)背板管理,包括提供時鐘源和背板總線仲裁等,當然它也可以同時具有其它的儀器功能。資源管理器在系統(tǒng)上電或者復位時對系統(tǒng)進行配置,以使系統(tǒng)用戶能夠從一個確定的狀態(tài)開始系統(tǒng)操作。在系統(tǒng)正常工作后,資源管理器就不再起作用。主機箱容納VXIbus儀器,并為其提供通信背板、供電和冷卻。

　　VXIbus不是設計來替代現(xiàn)存標準的,其目的只是提高測試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體性能提供一個更先進的平臺。因此,VXIbus規(guī)范定義了幾種通信方法,以方便VXIbus系統(tǒng)與現(xiàn)存的VMEbus產品、GPIB儀器以及串口儀器的混合集成。

　　2.1 VXI總線系統(tǒng)機械結構

　　VXIbus規(guī)范定義了四種尺寸的VXI模塊。較小的尺寸A和B是VMEbus模塊定義的尺寸,并且從任何意義上來說,它們都是標準的VEMbus模塊。較大的C和D尺寸模塊是為高性能儀器所定義的,它們增大了模塊間距,以便對包含用于高性能測量場合的敏感電路的模塊進行完全屏蔽。A尺寸模塊只有P1、P2和P3連接器。

　　目前市場上最常見的是C尺寸的VXIbus系統(tǒng),這主要是因為C尺寸的VXIbus系統(tǒng)體積較小,成本相對較低,又能夠發(fā)揮VXIbus作為高性能測試平臺的優(yōu)勢。

　　2.2 VXI總線系統(tǒng)電氣結構

　　VXIbus完全支持32位VME計算機總線。除此之外,VXIbus還增加了用于模擬供電和ECL供電的額外電源線、用于測量同步和觸發(fā)的儀器總線、模擬相加總線以及用于模塊之間通信的本地總線。

　　VXIbus規(guī)范定義了3個96針的DIN連接器P1、P2和P3。P1連接器是必備的,P2和P3兩個連接器可選。三個連接器的具體的信號分配可參見文獻[2]。下面對VXIbus在VMEbus總線基礎上增加的用于高性能儀器的部分總線作一個簡要的介紹。

　　CLK10時鐘線 是一個10MHz的系統(tǒng)時鐘,用于模塊之間的精確同步。該信號源于0號槽,被分別差分送至各個模塊插槽。

　　MODID線 模塊識別線,可以通過特有的物理位置或插槽類識別邏輯器件。這些線自0號槽分別送至1號槽至12號槽。系統(tǒng)自動配置時必須用到MODID線。

　　TTL觸發(fā)線 包括TTLTRG0~TTLTRG7,是一組用于模塊間通信的、集電極開路的TTL信號線。包括0號槽在內所有模塊都可以驅動這些線或者從這些線上接受信息。這是一組通用線,可用于觸發(fā)、掛鉤、時鐘或邏輯狀態(tài)的傳送。VXIbus規(guī)范已經定義了同步(SYNC)觸發(fā)、時鐘傳送、數(shù)據(jù)傳送、起/停(STST)和外部觸發(fā)緩沖7種標準工作方式。

　　ECL觸發(fā)線 包括ECLTRG0-ECLTRG5,同TTL觸發(fā)線一樣,是一組用于模塊之間通信和定時的信號線,但具有更高的工作速度。VXIbus規(guī)范已經定義了7種跟TTL觸發(fā)線類似的標準工作方式。

　　SUMBUS 相加總線是VXIbus背板上的一條模擬相加接點。每個模塊都可以用一個模擬電流源驅動器來驅動這條線,或者通過一個高阻接收器如一個高阻抗模擬放大器。接收來自該總線的信息。

　　LBUS 本地總線是一種菊花鏈總線,可以用于相鄰安裝模塊的本地通信。規(guī)范已經規(guī)定了使用LBUS傳送TTL、ECL、模擬低、模擬中和模擬高五種信號的標準。

　　CLK100和SYNC100 分別是100MHz系統(tǒng)時鐘和100MHz同步信號。用于系統(tǒng)中更高精度的定時和觸發(fā)。

　　STARX和STARY 星形觸發(fā)線提供了模塊間的異步通信。兩條STAR線連接在各模塊插槽和0號槽之間。0號槽可提供一個交叉矩陣開關,通過對該開關進行編程可以確定任何兩根STARX和STARY線之間的信號路徑。

　　電源線 VXIbus加大了+5和+12V電壓的供電功率,增加了+12V(為模擬電路提供)和-2V、-5.2V(為ECL電路提供)電源線。

虛擬儀器論文2

　　摘要：隨著經濟與科技的不斷發(fā)展，教育已經成為了當前社會最為重視的問題之一。近幾年信息技術進步飛快，電子技術演示實驗的應用率越來越高。本篇文章將闡述當前電子技術演示存在的不足，探討基于虛擬儀器的電子技術演示實驗，并列舉具體案例進行詳細分析。

　　關鍵詞：虛擬儀器；演示實驗；多媒體

　　引言

　　電子技術本身是一門具有較強實踐性的課程，在實際教學的過程中往往有大量實驗教學。這其中應用價值最強的便是演示實驗，對于學生的學習興趣和積極性的激發(fā)有著非常重要的影響。為此，教師理應針對這一方面進行深入研究，在了解其不足的基礎上對其不斷改進。

　　一、電子技術演示存在的不足

　　（一）實物演示的方式

　　實物演示方法是最為傳統(tǒng)的一種方法，同時也是最具說服力的方法，學生們能夠直接觀察到最原始的實驗結果。但是，由于電子技術實驗需要使用大量實驗儀器，且這些儀器非常笨重，不便于搬運，同時由于顯示器過小，實驗觀察難度較大。

　　（二）視頻演示的方式

　　視頻演示主要依靠教師提前錄制好的視頻配合相應的解說以及字幕，之后通過多媒體設備在課堂中進行播放。這種實驗方式本身觀察效果較強，同時也具有較強的真實性。但是實驗操作的靈活性較差，教師無法掌控全局。

　　（三）CAI課件演示的方式

　　CAI課件演示主要依靠多媒體工具將具體實驗過程做成相關課件，并由教師在課堂中進行播放。這種方式的表現(xiàn)形式與視頻演示的方式十分接近，知識實驗本身過于抽象化和理想化，缺乏一定的可信度。

　�。ㄋ模┯嬎銠C仿真演示的方式

　　模擬仿真主要依靠相關軟件代替原編號實驗的具體操作，能夠對實驗的各個環(huán)節(jié)進行模仿和確定，拓寬了原本實驗教學的思路。但是盡管其已經具備了足夠的仿真度，但是仍然無法達到具體實驗的效果[1]。

　　二、基于虛擬儀器的電子技術演示實驗

　　（一）虛擬儀器的概念

　　所謂虛擬儀器，主要是指在傳統(tǒng)以電腦作為主要核心的硬件平臺上，按照用戶自身的設定所形成的全新儀器系統(tǒng)，里面包括虛擬儀器面板以及測試功能。這其中，“虛擬”的概念主要是指儀器面板本身以及依靠軟件完成儀器的測量工作。在某種程度上可以說，虛擬儀器的技術中將電腦本身的軟硬件資源全部發(fā)揮了出來，并將相關軟件作為基礎平臺，在擋墻電腦屏幕中虛擬出與儀器本身十分類似的顯示面板。使用者可以依靠鍵盤以及鼠標的方式對其進行操作，調整開關和旋鈕，完成儀器虛擬運行的工作，同時還能了解儀器目前的使用狀態(tài)，并對之前的實驗結果進行讀取。基本上虛擬儀器能夠完成傳統(tǒng)儀器中的所有功能，從某種意義上可以將其稱之為傳統(tǒng)儀器的模塊化以及軟件化表現(xiàn)[2]。

　�。ǘ�）基于虛擬儀器的演示實驗系統(tǒng)

　　現(xiàn)如今最為常用的演示實驗系統(tǒng)主要為NIELVIS，其主要將原本LabVIEW編程作為基礎，將實驗中常用的儀器功能進行集成。因此，NIELVIS可以算是一種多功能數(shù)據(jù)采集的設備，內部主要是一個完全自定義的工作臺，在其上方有一個實驗面板。一般而言，其主要功能為信號的分析、數(shù)字萬用表、信號源、定時以及直流電源。從上述可以發(fā)現(xiàn)，虛擬儀器系統(tǒng)可以將傳統(tǒng)實驗中的大部分功能完全代替，并完成電子技術課程的絕大多數(shù)實驗演示。不僅如此，還可以對原有功能進行拓展，從而滿足更多不同實驗的具體需求。在實際教學的過程中，當教師需要進行實驗的時候，可以先將NIELVIS安裝在電腦的PCI插槽位置，之后再進行線路的搭建工作，并完成具體實驗的操作。如此一來，只需要將實驗演示的內容投到教室的大屏幕上，學生們便能夠清晰地觀察整個實驗的所有操作以及實驗結果，促使實驗的演示效果進一步提升。而且由于電路本身有實驗元件直接搭建，使得實驗的可信度也得到了相應的提升。

　　三、電子技術演示實驗應用的具體案例

　　本次案例的課程選取的實驗內容為反向放大電路實驗，以此對利用虛擬儀器技術進行實驗教學演示進行詳細說明。在實驗開始之前，教師可以先向學生們播放多媒體視頻，促使學生們對于本次實驗所需要使用的元器件有所了解。本次實驗所需要用到的元器件為741運算放大器、10千歐的電阻R1、100千歐的電阻RF以及若干導線。當元器件全部展示完畢之后，教師可以安排一名學生在虛擬儀器面板上進行電路的搭建工作，具體過程可以利用視頻的方式進行展現(xiàn)，促使學生們能夠觀察到搭建的所有操作內容。電路內部的輸入信號往往由虛擬信號的發(fā)生器產生出來，所以可以用導線將其中一端與工作臺的“FGENFUNC_OUT”的引腳位置進行連接，而另一端則需要與“GROUND”相連接。同時，輸出端則需要與“ACH0”相連接，以此當做虛擬示波器的主要輸入信號，并將另一端與“GROUND”相連接。在進行實驗的過程中，首先需要打開工作面板，利用鼠標對信號發(fā)生器進行調整，將其調到1kHZ的正弦波，而實際幅度可以調整到200mV。之后可以將示波器的面板打開，并開啟CHA以及CHB兩條通道，將第一個的“Source”設置為“ACH0”，而第二個的“Source”需要設置為“FGENFUNC_OUT”。如此一來，CHA主要負責信號的具體輸出工作，而CHB則主要負責信號的輸入工作。此時可以對其輸出的波形顏色進行調整，從而能夠對其予以區(qū)別。此時具體輸入電壓的數(shù)值為200mV，實際輸出的電壓為2V，所以反相放大器的具體放大倍數(shù)可以達到10倍左右，同時波形的具體相位差距則達到了180度左右。這一結果與理論中提出的要求基本上相吻合。從該實驗能夠發(fā)現(xiàn)，依靠虛擬儀器替換傳統(tǒng)的工作儀器，方便了課前準備操作，教師不再需要提前將種類繁多且非常笨重的儀器帶入教室，減輕了工作量。另外，由于虛擬儀器的內部顯示面板全部集中在顯示器中，教師便可以利用多媒體將具體實驗操作以及實驗結果的數(shù)據(jù)資料傳到大屏幕上，增加了實驗效果的可見性。不僅如此，由于電腦本身具備較強的儲存功能，可以將具體實驗現(xiàn)象保存到電腦之中，當進行課堂復習以及知識鞏固的時候，能夠將其隨時調出來進行觀看。如此一來，學生們的學習積極性大幅度提高，課堂教學的質量也隨之提升。

　　四、結束語

　　綜上所述，虛擬儀器在當前電子技術課程中有著較強的應用價值，能夠模擬絕大多數(shù)實驗內容。因此教師們應該對其繼續(xù)研究，并予以推廣。

　　參考文獻：

　　[1]李文聯(lián).虛擬儀器在電子技術演示實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，20xx，23（1）：20-22.

　　[2]范蘊秋.電子技術演示實驗中虛擬儀器的應用研究[J].電子技術與軟件工程，20xx（20）：184-185.

虛擬儀器論文3

　　1.虛擬儀器在生物醫(yī)學領域的重大意義

　　虛擬儀器的發(fā)明以計算機為母體，以軟件為核心，利用計算機的升級和更新?lián)Q代來不斷新鮮自己的血液，擴充自己的價值，特別是在生物醫(yī)學工程領域，它在數(shù)據(jù)分析，樣本儲蓄，傳輸速度和處理漏洞等方面至今無以匹敵。傳統(tǒng)的醫(yī)學儀器由于體積龐大，價格昂貴，功能不全等缺陷，使生物醫(yī)學研究受到極大阻礙。而虛擬儀器在很大程度上打破了這些障礙，使科研變得更為便捷和精確。它不僅能迅速掌握患者的各項生理數(shù)據(jù)，還能自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存，樣本分析和資源共享。虛擬儀器的整個系統(tǒng)通過精密軟件為依托，其精確性和穩(wěn)定性都能得到可靠保障，且運行方便，節(jié)約成本，易于維修，逐漸成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的主流生物醫(yī)學工具。

　　2.總結

　　在科技如此飛速發(fā)展的當今，通訊網絡技術的日益成熟，虛擬儀器在生物醫(yī)學工程領域的步伐也餓越來越矯健，不斷地向高速化，遠程化和精密化發(fā)展，旨在為生物醫(yī)學工程領域帶來光明的前景和卓越的貢獻。

　　作者：張玲 宋霄薇