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虚拟仪器与传统仪器整理对比学习 1. 什么是虚拟仪器，它与传统仪器有何不同？ 虚拟仪器的功能是由用户定义的，而传统仪器的功能是固定的，由供应商定义。 图1.  传统仪器（左）和基于软件的虚拟仪器（右）拥有很多相同的架构组件，但理念完全不同。   每台虚拟仪器都由软件和硬件两部分组成。相对于功能类似的传统仪器，虚拟仪器有一定的标价，对于当前的测量任务来说，很多时候更为经济。更重要的是，长久来看，当改变测量任务时，由于虚拟仪器更加灵活，其成本优势更加明显。 因为不使用供应商定义、预先打包集成的软件和硬件，工程师们和科学家们拥有最大限度的用户定义灵活性。传统仪器为将所有的软件和测量电路打包成一个产品，使用仪器前面板上列出的有限的固定功能。虚拟仪器提供了完成测量或控制任务所需的所有硬件和软件。此外，使用虚拟仪器，工程师们和科学家们可以通过高效的、强大的软件自定义采集、分析、储存、共享，以及演示。 下面是这种灵活性在实践中的一些范例: 1. 一项应用，多个设备 举一个具体的例子，一位工程师正在他的实验室中使用LabVIEW和台式计算机中PCI总线上的M 系列DAQ设备创建一个直流电压和温度测量应用。系统完成后，他需要将应用程序部署到制造车间的 PXI 系统中，对新产品进行测试。另外，他还可能需要将此应用拓展为便携式，所以他为该任务选择了NI USB DAQ。在该范例中，无论如何选择，在三种应用方式中,他都可以使用一个项目的虚拟仪器，无需改变代码。 图2. 当对许多设备使用相同应用程序时，更新硬件非常容易。   2. 多项应用，一个设备 再看另一位工程师的例子，她刚刚完成了一个项目，使用新的M 系列 DAQ设备和正交编码器测量电机位置。她的下一个项目是监控和记录同一个电机消耗的功率。尽管任务不同,她仍然可以重复使用相同的M系列 DAQ设备。她所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发新的应用程序。此外，如果有需要，这个两项目可以组合成为一个应用程序，并在同一个M系列DAQ设备上运行。 图3.  对多个应用重用硬件，可以降低成本。   2. 与传统仪器相比，虚拟仪器的硬件性能如何？ 虚拟仪器一个重要的理念就是加快提升实际虚拟仪器软件和硬件设备的性能。NI注重兼容或者使用一些公司通过大量投资研制出的尖端技术，例如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx等公司。软件方面，NI使用了Microsoft公司投资巨大的操作系统和开发工具；硬件方面，NI在Analog Devices公司投资的巨大的A/D转换器上进行构建。 从根本上说，因为虚拟仪器是基于软件的，只要你能够对信号进行数字化，那么你就可以测量它。因此，测量硬件可以看作是两个轴，分辨率（位）和频率。查看下图，比较传统仪器与虚拟仪器硬件的测量性能。NI的目标是在频率和分辨率两方面进一步推动曲线，对曲线内的部分进一步创新。   图4. 比较虚拟仪器硬件与传统仪器的发展。 3. 虚拟仪器和传统仪器兼容吗？ 许多工程师和科学家们在实验中同时拥有虚拟和传统仪器。此外，一些传统仪器提供了专门的测量，对此工程师和科学家会更喜欢供应商定义而不是由他们自己定义。这就引出了一个问题，“虚拟仪器和传统仪器兼容吗？” 虚拟仪器与传统仪器是兼容的，且几乎无一例外。虚拟仪器软件通常提供常规的仪器总线接口函数，例如GPIB、串口或者以太网，等等。 除了提供这种函数库以外，200多家仪器供应商为NI仪器驱动库提供了4000多种仪器驱动。仪器驱动提供了一组高层的、可读的函数，用于与仪器交互。每个仪器驱动都专门针对特定模式的仪器定制，为其独特的功能提供一个接口。   4. 虚拟仪器和合成仪器有什么不同？ 自动化测试行业的一个基本趋势是向基于软件的测试系统转变。例如，美国国防部（Department of Defense, DoD）是世界上自动化测试设备（Automated test equipment, ATE）的最大用户之一。为了降低测试系统用户的成本并且加强系统的重复使用，美国国防部通过海军的NxTest项目，已经指明未来的ATE需要使用一个构建于模块化硬件和可重配置软件之上的体系架构，称为合成仪器。使用合成仪器代表着未来军事ATE系统规范的重大进展，而且意味着在未来的系统中，可重配置软件将成为主角。若要成功实现一个基于软件的测试系统（例如合成仪器），需要了解市场上的硬件平台和软件工具，还需要理解系统级架构和仪器级架构间的区别。 合成仪器工作组定义合成仪器为：“一个可重配置的系统，可通过标准的接口连接一系列基本的硬件和软件组件，并使用大量的处理技术进行测量或者生成信号。”这与虚拟仪器的许多属性一致，后者的定义为：“一个软件定义的系统，其中，基于用户需求而设置的软件，决定了通用测量硬件的功能”。这两种仪器的概念中，相同的部分即为：“软件定义的仪器，运行于商用硬件之中。”通过这种将测量的功能移至用户可重配置的硬件的方法架构，用户可以获得更大的灵活性和可充配置性能，这样可以在增加系统性能的同时减少成本。   //2013-06-15 //22:59 //在路上的旁观者 //深圳        

          虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。   虚拟仪器的主要特点有： 1.、尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 2、 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。 3、  用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。         虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。      虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。        普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。        虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。       LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。        图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。     利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的３２位编译器。  

随着现代无线通信系统的发展，移动通信、雷达、卫星通信等通信系统对收发切换开关的开关速度、功率容量、集成性等方面有了更高的要求, 因此研究VXI总线技术，开发满足军方特殊要求的VXI总线模块，具有十分重要的意义，我们将利用虚拟仪器思想，将硬件电路以软件的方式实现，以下设计的射频开关可以由计算机直接控制，可以很方便地与VXI总线测试系统集成，最大限度的发挥计算机和微电子技术在当今测试领域中的应用，具有广阔的发展前景。 　　1 VXI总线接口电路的设计与实现 　　VXIbus是VMEbus在仪器领域的扩展，是计算机操纵的模块化自动仪器系统。它依靠有效的标准化，采用模块化的方式，实现了系列化、通用化以及VXIbus仪器的互换性和互操作性，其开放的体系结构和PlugPlay方式完全符合信息产品的要求。它具有高速数据传输、结构紧凑、配置灵活、电磁兼容性好等优点，，因此系统组建和使用非常方便，应用也越来越广泛，已逐渐成为高性能测试系统集成的首选总线。 　　VXI总线是一种完全开放的、适用于各仪器生产厂家的模块化仪器背板总线规范。VXI总线器件主要分为：寄存器基器件、消息基器件和存储器基器件。目前寄存器基器件在应用中所占比例最大(约70%)。VXIbus寄存器基接口电路主要包括：总线缓冲驱动、寻址和译码电路、数据传输应答状态机、配置及操作寄存器组四个部分。四个部分中除总线缓冲驱动采用74ALS245芯片来实现外，其余部分都用FPGA来实现。采用一片FLEX10K 芯片EPF10K10QC208-3和一片EPROM芯片EPC1441P8，利用相应软件MAX+PLUSⅡ来进行设计与实现。 　　1.1 总线缓冲驱动 　　该部分完成对VXI背板总线中的数据线、地址线和控制线的缓冲接收或驱动，以满足VXI规范信号的要求。对于A16/D16器件，只要实现背板数据总线D00～D15的缓冲驱动。根据VXI总线规范的要求，此部分采用两片74LS245实现，用DBEN*（由数据传输应答状态机产生）来选通。 　　1.2 寻址和译码电路 　　寻址线包括地址线A01～A31、数据选通线DS0*和DS1*、长字线LWORD*。控制线包括地址选通线AS*和读/写信号线WRITE*。 　　本电路的设计采用MAX+PLUSⅡ的原理图设计方式。利用元件库里的现有元件进行设计,采用了两片74688和一片74138。 　　该功能模块对地址线A15～A01及地址修改线AM5～AM0进行译码。当器件被寻址时，接收地址线及地址修改线上的地址信息，并将其与本模块上硬件地址开关设置的逻辑地址LA7～LA0相比较，如果AM5～AM0上逻辑值为29H或2DH（由于是A16/D16器件），地址线A15、A14均为1，并且A13～A06上的逻辑值与模块的逻辑地址相等时，该器件被寻址选通（CADDR*为真）。接着其结果被送往下一级译码控制，通过对地址A01～A05进行译码选中模块在16位地址空间的寄存器。 　　1.3 数据传输应答状态机 　　数据传输总线是一组高速异步并行数据传输总线，是VMEbus系统信息交换的主要组成部分。数据传输总线的信号线可分为寻址线、数据线、控制线三组。 　　该部分的设计采用MAX+PLUSⅡ的文本输入设计方式。由于DTACK*的时序比较复杂，所以采用AHDL语言来进行设计，通过状态机实现。 　　该功能模块对VXI背板总线中的控制信号进行组态，为标准数据传输周期提供时序及控制信号（产生数据传输使能信号DBEN*，总线完成数据传输所需的应答信号DTACK*等）。在进行数据传输时，系统控制者首先对模块进行寻址，并将相应的地址选通线AS*，数据选通线DS0*、DS1*以及控制数据传输方向的WRITE*信号线等设置为有效电平。当模块检测到地址匹配及各控制线有效后，驱动DTACK*为低电平，以此向总线控制者确认已经将数据放置在数据总线上(读周期) 或已经成功地接收到数据(写周期)。 　　1.4 配置寄存器 　　每个VXI总线器件都有一组“配置寄存器”，系统主控制器通过读取这些寄存器的内容来获取VXI总线器件的一些基本配置信息，如器件类型、型号、生产厂家、地址空间（A16、A24、A32）以及所要求的存储空间等。 　　VXI总线器件的基本配置寄存器有：识别寄存器、器件类型寄存器、状态寄存器、控制寄存器。 　　该部分电路的设计采用MAX+PLUSⅡ的原理图设计方式，利用74541芯片，其创建的功能模块。 　　ID、DT、ST寄存器都是只读寄存器，控制寄存器为只写寄存器。本设计中，VXI总线主要用于控制这批开关的通断，所以，只要向通道寄存器中写入数据就可以控制继电器开关的吸和或断开状态，查询继电器状态也是从通道寄存器中读取数据即可。根据模块设计需要，在其相应各数据位写入适当的内容，从而能够对功能模块的射频开关进行有效控制。 　　2 模块功能电路PCB板的设计 　　每个VXI总线器件都有一组“配置寄存器”，系统主控制器通过读取这些寄存器的内容来获取VXI总线器件的一些基本配置信息，如器件类型、型号、生产厂家、地址空间（A16、A24、A32）以及所要求的存储空间等。 　　射频电路的频率范围约为10kHz到300GHz。随着频率的增加，射频电路表现出不同于低频电路和直流电路的一些特性。因此，在设计射频电路的PCB板时就需要特别注意射频信号给PCB板所带来的影响。本射频开关电路是由VXI总线控制的，在设计中为减少干扰，在总线接口电路部分与射频开关功能电路间采用排线连接，以下主要介绍射频开关功能电路部分PCB板的设计。 　　2.1 元器件的布局 　　电磁兼容性(EMC)是指电子系统在规定的电磁环境中按照设计要求能正常工作的能力。对于射频电路PCB设计而言，电磁兼容性要求每个电路模块尽量不产生电磁辐射，并且具有一定的抗电磁干扰能力。而元器件的布局直接影响到电路本身的干扰及抗干扰能力。也直接影响到所设计电路的性能。 　　布局总的原则：元器件应尽可能同一方向排列，通过选择PCB进入熔锡系统的方向来减少甚至避免焊接不良的现象；元器件间最少要有0.5mm的间距才能满足元器件的熔锡要求，若PCB板的空间允许，元器件的间距应尽可能宽。 　　元器件的合理布局也是合理布线的一个前提，因此应该综合考虑。在本设计中，继电器是用于转换射频信号的通道，故应将继电器尽量贴近信号输入端与输出端，以此来尽量减短射频信号线的走线长度，为下一步的合理布线做出考虑。 　　此外，本射频开关电路是由VXI总线控制，射频信号对VXI总线控制信号的影响也是布局时必须考虑的问题。 　　2.2 布线 　　在基本完成元器件的布局后，就要开始布线，布线的基本原则为：在组装密度许可情况下，尽量选用低密度布线设计，并且信号走线尽量粗细一致，有利于阻抗匹配。 　　对于射频电路，信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计，可能造成信号传输线之间的交叉干扰；另外，系统电源自身还存在噪声干扰，所以在设计射频电路PCB时一定要综合考虑，合理布线。 　　布线时，所有走线应远离PCB板的边框（2mm左右），以免PCB板制作时造成断线或有断线的隐患。电源线要尽可能宽，以减少环路电阻，同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，以提高抗干扰能力。所布信号线应尽可能短，并尽量减少过孔数目；各元器件间的连线越短越好，以减少分布参数和相互间的电磁干扰；对于不相容的信号线应尽量相互远离，而且尽量避免平行走线，而在正反两面的信号线应相互垂直：布线时在需要拐角的地方应以135度角为宜，避免拐直角。 　　以上设计中，PCB板采用四层板，为减小射频信号对VXI总线控制信号的影响，故将两种信号走线分别放在中间两层，且射频信号线用接地过孔带屏蔽。 　　2.3 电源线和地线 　　在射频电路PCB设计中的布线需要特别强调的是电源线与地线的正确布线。电源和地线方式的合理选择是仪器可靠工作的重要保证。射频电路的PCB板上相当多的干扰源是通过电源和地线产生的，其中地线引起的噪声干扰最大。根据PCB板电流的大小，电源线、地线线条设计的要尽量粗而短，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。在条件允许的情况下尽量采用多层板，四层板比双面板噪声低20dB，六层板又比四层板噪声低10dB。 　　在本文设计的四层PCB板中，顶层和底层两层均设计为地线层。这样无论中间层哪一层为电源层，电源层和地线层这两个层彼此靠近的物理关系，形成了一个很大的去耦电容，减少了地线所带来的干扰。 　　地线层采用大面积铺铜。大面积铺铜主要有以下几个作用： 　　(1)EMC.对于大面积的地或电源铺铜，会起到屏蔽作用。 　　(2)PCB工艺要求。一般为了保证电镀效果，或者层压不变形，对于布线较少的PCB板层铺铜。 　　(3)信号完整性要求，给高频数字信号一个完整的回流路径，并减少直流网络的布线。 　　(4)散热，特殊器件安装要求铺铜等等。 　　3 结论 　　VXI总线系统是一种在世界范围内完全开放的、适用于多厂商的模块化仪器总线系统，是目前世界上最新的仪器总线系统。以上主要介绍了基于VXI总线的射频开关模块的研制。介绍了总线接口的设计以及射频开关模块功能电路部分PCB板的设计。射频开关由VXI总线控制，增加了开关操作的灵活性，使用方便。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载