计算机与数字化测量

　　摘要:分析了仪器发展的几个阶段,探讨了网络化时代的虚拟仪器体系结构,并对数字化测量作了详细的介绍。
　　关键词:体系结构;虚拟仪器;数字化测量
　　一、引言
　　计算机的发展带动了许多行业的发展,测量领域也不例外。在测量领域,计算机已经成为测量系统的核心,彻底改变了传统的测量模式。测量系统已经从松散结合的、常常不兼容的、独立的仪器发展成紧密结合的测量系统。
　　回顾测量领域的每一次飞跃都和计算机的发展有关。计算机与测量系统的首次结合是GPIB设备GPIB利用计算机对传统仪器的功能加以扩展和延伸随后出现的PC-DAQ,利用标准工业计算机总线来实现高速采集;VXI总线则是VMEbus在仪器领域的扩展是计算机操纵的模块化自动测量系统;而PXI则是将CompactPCI规范定义的PCI总线技术,定义成适合于试验、测量和数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。随着网络技术的飞速发展,更是给测量系统增加了新的内容,引起了虚拟仪器的革命。
　　二、虚拟仪器的革命
　　虚拟仪器技术给测量系统带来了新的思路。在十多年前,LabVIEW主导了虚拟仪器的应用,它声称“软件就是仪器”。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板,而是利用计算机强大的图形环境,在计算机屏幕上建立图形化的软面板来代替常规的仪器控制面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控件。用户通过鼠标或键盘操作软面板,对被测对象进行数据采集、分析、存储、显示。为了使软件设计标准化、模块化,并具有可复用性、开放性,在设计虚拟仪器时,必须遵照VXIplug&play系统联盟制订的VISA规范设计软面板。
　　近年来,随着计算机的发展,虚拟仪器技术也从独立的仪器发展成为网络化虚拟仪器,从而产生了“数字化测量”这一概念。数字测量系统不仅仅指GPIB仪器和插卡式仪器,还包括通过分布式网络、高速计算机总线以及智能传感器进行的测量。开发人员利用软件技术把今天的系统通过Modem连接到网络上去,通过浏览器采集和发布数据,从而产生了基于Web的虚拟仪器。
　　基于Web的虚拟仪器,就是把虚拟仪器技术和面向Internet的Web技术,二者有机结合所产生的新的虚拟仪器技术。以前虚拟仪器的主要工作是把传统仪器的前面板移植到普通计算机上,利用计算机的资源处理相关的测试需求;现在基于Web的虚拟仪器则是把仪器的前面板移植到Web页面上,通过Web服务器处理相关的测试需求。图1为虚拟仪器和Web结合的基本模型。从图中可以看出现在的测量系统是虚拟仪器与Web的结合,他们结合的纽带就是Internet,网络现在是无所不容、无所不能。
　　基于Web的虚拟仪器,任何人都可以把不同的仪器连接起来而不用去学习许多复杂的通信协议。现在,已经有大量的工程师和科学家加入虚拟仪器的组织,因为他们需要更高的系统吞吐率、可靠的通信方式以及更低的造价来建造数字测量系统。虚拟仪器技术和Web技术的结合,将使虚拟仪器拓展到真正的分布式测试应用环境中,对于丰富测试手段、提高测试效
　　率、充分利用有效资源都有着很好的作用。
　　
　　图1虚拟仪器与WWW结合模型
　　三、构建数字化测量系统
　　现在的数字化测量系统有以下几个特点:
　　2.1计算机。计算机成为数字测量系统的核心部分,完成着大量的数据处理和分析任务,传递着比过去任何传统测量系统更多的信息。微处理器的引入,使得测量系统不再因大量的计算而降低了运行速度。例如,对于PⅢ500Hz的处理器,运行1024点的FFT,其执行时间仅为0.49ms。另外计算机的硬盘及RAM容量的增大,也提高了测量系统的数据存储能力。
　　2.2高速I/O接口。一个数字测量系统必须高速地把数据从测量设备传到计算机,以便计算机完成复杂的分析和计算。DAQ板、图像采集卡等测量设备通过PCI、IEEE1394、USB、VXI等高速数据总线,把数据送给计算机进行处理。
　　2.3网络。Internet和网络技术的发展开辟了信息交流和数据共享的新阶段。在过去,从测量系统向外实时的发布信息被认为是不可能的,但现在来说,就很容易实现。图2为数字测量系统的网络部分。从图2可看出,现在的测量系统已紧紧地把测量设备、测量客户端、公共数据库、服务器及浏览器连接起来,展示了采集、分析、表达的一个新方法。
　　
　　
　　
　　
　　在数字测量系统中,开发人员可以很容易地把网络模块嵌入到开发环境中,同时,用模块化的软件,也可以把系统的共享部分从测量系统中分离出来。网络化应用程序,也使得用户具有主动权,用户可以根据需要从网络获取数据,通过网络发布信息,或者在几个计算机之间分配任务。另外,当越来越多的测量系统连接到Internet时,开发人员可以把数据分配到别的计算机,通过Web连接到本地或远端数据库。
　　2.4软件技术。软件把整个测量系统连接起来。在数字测量系统中,软件必须是模块化的,像LabVIEW这样的图形化软件开发工具,为不同的任务创建了不同的模块,充分显示了软件的灵活性。如图3所示,把软件框架分成4个独立的模块化组件,这样的模块化设计思路有以下几个特点:
　　
　　①硬件的独立性。图3中的“测量和自动化服务软件”层是一些板卡或仪器的驱动程序,这些驱动程序底层的软件结构是很相似的,所以当硬件改变时,软件不用改变。
　　②代码的复用性。对于一个独立的系统,若用图3中的“开发工具”,可以把一个庞大的软件系统分成多个任务,分别实现。这样,当一个新的应用程序需要同样的任务时,开发人员就可以在新的应用程序中很容易地复用它的代码。
　　③应用程序的开放性。为了在软件上减少投资测量系统必须不断地采用新技术,如果采用模块化的组态软件,开发人员就可以快速容易地把新技术加入到应用程序。例如,当一个新的数据共享技术产生时测量应用程序的数据共享部分将被性能更好的技术所代替。
　　所以说,软件是数字化测量系统的最大特点,通过软件把测量设备连接到计算机,通过Internet发布数据,并用统一的数据库进行管理。软件设计独立于硬件环境,开发人员可以利用在硬件上的最小投资和软件的复用性,来建立一个低造价的测量系统。
　　2.5信号的测量精度。以前的采集卡,其采样精度是固定的,不可改变。但是采用DSP技术就可以实现柔性精度,用户可根据需要在软件上设计不同的精度,以满足不同的需要。图4给出了系统的精度与采样频率的关系曲线。从曲线可以看出,A/D转换器在100MHz时提供8位的分辨率,而在低频应用时,如1kHz可以提供21位的分辨率,美国国家仪器公司的NI5911数字化仪就可以达到这一指标。当然,虚拟A/D转换器技术不单局限于采集的精度和速度之
　　间的折衷,在A/D转换的其他方面,如通道数与采集速度等方面也可以进行柔性伸缩。
　　
　　2.6高度地集成。数字化测量系统与传统测量系统的本质区别在于软、硬件的高度集成化、模块化。每个模块必须是独立的,但是也必须以最高的效率集成在一起。例如数字化示波器,通过高速数据总线连接到计算机,采用集成化的软、硬件,因此它的性能指标比一般的模拟示波器要高得多。用这样的模块化软件,可以把应用软件分成采集、分析和表达3部分。
　　①采集。现在的组态软件把采集时用到的函数做成了动态连接库,这样开发人员可以很容易地把采集的信息送入计算机;
　　②分析。现在有许多信号处理的软件包,如神经网络软件包、小波分析软件包、模糊控制软件包等,这些软件包为编程人员节省了许多时间。
　　③表达。图形用户界面控件如Knobs、Graphs和Numeric等控件可以更清楚地表达信息。另外,用文件的I/O和数据共享功能来表达系统信息更方便。
　　数字测量系统集成方便,可以根据用户的不同需求设计系统。对于实验室测量系统,灵活性是关键,因此组建系统时,通过GPIB把测量设备连接到计算机,来实现硬件无法实现的功能。在户外工作时,便携性是关键,因此可以设计一种笔记本电脑式测试仪。对于工业流水线,性能指标是关键,通过把基于PXI总线的测量设备嵌入PXI机箱来完成数据采集和表达。
　　四、结束语
　　计算机及其网络技术的发展,给现代测量系统带来了新的思路,但也产生了一些新的问题,即如何提高远程测量的实时性、如何降低数据传输的误码率等问题,成为迫切需要解决的问题。
　　
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