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展的儀器。和傳統儀器不同,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世紀儀器總線系統和自動測試系統的優秀平臺。VXI總線模塊儀器的優良的交互操作性,數據傳輸速率高,可靠性高。體積小,重量輕,功耗低、可移動性好、易維修,價格與傳統自動測試系統相比具有巨大的潛力。它的出現為虛擬儀器的發展提供了新的動力,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展過程

　　20世紀80年代后期,儀器制造商發現GPIB總線和VME總線產品無法再滿足軍用測控系統的需求了。在這種情況下,HP、Tekronix等五家國際著名的儀器公司成立了VXIbus聯合體,并于1987年發布了VXI規范的第一個版本。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;使系統體積更小;通過使用高帶寬的吞吐量,為開發者提供高性能的測試設備;采用通用的接口來實現相似的儀器功能,使系統集成軟件成本進一步降低。

　　VXIbus規范發布后,由于軍方對測控系統的大量需求,許多儀器生產廠商都加入到VXIplug&play(VXI既插既用)聯盟。聯盟是VXIbus聯合體的固有補充機構。聯盟通過規定連接器的統一方法、UUT接口和測試夾具、共享存儲器通信的儀器協議、可選VXI特性的統一使用方法以及統一文件的編制方法來增加硬件的兼容性,并開發一種統一的校準方法。聯盟還通過規定和推廣標準系統軟件框架來實現系統軟件的“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,通過軟件實現地數據的分析處理和表達,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組建成本。

　　2 VXI總線系統規范簡介

　　VXI總線系統或者其子系統由一個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。資源管理器在系統上電或者復位時對系統進行配置,以使系統用戶能夠從一個確定的狀態開始系統操作。在系統正常工作后,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不是設計來替代現存標準的,其目的只是提高測試和數據采集系統的總體性能提供一個更先進的平臺。因此,VXIbus規范定義了幾種通信方法,以方便VXIbus系統與現存的VMEbus產品、GPIB儀器以及串口儀器的混合集成。

　　2.1 VXI總線系統機械結構

　　VXIbus規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,這主要是因為C尺寸的VXIbus系統體積較小,成本相對較低,又能夠發揮VXIbus作為高性能測試平臺的優勢。

　　2.2 VXI總線系統電氣結構

　　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。系統自動配置時必須用到MODID線。

　　TTL觸發線 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、掛鉤、時鐘或邏輯狀態的傳送。VXIbus規范已經定義了同步(SYNC)觸發、時鐘傳送、數據傳送、起/停(STST)和外部觸發緩沖7種標準工作方式。

　　ECL觸發線 包括ECLTRG0-ECLTRG5,同TTL觸發線一樣,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規范已經定義了7種跟TTL觸發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。規范已經規定了使用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系統時鐘和100MHz同步信號。用于系統中更高精度的定時和觸發。

　　STARX和STARY 星形觸發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。

　　（四）計算機仿真演示的方式

　　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節進行模仿和確定，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，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，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儀器中的所有功能，從某種意義上可以將其稱之為傳統儀器的模塊化以及軟件化表現[2]。

　　（二）基于虛擬儀器的演示實驗系統

　　現如今最為常用的演示實驗系統主要為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據采集的設備，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、數字萬用表、信號源、定時以及直流電源。從上述可以發現，虛擬儀器系統可以將傳統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，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別。此時具體輸入電壓的數值為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。從該實驗能夠發現，依靠虛擬儀器替換傳統的工作儀器，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據資料傳到大屏幕上，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，能夠模擬絕大多數實驗內容。因此教師們應該對其繼續研究，并予以推廣。

　　參考文獻：

　　[1]李文聯.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.虛擬儀器在生物醫學領域的重大意義

　　虛擬儀器的發明以計算機為母體，以軟件為核心，利用計算機的升級和更新換代來不斷新鮮自己的血液，擴充自己的價值，特別是在生物醫學工程領域，它在數據分析，樣本儲蓄，傳輸速度和處理漏洞等方面至今無以匹敵。傳統的醫學儀器由于體積龐大，價格昂貴，功能不全等缺陷，使生物醫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據，還能自動實現數據儲存，樣本分析和資源共享。虛擬儀器的整個系統通過精密軟件為依托，其精確性和穩定性都能得到可靠保障，且運行方便，節約成本，易于維修，逐漸成為代替傳統儀器的主流生物醫學工具。

　　2.總結

　　在科技如此飛速發展的當今，通訊網絡技術的日益成熟，虛擬儀器在生物醫學工程領域的步伐也餓越來越矯健，不斷地向高速化，遠程化和精密化發展，旨在為生物醫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