【虚拟仪器技术】第二章 虚拟仪器及其构成原理,体系结构，系统定义，系统集成
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目录
2.1 虚拟仪器及其系统描述
2.2 虚拟仪器的体系结构
2.3 虚拟仪器及其系统功能定义
2.4 虚拟仪器及其系统集成
2.1 虚拟仪器及其系统描述
2.1.1 虚拟仪器的实现原理
不再是普通的、针对特定参数的测试系统，是 一个集多参数、综合测试的开发平台。
2.1.2 虚拟仪器的结构
将组成虚拟仪器测试系统的基本单元，使用非常简单的方法，配置成真实的测试系统，系统 硬件采用标准接口相连，软件通过可重置的源代码库相连。
2.1.3 虚拟仪器的功能特点
虚拟仪器及其系统的功能完全由用户根据需要自行定义，这种定义可以在测试开始前随时进 行，能够完成多参数、综合测试，并在一段时间内能完成若干测试系统的功能。
2.1.4 虚拟仪器的外在特性
一些特定的硬件“消失”了，取而代之的是 “虚面板”、“虚开关”、“虚按钮”等 “软面板”环境。
2.1.5 虚拟仪器及其系统定义
由虚拟仪器硬件平台、通用和专用模块等硬 件、应用软件组合集成，由用户定义功能， 具有虚拟面板，用户能自行开发用于多参数 测试的测试仪器及系统。
2.1.6 虚拟仪器的实质
将测试仪器及其系统的功能、技术参数、精度指标有序地、保真地集成在一个“测试功能软件库” 中，通过与通用和专用硬件搭配，在虚拟仪器及其 系统中精确无误地实现被集成测试仪器及测试系统 的全部功能。
专用模块硬件一般包括标准接口、外接传感器和变送器，无论测量属何种物理参数，只影响传感器的 选择，与虚拟仪器及其系统无关。
测试仪器及其系统充分发挥硬件的功能和软件的灵活 性、可塑性。
由用户定义功能是虚拟仪器的必备功能，是其关键，仪器的状态设置要最大限度地实现可编程控制，尽可能用计算机的软硬件取代传统仪器功能单元。
虚拟仪器外在体现是虚拟面板，是虚拟仪器的基本属性之一，是虚拟仪器与用户的交互界面。
2.2 虚拟仪器的体系结构
2.2.1 体系结构描述
从系统设计者角度的描述
虚拟仪器的硬件组合方式、软件选取、可重复使用源代码库的结构与实现是设计者研究和设计的重点。其体系结构是如何最佳、最合理地将总线系统、通用和专用模块硬件、应用软件集成在一起，满足测试任务的要求，其体系结构体现在系统的组成和实现，实现指逻辑框图、程序流程图的逻辑实现和硬件连接、功能模块性能的物理实现。
从系统使用者角度的描述
从系统使用者看，虚拟仪器的体系结构是系统概念性结构和其功能特性。系统使用者用系统进行测试，直接接触设计语言的形式、图形或其它编程语言、以及透明的系统功能。系统的结构是传统系统级的属性，是系统使用者完成测试必须了解的结构，是系统硬件、软件的交界面。
2.2.2 体系结构定义
体系结构定义
虚拟仪器测试系统的体系结构是从系统设计者和系统使用者两个方面看的体系结构，是系统硬件、软件功能的优化集成配置。
2.3 虚拟仪器及其系统功能定义
2.3.1 信号输入功能
信号输入功能
虚拟仪器具有信号输入功能，输入功能包括被测量的获取和转换。对虚拟仪器系统，获取被测量是将被测量经传感器转换为电量信号，如需经变送器将该电量信号转换成标准电量，再经由接口读入测试系统。传感器输出的电量信号包括幅值、频率、相位等多种信息，在有些测试中，要求虚拟仪器能同时读入几种信息，否则会造成测试信息丢失、增加误差或使测试根本无法进行。
2.3.2 信号输出功能
信号输出功能
虚拟仪器应具有激励信号输出功能，系统输出激励信号与外加激励信号不同。外加激励信号与测试部分分离，该激励信号不能由系统控制，即使可以由系统控制，也不能同步，不能适时地、任意地由系统修改。虚拟仪器系统的输出功能应具备实时、任意修改能力，以根据不同的被测对象或根据被测对象不同时刻特性而改变激励方式时，能够在线主动补偿，产生十分理想的测试结果。
2.3.3 用户定义传递函数功能
用户定义传递函数功能
虚拟仪器传递特性是系统输入和输出的一种关系，可以采用传函来表示。由Laplace变换表示的系统传函可表示为
虚拟仪器由总线系统、通用和专用硬件、应用软件组合集成。专用硬件包括传感器、信号调理电路和接口，系统传函可看成是几个部分的串联。
用户定义传函功能
虚拟仪器系统输出与输入的关系可以表示为
式中，G(s)=G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)为系统总传递函数， G1(s)为传感器传函, G2(s)为信号调理单元传函，G3(s)为接口传函， G4(s)为系统处理单元传函。
用户定义传函功能
传感器传函由测试原理、材料特性、制造工艺和使用条件等决定，无法消除其使用中产生的误差，对该误差进行补偿。信号调理电路传函由电子电路构成，使用元器件电气特性及使用条件决定。在某些测试条件下，系统不需要信号调理电路，为考虑一般性，在系统中给出信号调理电路。接口传函由接口的电气特性及使用条件决定，电气特性包括频率响应、带宽等。系统处理单元是系统核心，将数字信号进行处理，转换成示值，其传函是由用户定义，在测试开始前可以进行任意改变。
虚拟仪器通过改变系统传函来构造不同多参数测试系统, 由用户定义系统传函是虚拟仪器的主要功能之一。要实现由用户自定义测试系统的传函，系统中至少有一个(或一个以上)单元的传函是可以由用户自定义的，例如:
2.3.4 图形化编程功能
图形化编程功能
多参数测试系统是由专业人员编程，且可使用任何一种语言。虚拟仪器系统不是普通意义上的测试系统，与一般测试系统有本质区别，其编程已成为系统使用一部分，为提供直观、简便的编程环境，充分发挥系统虚拟测试特点，系统具有图形化编程。具有图形化编程功能是虚拟仪器系统的重要特征。
2.3.5 用户接口功能
用户接口功能
用户接口是虚拟仪器的重要部分，用户对系统进行功能定义、读取示值、输出数据和结果，都通过用户接口。用户接口是用户和虚拟仪器实现人机交互的通道，提供的功能强弱、是否易被用户接受，成为用户接口设计关键。操作的方便性、简易性、操作界面的美观性是虚拟仪器系统的重要指标，系统向用户提供的“虚面板”、“虚按钮”、“虚开关”等是否真实、是否方便是评定系统用户接口的重要方面。
2.4 虚拟仪器及其系统集成
2.4.1 虚拟仪器硬件组成
计算机硬件平台
可以采用PC机、便携式计算机、工作站和嵌入式计算机，管理虚拟仪器的软硬件资源。
计算机技术在显示、存储能力、处理性能方面的发展以及网络和总线标准的发展推动虚拟仪器系统的发展
测控功能硬件
接口硬件：根据不同的标准接口总线转换输入和输 出信号，供其它系统使用。
传感器：将电量信号或非电量信号转换为标准电信 号的装置。
信号调理器和数据采集器：包括放大器、滤波器、 采样保持器，多路开关，A/D转换器，接口等。
硬件要求：
能够适用于各类应用的通用硬件架构
能够在硬件和虚拟仪器处理单元之间的高速连接
能在系统需要提升时对其进行部分升级的模块 虚拟仪器最根本的优势在于使用软件对测量和自动化系统进行重新配置时的灵活性。
2.4.2 虚拟仪器软件组成
仪器驱动程序
仪器开发软件（应用软件）
软件要求：
能够与各类I/O硬件进行连接
全面的内置测量算法
能够创建各类处理系统，可以应用于DSP和FPGA等技术。
2.4.3 硬件基础
硬件基础
虚拟仪器的硬件包括总线系统、通用和专用模块等硬件。总线系统由主控计算机和零槽控制器、主机箱组成，构成整个总线系统的控制、处理核心，其性能直接影响整个系统，主机箱是总线系统的必备部件，它向各种模块提供总线高质量标准电源和空气冷却系统。通用模块是广泛应用于总线的、并能实现特定功能的部件，专用模块是结合实际测试对象、用于测试系统的部件，一般同输入信号调理电路结合在一起，作为测试参数变换信号的前级输入。
2.4.4 软件基础
软件基础
软件是虚拟仪器测试系统中集成化工作开发环境，由操作系统、编程语言、开发工具和应用软件组成，在测试系统中，应用软件开发包括与模块接口连接的底层软件、中间层的模块驱动软件和高层的“虚拟面板”软件。软件系统框架最为流行的有WIN、WIN/NT等，系统开发软件有LabVIEW和HP VEE，LabWindows/CVI，有通用编程语言Visual C++、Borland C++，Visual Basic等
2.4.5 系统集成方法
详细了解被测试参数的特征、范围等
● 主控计算机和零槽控制器、主机箱的选取
● 系统开发环境的选取主机箱的选取
● 总线通用模块的选取
● 专用模块的选取与开发