虚拟仪器硬件平台

虚拟仪器的硬件平台包括计算机和I/O接口设备两部分。计算机是硬件平台的核心。I/O接口设备主要完成待测输入信号的采集、放大和A/D转换等。根据I/O接口设备的不同总线形式，虚拟仪器主要构成方式有PC－DAQ板、GPIB仪器、串口仪器、VXI模块、PXI模块等5种类型，如图1－8所示。

1.PCI总线－插卡式虚拟仪器

PCI总线－插卡式虚拟仪器是以数据采集卡、信号调理电路以及计算机为硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用PCI计算机总线，只要将数据采集卡插入计算机主板的空槽中即可以使用，如图1－9所示。

典型的数据采集卡由传感器、采样/保持器、多路模拟开关、放大器和信号采集控制电路组成。

PCI总线－插卡式虚拟仪器通过在PC主板上插入一块多功能的数据采集卡，将前端仪器（如传感器等）送来的模拟信号采集到计算机，由CPU进行分析、处理，再将测量结果在显示器上显示出来，如图1－10所示。在性能上，随着A/D转换技术、仪表放大器技术、信号隔离技术的发展，数据采集卡的采样率已经达到1 Gbit/s，精度高达24位，通道数可达64个，并能够任意结合数字I/O、模拟I/O以及计数器/定时器等通道。

图1－8　I/O虚拟仪器的组成框图

图1－9　NI公司的M系列数据采集卡

图1－10　插卡式虚拟仪器的组成原理示意图

数据采集卡可以完成A/D、D/A、数字输入/输出、计数器/定时器等多种功能，再配以相应的信号调理电路，即可以构成各种虚拟仪器平台，是一种非常实用的虚拟仪器架构方案。

2.GPIB总线的虚拟仪器

GPIB技术是IEEE 488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量由单台手工操作过渡到大规模的自动测试系统的阶段。典型的GPIB系统由一台PC、一块GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成，如图1－11所示。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40 m。

利用GPIB技术，计算机可以“写”命令和“读”数据的方式，实现对仪器的控制和操作，代替人工操作仪器，实现测量的自动化。同时，计算机可以对多台仪器进行控制，使多台仪器协同配合，自动完成测试任务，从而大大提高测试速度。

图1－11　GPIB仪器的组成

GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高但不要求对计算机高速传输的场合应用。

3.串口虚拟仪器

串口虚拟仪器是通过串口实现仪器与计算机、仪器与仪器之间的相互通信，从而组成由多台仪器构成的自动测试系统，如图1－12所示。RS－232总线是早期采用的PC通用串行总线，适合于单台仪器与计算机的连接，但控制性能较差。如今PC已经更多地使用USB和IEEE 1394总线，基于USB和IEEE 1394总线的虚拟仪器开发已经受到重视。但是，USB总线目前只用于较简单的测试系统。在用虚拟仪器组建自动测试系统时，目前最有发展前景的是采用IEEE 1394高速串行总线，因此，当前虚拟仪器所用的IEEE 1394总线的传输速率最高已经达到100 Mbit/s。

图1－12　串口总线与USB总线的数据采集卡构成的虚拟仪器

4.VXI总线的虚拟仪器

VXI总线的虚拟仪器是以VXI标准总线仪器模块与计算机硬件为平台组成的仪器测试系统，如图1－13所示。

图1－13　VXI总线的虚拟仪器

VXI总线是一种高速计算机总线在仪器领域的扩展。VXI总线是在VME总线、IEEE 488等基础上形成的一种虚拟仪器开发型的总线标准。VXI系统由VXI标准机箱、零槽控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。最多可包含256个模块，系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新的系统。

VXI总线的组建方案功能十分强大，系统比较稳定，但是价格十分昂贵。组建中大规模自动化测量系统，以及对速度、精度要求非常高的场合，VXI总线的虚拟仪器具有其他仪器无可比拟的优点。

5.PXI总线的虚拟仪器

PXI（PCIExtensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展）是一种由NI公司开发的坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI（Peripheral Component Interconnection，外围组件互连）的电气总线特性与Compact PCI（紧凑PCI）的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。制定PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运行平台。

一个PXI系统由几项组件组成，包含了一个机箱、一个PXI背板（backplane）、系统控制器（system controllermodule）以及数个外设模块（peripheralmodules）。在此以一个高度为3U的八槽PXI系统为例，如图1－14所示。系统控制器，也就是CPU模块，位于机箱的左边第一槽，其左方预留了3个扩充槽位给系统控制器使用，以便插入因功能复杂而使体积过大的系统卡。由第二槽开始至第八槽称为外设槽，可以让用户依照本身的需求而插上不同的仪器模块。其中第二槽又可称为星形触发控制器槽（star trigger controller slot），其特殊的功能将在后面的章节中说明。

图1－14　PXI总线的虚拟仪器