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虚拟仪器的体系结构与应用考虑 0 引言 随着虚拟仪器的出现与普及，用户有更多的机会选用不同厂商的功能模块来设计、构造自己的测试系统。这固然为用户自由发挥其测试或测控才能提供了必要的技术与物质基础，同时也要求用户能更准确地理解虚拟仪器不同功能模块对系统性能的影响。 图 2-5 不同硬件平台与计算机的结合 文献[1]图2-5把虚拟仪器的内部功能划分成数据采集与控制、数据分析和数据表达式三个功能模块。按数据采集/激励模块所用仪器硬件的不同，虚拟仪器可分为GPIB、PC－DAQ和VXI等不同的体系结构。虽然各种体系结构的虚拟仪器都能和计算机共享系统资源((如利用计算机的系统内存、DMA和中断资源进行数据采集；利用计算机的微处理器和系统内存进行数据分析与处理；利用计算机的显示器和图形能力进行人机交互等。但不同体系结构的虚拟仪器与计算机共享系统资源的程度是不同的。或者说，每种体系结构的功能模块在计算机与仪器之间的分布是不同的。如图2-5所示，PC－DAQ和VXI体系结构的虚拟仪器已完全和计算机结合在一起来完成仪器功能，从而实现真正的虚拟仪器体系结构。 表 2-2 不同体系结构虚拟仪器的系统性能 平台 特性 GPIB PC-DAQ VXI 传输 宽度 8 8，16，32 (expandable to 64) 8，16，32 (expandable 64) 吞吐率 1MB/s(3-wire) 8MB/s(HS488) 1-2MB/s(ISA) 132MB/s(PCI) 40MB/s 80MB/s(VME64) 定时与控制 能力 None None 8 TTL Trigger Line 2 ECL Trigger Line 面市产品种类 10,000 1,000 1,000 扩展 能力 Using Multiple Interface Cards Available From Third Parties Standardised Using MXI 结构大小 Large Small Medium 图 2-6 不同硬件的数字化能力 虽然虚拟仪器的功能是由用户自己定义的，但其所能达到的性能指标和系统能力不仅与采集模块的数字化能力有关，而且与其体系结构有关。图2-6是不同硬件平台数字化能力的比较，表2-2是不同体系结构系统性能的比较。由于PC－DAQ板受到通用工业标准计算机结构尺寸的限制，其数字化能力低于GPIB和VXI仪器模块，但PC－DAQ和VXI体系结构的系统性能明显优于GPIB。从面市品种来看，目前GPIB仪器有上万种，而PC-DAQ和VXI模块仅有上千种。因此，除非在PC-DAQ和VXI产品中找不到能满足特殊测试要求的硬件模块，一般才考虑选用GPIB仪器。 1 非电量测量系统的体系结构考虑 1.1 体系结构考虑 传感/换能器的输出通常需要调理后才能进行有效而准确的ADC，这种前端预处理就是所谓的信号调理(Signal Conditioning)。SC的作用包括放大、滤波、电气隔离、多路复用以及给传感/换能器提供激励（电压或电源）、桥路平衡和线性化等。因此，非电量的测量系统一般都带有前端调理部分。 由于传统仪器的功能单一，通常针对其具体的测量要求在仪器内部作好了SC部分。而虚拟仪器、特别是PC－DAQ和VXI体系结构的虚拟仪器，一般需要配置专门的SCXITM（Signal Conditioning eXtentions for Instrumentation)。图2-7是带有SCXITM的通用非电量测量系统体系结构图。对VXI体系结构的虚拟仪器系统，在信噪比许可的条件下，可采用的另一种体系结构是根据具体的传感/换能器来选择适当的VXI调理模块，直接插入VXI机箱，形成图2-8所示的VXI非电量测量系统。 对PC-DAQ体系结构的虚拟仪器，可以根据具体的应用要求选择台面系统(图2-9A)、便携系统(图2-9B)、(图2-9C)。 图2-9A示台面系统的SCXITM多路复用外部信号到PC-DAQ板或VXI-DAQ模块，PC-DAQ 板或VXI-DAQ模块直接将调理后的信号采进PC或零槽控制器的内存，然后由PC或零槽控制 器利用计算机资源完成对数据的分析处理和显示、存储、硬拷贝输出等。 图2-9B所示便携系统与图2-9A所示台面系统在配置上的不同之处在于计算机平台由台式机变成了便携机，而PC－DAQ板也相应地换成了PCMCIA－DAQ卡。在无