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虛擬儀器構成

May 28,2024

虛擬儀器是基于計算機的測試、測量儀器。所以，它的構成中必然包括硬件模塊和軟件模塊兩個部分。

早期虛擬儀器的基本構成（主要體現在儀器控制應用），在現代自動化測試系統中我們依然可以看到這種構成模式。其實，虛擬儀器的構成本身是多 樣化和十分靈活的，并不局限與某種特定的模式上面。

現代虛擬儀器的基本構成可簡單的劃分為三個部分：傳感器、多功能數據采集模塊（構成虛擬儀器的硬件）、商業化計算機平臺（運行虛擬儀器應用軟件）。
1.2.1 傳感器
大家知道，自然界中許多物理量，比如聲壓、光強、溫度、壓力、流量、應力等等是電子測量儀器無法直接感知的。因為電子測量儀器通常只能夠識別電壓、電流信 號或者是頻率信號，這些被稱為電信號。為了將這些物理量轉換成為電子測量儀器能夠感知的電信號，則需要一種物理量變換元件——傳感器。

傳感器可以將一種物理量變換成為另一種物理量，其變換系數可視為常數。例如：我們通過麥克風可以將聲音變為電信號，通過熱電偶可以將溫度變為電信號。這樣通過測量傳感器的輸出電信號就可以間接實現對原物理量的測量。

在工程測量過程中，傳感器已經成為虛擬儀器中的一個重要組成部分，所以它的性能好壞將決定整個虛擬儀器的測量特性的好壞。
構建虛擬儀器時，選擇變換性能穩定的傳感器這點尤為重要。例如：傳感器最重要的技術指標之一，靈敏度。因靈敏度這個指標反映了輸入變化引起輸出變化之間的 某種特定的函數關系。所以對傳感器靈敏度這個指標，我們期待它長期穩定不變，并不受溫度等外界環境變化的影響。這不僅可以保證虛擬儀器的測量準確度，同時 也可以解決傳感器需要經常標定或校準的問題。因為傳感器的標定或校準，并不是所有實驗室都可以做得到的，通常只有專業實驗室才可以做到這點。

目前傳感器已經發展到智能化傳感器階段。所謂智能化傳感器就是指：采用IEEE－1451標準的傳感器。這種傳感器在內部提供了一個傳感器電子數據表（TEDS），在使用時隨時可以提供給用戶。該表中紀錄了傳感器制造商的有關信息和傳感器的校準數據等信息。
NI許多數據采集卡已經開始支持對TEDS數據的訪問功能。
1.2.2 數據采集模塊
傳感器實現了將物理信號變換成為電信號。可是就計算機而言，它同樣是無法直接識別來自傳感器輸出的電信號。而要想實現基于計算機的測試測量，就必須將電信號轉換為計算機能夠識別的數字信號。這個任務通常由模數轉換器（ADC）來完成。
數據采集模塊中包含了功能各異的模數轉換器以及其它部件。

NI公司也是一個數據采集模塊的專業制造商，它提供了品種眾多、性能各異的數據采集模塊。數據采集模塊有多種分類的方式，比如按平臺、按總線、按輸入通道數、按模數轉換器的位數、按采樣速率、按同步或非同步測量、按動態非動態、按被測物理量等等。

這些數據采集模塊基本上可以滿足工程項目中幾乎所有物理量的采集。同時NI公司也提供了數據采集模塊的驅動軟件。這種數據采集模塊與驅動軟件來自同一個公 司的模式可以確保實現軟、硬件的無縫連接。這也為虛擬儀器的設計和開發提供了多樣化的選擇和最有效技術上的支持與保證。

總之，選擇適合的數據采集模塊是工程應用中非常重要的一個環節，這里給出選擇時需要注意的幾個基本原則：

最好選用NI的數據采集模塊，因為它與NI的整個軟件系統是無縫連接的
根據測量項目的需求確定總線（或平臺）模式
根據信號分析的實時性確定是同步還是非同步卡
根據信號分析所需的最高頻率確定采集卡的采樣速率
根據測量準確度要求確定數據采集卡的位數

虛擬儀器的構成是多樣化和十分靈活的，所以對數據采集模塊本身做更全面、細致的了解是十分必要的。這些需要在實踐中不斷進行總結和體會，只有這樣才能夠選擇確定虛擬儀器最佳的硬件系統。
1.2.3 商業化計算機平臺
顯然，在虛擬儀器的構成中，商業計算機是一個極其重要的組成部分。因為它是虛擬儀器應用程序的運行環境（目前還不涉及到虛擬儀器的設計開發）。之所以強調 計算機為商業計算機，是因為無論LabVIEW開發環境還是它所開發的應用程序都需要在現代操作系統支持下才能夠運行。
就目前計算機的發展水平，幾乎所有的商業計算機都能夠滿足虛擬儀器的運行條件。但是由于NI對Windows操作系統支持力度最大（Windows平臺下的工具包最多）。所以最好還是選用Windows操作系統的計算機。

隨著計算機價格的不斷下降、性能的不斷提高，使我們有了更多的可選擇余地，但也要相應的注意一些可能存在的問題：
盡管一體機已經成為主流的計算機，但因為它們已經取消了PCI插槽，所以只適合選擇使用基于Ethernet、USB、WiFI接口的數據采集模塊。此類計算機如果作為儀器控制來用應該沒有太多的限制。
筆記本電腦與Ethernet、USB及WiFi數據采集卡相配合應該更適于現場便攜式測量，并且C系列模塊的功能相當豐富可選擇的余地也非常大。
上網本或者是平板計算機如果是使用Windows操作系統應該沒有問題，與Ethernet、USB及WiFi數據采集卡相配合做現場便攜式測量。