虚拟仪器硬件构成及优势：基于VXI总线的虚拟仪器系统

一、虚拟仪器硬件的核心——数据采集系统

虚拟仪器的硬件担任信号的输入和输出工作。大多数的GPIB仪器、VXI仪器、串口仪器等虚拟仪器，其主要构成硬件是数据采集系统。数据采集的任务是采集被测信号并经ADC（模数转换器）将其转换成数字量。由于被测对象的种类多，一般都要对进入ADC之前的被测量信号进行调理。因此，一个基于计算机的数据采集系统一般由信号调理电路、数据采集电路、计算机通信电路组成，其原理框图如图8-2所示，主要部分的作用介绍如下。

1.信号调理电路

信号调理一般包括放大、隔离、滤波、线性化处理等。

图8-2 数据采集系统框架

信号放大、滤波的原理及作用在前几章已讲述。隔离的作用是将传感器信号同计算机信号隔开，保证系统安全和被测信号的准确。部分传感器的输入-输出特性是非线性的，由此会影响测量结果，故应先将非线性关系近似为线性关系，即线性化处理，有利于后续信号的处理，能提高测量的准确性。

2.数据采集电路

数据采集电路是将被测的模拟信号转换为数字信号并送入计算机的输入通道，其核心是ADC电路，并附有控制软件。ADC的基本参数有通道数、采样频率、分辨率和输入信号范围。

通道数是指能同时采集数据对象的个数，单通道数据采集原理和双通道数据采集原理参见第六章的6-2节微机测试系统简介。

采样频率是以一定的采样时间间隔Δt进行的，Δt为采样间隔，其倒数fs＝1/Δt称为采样频率，由于采样频率与被测信号频率有相同的量纲和值，故有时也使用Hz（赫兹）作单位。根据采样定理，采样频率至少是被测信号最高频率的两倍，才不至于产生波形失真。

分辨率表示模拟信号的位数，ADC位数越多，分辨率越高，可区分的输入电压信号就越小。

输入信号范围，也称电压范围，决定于ADC能够量化的信号的最高电压与最低电压。一般多功能DAQ卡提供多种可选范围来处理不同的电压，这样能将信号范围与ADC范围进行匹配，有效地利用分辨率，得到精确的测量信号。

现在市场上有通用的数据采集卡（DAQ卡）产品，选用DAQ卡产品时还应注意以下几个特性：

（1）差分非线性度。理论上，当增加输入电压时，数字信号应相应增加，并呈线性关系，实际存在非线性误差。差分非线性度（differential non-linearity，简称DNL）是度量最坏情况下的偏离误差。

（2）相对精确度。相对精确度是用来衡量最坏情况下偏离DAQ卡转换功能直线的量。

（3）停滞时间。对于那种被测信号经多路开关到放大器，再到ADC的采集电路，放大器必须能够跟踪多路开关的输出和停滞，以便ADC能准确工作，否则，ADC就会把通道间的数据混淆，这期间放大器的停留时间称为停滞时间。对于性能好的DAQ卡，停滞时间应准确。

（4）噪声。数字信号的值与信号的差异称为噪声。

（5）模拟输出。模拟输出电路为数据采集系统提供激励。D/A转换器（缩写DAC）的一些规格决定了输出信号的停滞时间、转换率和分辨率。停滞时间和转换率决定DAC输出信号的快慢程度。(www.xing528.com)

（6）数字I/O。数字I/O常用作PC机与数据采集系统的控制，产生测试信号与外围设备通信，其重要参数包括有效的数字线数、速率、源数字信号和驱动能力。

（7）定时I/O。计数器/定时器线路在很多场合都有用，包括计算数字事件、数字脉冲定时和产生方波和脉冲信号。

（8）总线仲裁和高级系统的DMA传送。

例如，NI公司生产的16位基于PCI总线E系列数据采集卡的性能指标有：

·采样频率达200kS/s（Sample/second，缩写S/s）；

·16个单端（single-ended）或8个差分（differential）模拟输入通道；

·2个精度达12位的模拟输出通道；

·8通道数字I/O；

·2通道时间I/O，支持模拟数字触发方式。

数据采集卡需要相应的驱动软件才能发挥作用，因此，与商品化DAQ卡配套的有数据采集卡驱动软件。商品化的驱动软件的主要功能有：DAQ卡的连接、操作管理和资源管理，并且驱动软件隐含了低级、复杂的硬件编程细节，而提供给用户简明的操作使用界面，供用户在此基础上编写应用软件，减少用户编写驱动软件的工作。

二、基于GPIB接口的仪器硬件构成

GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口总线的推出将可编程仪器与计算机紧密地联系起来，使电子测量由独立的、传统的、用手工操作的单台仪器向组成大规模自动测量测试系统转变。

一个典型的GPIB测量系统由PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过标准GPIB电缆连接而成，一般一块GPIB接口板卡可带多达14台仪器。利用GPIB技术可以用计算机实现仪器操作和控制，实现自动测试，提高测量测试效率和准确性。另外，还可以很方便地扩展传统仪器的功能。因为仪器是同计算机连接在一起的，仪器测量的结果送入计算机处理，如果增加相应的分析处理算法，就相当于增加了仪器的功能。这样自动测量测试系统的规模在不断地扩展。

三、基于VXI总线的仪器硬件构成

VXI（VMEExtensions for Instrumentation）总线是计算机用VME总线在仪器系统中的扩展，因其标准具有开放性，其模块可重复使用，其数据输入、输出能力很强，所以很快得到广泛应用。

基于VXI总线的虚拟仪器一般包括VXI总线计算机、VXI机箱、零槽控制器和数据采集系统。VXI总线计算机有外接式和嵌入式两种。外接式计算机常采用IEEE488（GPIB）、MXI等总线与VXI主机箱的零槽连接，实现计算机与仪器的通信和控制。嵌入式计算机既可作为配置多种接口的微机使用，也可以管理资源和零槽器件，外部配置显示器、键盘和鼠标器即可工作，不但体积小，而且便于组成高速系统，但价格较高，构成常规虚拟仪器平台时较少采用。

利用VXI总线可以更方便、快捷地组建虚拟仪器系统，提高测量测试速度和精度，缩短技术更新的周期。