嵌入式计算机平台虚拟仪器设计优化

采用通用计算机平台的虚拟仪器虽然有许多比传统仪器好的优点，但在使用过程中还是存在若干问题，如：非便携式、现场使用不方便、抗干扰的安全性较差等。而传统仪器稳定性好，操作方便及功能集成于一体的形式，仍然能得到许多用户的喜好。本小节介绍的嵌入式一体化仪器融合了虚拟仪器与传统硬件仪器的优点，摒弃了它们的缺点，形成了一种新的虚拟仪器形式。

图2-14是一台嵌入式一体化型振动信号分析仪。

图2-14 嵌入式一体化型振动信号分析仪

1.一体化测试装置硬件

虚拟仪器需要通过仪器总线和软件接口把仪器的硬件模块与软件模块有机地连接在一起形成。良好的仪器结构和规范化结构设计成为仪器开发的关键。

一体化测试装置是将虚拟仪器的支撑平台由通用商业计算机过渡到嵌入式工业计算机，并集成采集设备、调理设备和人机交互装置，简化虚拟仪器测试系统中计算机及外设、电源系统、采集设备和调理设备构成虚拟仪器硬件系统，有利于现场和工厂使用。一体化测试装置和通用虚拟仪器系统相比，具有特定的硬件设备，可以完成系统的整体校正，达到很高和可靠的精度；具有明确的阻抗匹配特征，可指导用户连接合适传感器和调理设备；另外，还增强了防止电磁干扰的能力。一体化测试装置的硬件构成如图2-15所示，该装置以便携的嵌入式系统硬软件一体化平台为载体，采用工业嵌入式计算机和WIN XPE操作系统，集成数据采集器、信号调理器、LCD、信号发生器等，融虚拟仪器和传统硬件化仪器的诸多优点于一体，并有效克服各自不足，适用于石油测控、工业现场监测、数据采集和信号分析处理。

如图2-15所示，一体化测试装置由传感器、信号调理单元、数据采集卡、工业计算机平台组成。各部分的功能和作用如下所述。

图2-15 一体化测试装置的硬件结构

（1）工业计算机平台 虚拟仪器就是用通用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路才能完成的功能，所以一体化测试装置的计算机平台的选择至关重要。考虑到一体化测试装置通常运行在工业现场，常常有较强的振动、电源干扰和电磁干扰。为了保证记录仪可靠的运行，设计时选定工业计算机。工业计算机采取了抗干扰措施，有利于计算机平台的可靠运行。另一方面是因为工业计算机通常具有很多类型的接口，有利于满足进一步扩展的需要。

（2）信号调理单元 被测参量经传感器转换后的输出一般是模拟信号，它是以电信号或电参数的形式出现的。电信号的形式有电压、电流和电荷，电参数的变化形式有电阻、电容和电感等。通常，传感器的输出信号非常微弱，根本不适合直接输入模数转换装置。另一方面，实际的工程测试信号中混杂有多种干扰。所以，信号需要经过中间转换装置进行变换、放大、调制等，以便将信号转换成便于处理、接收显示记录的形式。习惯上将完成上述功能的电路或仪器称为信号调理单元。信号调理单元的主要功能如下：

1）放大。微弱信号都要进行放大，以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D转换器的模拟输入电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。

2）隔离。隔离是指使用互感器、光或电容偶合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因由两个：一是从安全的角度考虑；二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。

3）滤波。滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。

4）激励。信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源，以便给传感器提供激励。(www.xing528.com)

5）线性化。很多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。目前数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。

由于不同传感器有不同的特性，因此，信号调理所采用的方法也不是相同的，例如电阻感器，如果电阻的变化相对较大，可使用整流电路和分压电路来处理，如果电阻变化较小，可以使用电桥电路。除了这些通用功能，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。

（3）传感器 传感器是将被测物理量按一定规律转换为与之对应的，易于进行变换、处理的有用信号的装置。传感器一般由感知元件和配件组成。感知元件能够直接感知被测物理量，并将其转换为目标信号，是传感器的核心。如机械传感器能够感受物体的运动，并将物体的运动参量转换成模拟电信号的一种转换装置。

在机械行业中，由于测量对象种类繁多，应用的传感器类型也非常多。所以需要对传感器有一个系统的认识，以便根据不同的测试对象，选择合理的传感器，这对于构造机械信号测试系统具有十分重要的意义。

传感器是测量仪器与被测量之间的接口，作为测量装置的输入端。其性能直接影响着整个测量系统，对测量精度起着决定性作用。如何根据测试目的和实际条件，合理地选用传感器就成为测试工作的关键问题。

（4）数据采集卡 模拟量到数字量的转换指将连续信号经过数字化处理变为离散的数字序，以便于计算机处理。这部分工作由A/D转换器完成。它包括采样保持和量化两个主要步骤。在有些场合，模拟量到数字量的转换也可通过电压频率的转换及后续的计数来实现。通常数据采集器由多路模拟开关、程控放大器（PGA）、采样保持器、模数转换器、数据缓冲、总线接口电路和定时与控制单元几个部分组成。在实际的应用中，数据采集器可以是PCI数据采集卡、USB数据采集器，还可以是VXI、PXI仪器或者基于现场总线的采集模块。它们的选择应该根据数据采集需要而选定。

（5）信号发生器与功率放大器 在部分场合需要对测试对象进行激励，信号发生器产生正弦周期信号，通过虚拟仪器的虚拟旋钮或仪器面板进行参数调节。

功率放大器将信号发生器的信号进行放大，推动外接激振器进行工作。

（6）人机接口 合理的人机接口设计能够方便仪器的使用者操作一体化测试装置，所以除了配置基本的键盘和鼠标，还可以根据需要安装触摸屏，增加仪器的可操作性。

2.一体化测试装置的软件结构

虚拟仪器技术核心的思想就是利用通用计算机的软件和硬件资源，使仪器本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能和灵活性。如果把虚拟仪器的硬件看做仪器的躯体，那么虚拟仪器软件就是虚拟仪器的灵魂。合理的软件框架结构以及高效的软件开发模式对虚拟仪器的开发而言至关重要。一体化测试装置采用分层的虚拟仪器软件结构，运用模块化和面向对象的软件开发模式。在分层式软件结构中，结构中的中间层作为系统的组成元素既为上层提供服务，同时又为下层提供服务请求。分层式软件结构紧凑明确，可重用性强，特别适合虚拟仪器软件设计，虚拟仪器标准化组织也极力推荐这种软件结构。

图2-16所示为一体化测试装置的软件框架，从低层到顶层包括硬件驱动、操作系统、标准硬件接口和虚拟仪器应用软件几部分组成。

图2-16 一体化测试装置的软件框架