基于嵌入式的虚拟仪器构件问题的研究

时炳彦

（爱思爱天津高科技有限公司，天津300308）

0 引 言

最早得到广泛应用的仪器仪表是机械式仪器仪表，以后逐渐发展到光学、电学仪器仪表，目前发展到基于计算机控制的虚拟仪器。在仪表的发展过程中，随着集成电路、计算机技术以及通信等领域的发展，1986年美国国家仪器公司提出了一种新型的虚拟仪器技术，它是由计算机进行总体控制，通过利用不同的总线控制技术实现虚拟设备的控制和模拟。这种技术一方面将计算机科技与虚拟仪器设备相联系，另一方面鉴于计算机强大的软硬件设施实现虚拟仪器的模拟和建立。而基于嵌入式的虚拟仪器构件也是当前虚拟仪器技术发展的新方向，针对嵌入式系统的专用特性，对虚拟仪器构建问题进行研究，更有利于虚拟仪器技术的发展。

1 嵌入式处理器

通常来看，嵌入式系统面向应用实际，就它的整体性能而言，是一种基于计算机软硬件技术，具备良好的软硬件编程以及应用能力的计算机系统。嵌入式一般有广义以及狭义的区分，狭义上说，基于计算机的，能够实现特定功能并且能进行独立控制的计算机系统称之为嵌入式系统；与之相反，类似于在单片机中应用的没有独立的操作系统，而仅仅包含软硬件单元的即是广义层面上的嵌入式。

在嵌入式系统中，处理器是整个系统的核心单元，在实现可靠性控制的前提下，嵌入式处理器把许多需要完成的任务集结在芯片内部，这样一方面可以实现整个系统的微型化，另一方面可以提高控制的效率以及可靠性。总的来看，应用于嵌入式系统的处理器与通用型最大的区别就是面向的对象以及控制对象的区别，正是由于嵌入式工作的单一性才会保障控制系统的稳定以及可靠。因此，嵌入式系统处理器也是当前市场竞争较为激烈的硬件芯片，不同的芯片存在不同的优缺点。

在嵌入式系统的设计中，核心单元是嵌入式处理器。为此，要设计嵌入式系统，必须最大程度上估计处理器单元。

2 虚拟仪器构件分析

2.1 虚拟仪器的特点

虚拟仪器（Virtual Instrument，缩写为VI）是基于计算机的仪器，是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能的一种仪器。与传统仪器相比，虚拟仪器有众多的优点，可以总结为以下几个方面：

（1）通信方面，虚拟仪器可以实现网络的连接，方便用户尽快交流，与传统仪器相比在实时性上有所提高。

（2）功能方面，基于计算机控制的虚拟仪器可以实现软硬件的扩充以及设计，从而满足不同的功能需求；而传统的仪器仅仅局限于某一方面的功能，因此在功能方面，传统仪器大大不如虚拟仪器技术。在智能化方面虚拟仪器智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。

（3）成本方面，基于计算机控制的虚拟仪器价格以及成本较低，明显低于传统仪器。

总的来看，虚拟仪器有传统仪器所无法比拟的众多优点，这就为虚拟仪器的发展提供了良好的铺垫。

2.2 虚拟仪器的产生与分类

在电子仪器设备发展的历程中，经历了模拟、数字、智能以及虚拟仪器的四个阶段，不同阶段有自己的优缺点。然而虚拟仪器依据强大的计算机软硬件以及处理功能，在监测系统的应用以及检测中占有重要的作用。虚拟仪器可以较为方便地实现数据的采集、信号的分析以及处理输出等问题，这极大地方便了用户，为虚拟仪器的发展开辟了良好的途径。总的来看，根据总线通信控制的不同方式，虚拟仪器大致可以归纳为以下几类：

（1）插卡型，这类虚拟仪器通过PC总线实现计算机与软件相联系，从而组建各种仪器。但是，受到PC机箱和总线的限制，插卡的尺寸比较小，插槽数目有限，此外，机箱内部的噪声电平也较高。

（2）并行口型，这类虚拟仪器主要是通过一系列可以连接到计算机的并行口测量装置，实现数据的采集以及分析处理，这类仪器主要为了模拟频率计、逻辑分析仪、万用表以及波形发生器等装置。

（3）GPIB型，这类主要是基于通用仪器接口总线技术，主要实现系统的功能分散化，通过总线联系把不同形式的GPIB联系起来，从而实现虚拟仪器的模拟。在GPIB的应用中，鉴于其结构简单、容易实现的优点，一般适用于精度不高的场合。

（4）VXI型，因为具有良好的数据采集处理、结构模块化以及应用广泛等特点，在虚拟仪器中得到较为广泛的普及，在一些要求较为严格的场合，一直有自己的优势。

（5）PXI型，这类总线在目前较为成熟，可以实现相邻用户的通信，具有良好的发展前景。

总的来说，各类虚拟仪器都有其优势，但是把嵌入式系统应用到虚拟仪器技术中更能体现其优良的性能。

2.3 虚拟仪器的结构分析

在虚拟仪器的组成中，大致可以分为计算机模块、软件模块以及硬件模块三部分。

2.3.1 虚拟仪器的硬件系统

计算机以及仪器的硬件系统构成了虚拟仪器的硬件系统。嵌入式计算机在处理、分析等方面有重要的优势，这极大地提高了虚拟仪器的发展。通过嵌入式计算机的控制，虚拟仪器可以根据用户的需求，来实现整体系统的模拟实现。虚拟仪器的构件与基于嵌入式系统的计算机硬件一起工作，用来采集数据、提供源信号和控制信号。

2.3.2 虚拟仪器的软件系统

虚拟仪器技术就是利用了计算机作为开发平台，实现良好的模拟过程，从而满足用户的实际需求。它一方面降低了使用成本，另一方面扩大了实用的功能，最核心的思想就是利用计算机的硬、软件资源，增强了系统的可靠性。而嵌入式的计算机系统是虚拟仪器组件问题中一个重要的组成部分，它延续了原来系统的特点与优势，还能最大程度上实现虚拟仪器的构造。通过使用计算机，利用计算机编程，实现不同类型的需要。对于基于嵌入式的虚拟仪器，提高计算机的软件编程也是一个非常现实的问题。

3 结 论

本文主要对虚拟仪器技术进行分析，对目前比较流行的几种类型进行分析，然后对虚拟仪器的组成部分，包括软件以及硬件等方面进行简单的概述，再结合嵌入式处理器的相关内容，可以清楚地看到，解决嵌入式的构件问题在虚拟仪器系统的优化以及对模型进行合理的模拟中有重要的意义。

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