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虚拟仪器简介
在过去20年中,PC的迅速普及在仪器的测试,测量以及自动化领域引发了一场革命。PC广泛使用的较主要的发展结果是虚拟仪器的概念,对于要求提高生产率,精度和性能的工程师和科学家来说,获益匪浅。
虚拟仪器包括一台装有强大应用软件的工业标准电脑或工作站,性价比高的插板等硬件与驱动软件,能一起执行传统仪器的功能。虚拟仪器代表了从传统的硬件为主的仪器系统到软件为主系统的本质上的转变,能更好地开发被广泛使用的台式机与工作站的计算能力、生产率、显示和连接能力。
图 1. 结合了PXI平台与NI 软件的 PXI 高速传感器测量系统.
NI公司提供硬件和软件工具来创建虚拟仪器,用于测试,测量及控制。PXI高速数据采集(DAQ)模块集成了信号调节,即NI SC高速与动态信号采集卡(DSA),提高了使用工业标准PXI平台和NI软件——如NI-DAQmx, NI LabVIEW和 NI DIAdem——传感器测量系统的水准。
PXI平台
PXI是一款开放的,基于PC的平台,用于测试、测量及控制。它提供了工业上的较高带宽和较低延迟,使用从直流可达26.5 GHz RF的高分辨率的I/O模块。(此处原来缺少一段翻译)PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性,并增加了专门的同步总线和主要软件特性。有超过70多家厂商提供了超过1500多种PXI产品,PXI成为全世界众多公司进行软件自定制平台开发时的选择。
PXI机箱
机箱为系统提供坚固与模块化的装配。PXI机箱有4到18插槽,3U 到 6U的尺寸。很多PXI机箱都能容纳PXI与PXI Express外设模块,而某些机箱,例如NI PXIe-1075,具有混合与PXI Express外设插槽,所以您可以使用PXI Express与混合兼容PXI外设模块。这些机箱允许多个PXI系统配置来满足很多应用需求。
机箱包括高性能的PXI底板,包括PCI总线,时钟与触发总线。PXI模块仪器增加了一个专用的10 MHz系统参考时钟,PXI触发总线,星型触发总线,及槽对槽局部总线来满足高级定时、同步、边带通信的需求,而不会失去任何PCI的优点。
依托PXI的能力,PXI Express提供了额外的时钟和同步特性,特有100 MHz差分系统时钟,差分信号及差分星型触发。通过使用差分时钟和同步,PXI Express系统在仪器时钟下具有更高的抗干扰能力,也具有以更高频率发送的能力。使用这些时钟和触发总线,您可以开发要求精确同步的应用系统。
图 2. 底板上的PXI Express 时钟与触发总线新增一个差分系统时钟,差分信号及差分星型触发 .
PXI控制器
大部分的PXI机箱在其较左边的插槽包含一个系统控制器插槽。当需要为一个应用选择较好的系统控制器时,您可以从很多待选项做出选择,包括来自台式机,工作站,服务器或便携式电脑的远程控制器,以及采用微软(Microsoft) OS或实时OS的高性能嵌入式控制器。可供选择的两种类型的远程控制器是PXI的便携式电脑控制和PXI的PC控制。
PXI嵌入式控制器
嵌入式控制器忽略了外部PC的需求,因此,PXI机箱包含了完整的系统。这些嵌入式的控制器具有标准化特性,例如集成的CPU,硬件驱动,RAM,网卡,显示卡,键盘/鼠标,串口,USB以及其它外围设备,还包括安装好的微软(Microsoft)Windows操作系统与所有设备的驱动。它们可用于基于PXI 或 PXI Express的系统,您可以选择OS,包括Windows Vista/XP或LabVIEW Real-Time系统。
图 3. NI PXI-8108 控制器具有一个 2.53 GHz 的Intel 酷睿2(Core 2) Duo T9400处理器.
PXI嵌入式控制器一般在较小的PXI箱内使用标准PC部件创建。例如,NI PXI-8108控制器具有2.53 GHz Intel酷睿2(Core 2) Duo T9400双核处理器,高达4 GB 的 DDR2 RAM,可选择的硬盘驱动器或固态驱动器,及标准的PC外设,例如高速USB,网卡,串口以及并口。
PXI远程控制器
使用NI ExpressCard MXI(仪器测量扩展)与PCMCIA CardBus接口包,您可以由便携式电脑通过透明的软件连接来直接控制PXI系统。在初始阶段,便携式电脑识别出PXI系统所有的外设模块,比如PCI卡,然后您就可以通过便携式电脑控制这些设备了。PXI的便携式电脑控制包括一张插在便携式电脑上的ExpressCard/PCMCIA CardBus 卡,以及插在PXI系统插槽1的PXI/PXI Express模块。
图 4. 使用双接口MXI-Express的远程控制能以共计160 MB/s 的流量同时控制两个PXI 机箱.
PXI外围模块
NI公司提供高性能的PXI Express模块用于测量,例如拉力、应力、压力、扭力、温度声音、振动及高电压。您可以选择来自NI的超过200种的PXI模块以创建各种类型的系统,这些模块包括仪器、数据采集、开关、运动、视觉、高级同步以及与其它总线的接口。因为PXI是一种开放式的工业标准,所以超过70家供应商提供的多达1,500种模块可以采用。PXI使用从高分辨率DC到6 GHz RF的I/O模块,能提供工业上的较高带宽和较低延迟总线。因为PXI与CompactPCI非常兼容,您可以在PXI 或 PXI Express系统使用很多3U 或 6U CompactPCI模块。
软件特色与技术
软件结构概述
基于Windows的PXI系统的开发和运行同基于Windows的标准PC没有任何不同。因此,控制器能使用工业标准的应用程序接口,例如NI LabVIEW, LabWindows™/CVI, Measurement Studio; Visual Basic以及 Visual C/C++。此外,由于PXI底板使用工业标准的PCI总线,编写与PXI模块通信的软件,大多数情况下,是与PCI板卡相同的。所以,当从基于PC和基于PXI的系统之间移植软件时,您不必重新编写已有的应用软件、范例代码及程序设计技术。
作为基于Windows系统的替代,您可以使用实时软件结构用于时序要求严格的应用,必须具备确定的循环速率和无显示(headless)操作(没有键盘,鼠标,或模拟器)。实时OSs帮助您决定任务的优先级,所以,如果有必要,较关键的任务总是取得处理器的控制权。通过这些特点,您可以使用可预期的结果和简化的编译为应用编制程序。
图5. NI-DAQmx 驱动软件内嵌数据采集总线技术并提供与API标准交叉的多重编程语言.
易用与功能强大的NI-DAQmx驱动软件
NI-DAQmx驱动软件远远超过了一般DAQ驱动,能实现很高的生产率和性能,这也是NI公司能够连续成为全球基于PC的数据采集市场领导者的主要原因之一。NI-DAQmx驱动软件控制您传感器测量系统的方方面面,从配置到LabVIEW编程,到底层的操作系统和设备控制。相同的驱动软件可用于所有NI公司的DAQ和信号调节硬件。图6显示了很多优点,包括NI-DAQmx支持的超过200 的DAQ设备,能提供易用性,灵活性,以及多编程平台的高性能;这些平台包括NI LabVIEW, NI LabWindows/CVI, C/C++, Visual Basic 6.0 及 C#/,Visual Basic .NET.
图6. NI-DAQmx 支持的DAQ设备提供易用性,灵活性,以及多编程平台的高性能.
NI-DAQmx提供了基于文本编程语言的超过160个实例程序以及针对LabVIEW的230个实例,两者都具有高性能的多线程驱动特征。您甚至可以将已有的基于文本的程序代码与LabVIEW的程序代码相结合来提高开发速度。所有NI-DAQmx设备包括测量与自动化浏览器(MAX),配置文件,使用交互测试面板的测试应用,参考图以及虚拟通道。
图 8. 在MAX中使用配置向导来创建NI-DAQmx虚拟通路
DAQmx虚拟通路在传感器测量中特别有用,因为您可以很容易的配置信号调理选项和传感器缩放,以现实世界的工程单位获得精确的测量值。您也可以使用NI-DAQmx虚拟通路来完成下面的任务:
- 配置输入范围和信号调节参数
- 将传感器电压测量转换为现实的工程单位
- 增加信号调节配置,如冷节点补偿(CJC),输出激励值,以及增益设置
- 使用用户自定义的缩放操作
- 通过增加时钟,触发及同步信息来创建NI-DAQmx任务
LabVIEW图形编程语言
LabVIEW是虚拟仪器的主要部分,因为它提供了易用的应用开发环境,特别为工程师和科学家需求而设计。LabVIEW提供了强大的特色,使它很容易与种类繁多的硬件和其它软件相连接。LabVIEW给予工程师和科学家较强有力的特色之一是它的图形编程环境。使用LabVIEW,您可以设计常用的虚拟仪器,根据您的要求,分析以及数据显示,在电脑屏幕上创建图形化的用户界面。
图 9. DAQ 助手提供了一个可用于所有数据采集程序的功能.
您可以使用旋钮,按键,标度盘以及图表来定制前面板以模仿传统仪器的控制面板,创建常用测试面板,或者虚拟表示控制和操作过程。标准流程图和图形化编程的相似性缩短了传统的基于文本语言的学习时间。
NI-DAQmx提供了DAQ助手,包括一步步的向导,用于配置,测试以及为测试任务编程。图9显示了一个基本的,使用DAQ助手来显示电压测量的LabVIEW应用程序。您也可以使用NI-DAQmx API和 LabVIEW来创建一个高性能的测量系统以满足您的特别应用需求。
数据管理软件
NI 技术数据管理 (TDM)平台帮助