虚拟仪器在专用测试设备中的运用

摘 要

虚拟仪器具有良好的系统开放性和扩展性，能够在有限的硬件基础上通过软件开发实现多样化的测试设备搭配。本文主要论述虚拟仪器测试设备的软硬件组成，自动测试系统的开发以及虚拟仪器测试设备的校准。

【关键词】虚拟仪器 专用测试设备 PXI总线

1 虚拟仪器的发展概况

1.1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器（Virtual Instruments，VI）的概念最初是由美国国家仪器公司在上世纪八十年代提出，一般认为是在计算机基础上通过增加相关的硬件和软件而构成不同的仪器，实现各种用户定义的仪器或测试功能。

1.2 虚拟仪器的组成

虚拟仪器通常由硬件设备与接口、功能实现软件和人机交互界面组成。硬件设备与接口可以是各种以计算机为基础胡扩展类设备，或者是其他各种可直接、间接程控的设备；功能实现软件根据仪器的功能定义对硬件功能进行整合，从而实现仪器功能；人机交互见面提供了传统仪器面板所进行的操作和显示功能。

2 虚拟仪器技术在测试设备中的应用

虚拟仪器技术的优势在可由用户定义专用测试设备，且功能灵活，构建简便，特别契合专用测试设备开发需求。虚拟仪器把强大的计算处理能力和测量、控制能力结合在一起，可通过软件实现对数据胡实时分析处理。

2.1 虚拟仪器测试设备的总线接口选择

现阶段虚拟仪器的接口总线类型多样，有数据采集卡式（DAQ）虚拟仪器、串口虚拟仪器、USB虚拟仪器、GPIB虚拟仪器、VXI虚拟仪器、PXI虚拟仪器。

综合性能、价格等多方面因素，推荐使用PXI总线。PXI总线规范是在PCI总线规范上发展而来的，具有传递数据量大、传输率高等性能特点，并且增加了专用的系统参考时钟、触发总线等，以此满足仪器领域高精度的定时、同步与数据通信要求。相比较同样用于测试系统开发的VXI总线，PXI总线具有更小巧的体积、更低廉的成本以及更好的标准操作系统框架。

2.2 基于PXI总线的虚拟仪器测试设备

2.2.1 硬件方面主要包括功能板卡选择和接口电路设计

功能板卡的选择主要取决于测试设备需要实现的功能，可以根据测试的具体参数，在保证测试通道和测试精度的前提下选择合适的板卡。常见的数据采集卡、数字表卡、矩阵卡等功能板卡在功能上足以保证常用的测试设备需求，能够比较便捷地搭建所需的测试设备。

接口电路是测试设备和被测设备之间的连接部分，也是专用测试设备与通用测试设备区别最大的地方，主要是被测信号的多样性和特殊性所决定的。精确高效稳定的接口电路设计是虚拟仪器测试设备功能实现的基础，被测信号的类型、量值、精度等诸多因素都是在设计接口电路时要考虑的，基本原则是让被测信号能够被完整准确的读取。

2.2.2 软件方面现在常用的是LabVIEW之类的图形化G语言编制

开发人员不再需要在硬件驱动和函数套用上消耗过多的精力，只要调用相应模块并进行图形化连接就能很便捷的完成测试程序的编制，但要注意过多的未经优化的嵌套循环会严重影响G语言程序的运行效率。

2.3 基于虚拟仪器的自动测试系统

现在的虚拟仪器测试设备已经逐渐从单一的测量设备发展到了自动测试系统，所谓自动测试系统是指采用计算机控制，能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试结果的系统。虚拟仪器自动测试系统能够最大限度的发挥计算机的数据处理优势提高测试效率，同时具备良好的开放性，能够便捷的实现测试系统的功能扩展和功能转换。

虚拟仪器自动测试系统与虚拟仪器测试设备的硬件和软件都存在较大的区别。

硬件方面，除了要有被测信号采集通道外，还需要提供被测试备的输入信号甚至是工作电源，让被测设备能蛟诓馐曰肪持卸懒⒐ぷ鳎从而保证测试过程的完整性和有效性。

测试软件是自动测试系统的核心，功能完善的测试软件除了能够判定被测设备的工作状态，还能进行故障定位。实现故障定位的途径主要有两个，一是设置合理的中间采集点，监控对被测设备工作过程，通过各采集点的工作状态定位故障，需要对被测设备的工作原理有比较透彻的认识，能够准确的选定采集点；二是能够积累足够多的故障案例，通过“查表法”进行故障定位。

3 虚拟仪器测试设备的校准

虚拟仪器测试设备的校准计量是一个新兴的课题，鉴于虚拟仪器测试设备的多样性和灵活性，对其校准的方法还没有一致的校准规范和标准。

传统设备计量所使用的“端对端”比较的计量方法只适用于实现简单测量功能的虚拟仪器测试设备，对虚拟仪器自动测试系统就很难准确完整地反映设备的工作状态和精准程度。

首先是对组成虚拟仪器的功能板卡进行校准，这部分板卡都有明确的独立功能，通常都会提供明确的校准规范和标准，能够使用传统手段进行校准。

其次测试软件中的数据处理和算法等可能影响的是精度的因素在设计时已经考虑，只需要对软件版本是否现行有效进行确认即可。

再次是对接口电路部分的工作状态进行检查校正，因为接口电路部分对信号转换时存在的误差和错误会直接影响测试结果的准确性，接口电路通常由各种电子线路组合而成，可以通过传统的校正方法进行校正。

做好以上几点，结合正确的操作使用，应该就能够保证虚拟仪器测试设备的测试精度。

4 结束语

虚拟仪器从概念的提出到广泛运用，体现了计算机技术对传统工业技术的革命性推进。虚拟仪器作为新兴的仪器设备形式，用户可以自由定义其功能结构，构建灵活，转换快捷，特别适用于专用测试设备各式各样的测试需求。利用虚拟仪器思想搭建的测试设备提高了测量精度和速度，成本消耗较低，今后将是专用测试设备发展的重点方向。

参考文献

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