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當(dāng)今儀器儀表的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)方法 |
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當(dāng)今儀器儀表的特點(diǎn)
1.1 硬件功能軟件化
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微處理器的速度越來(lái)越快，價(jià)格越來(lái)越低，已被廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，使得一些實(shí)時(shí)性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。甚至許多原來(lái)用硬件電路難以解訣或根本無(wú)法解決的問(wèn)題，也可以采用軟件技術(shù)很好地加以解決。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和高速數(shù)字信號(hào)處理器的廣泛采用，極大地增強(qiáng)了儀器的信號(hào)處理能力。數(shù)字濾波、FFT、相關(guān)、卷積等是信號(hào)處理的常用方法，其共同特點(diǎn)是，算法的主要運(yùn)算都是由迭代式的乘和加組成，這些運(yùn)算如果在通用微機(jī)上用軟件完成，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，而數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)硬件完成上述乘、加運(yùn)算，大大提高了儀器性能，推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
1.2集成化、模塊化
大規(guī)模集成電路LSI技術(shù)發(fā)展到今天，集成電路的密度越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，功能也越來(lái)越強(qiáng)大，從而大大提高了每個(gè)模塊進(jìn)而整個(gè)儀器系統(tǒng)的集成度。模塊化功能硬件是現(xiàn)代儀器儀表的一個(gè)強(qiáng)有力的支持，它使得儀器更加靈活，儀器的硬件組成更加簡(jiǎn)潔，比如在需要增加某種測(cè)試功能時(shí)，只需增加少量的模塊化功能硬件，再調(diào)用相應(yīng)的軟件來(lái)使用此硬件即可。
1.3 參數(shù)整定與修改實(shí)時(shí)化
隨著各種現(xiàn)場(chǎng)可編程器件和在線編程技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表的參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)不必在設(shè)計(jì)時(shí)就確定，而是可以在儀器使用的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)置入和動(dòng)態(tài)修改。
1.4 硬件平臺(tái)通用化
現(xiàn)代儀器儀表強(qiáng)調(diào)軟件的作用，選配一個(gè)或幾個(gè)帶共性的基本儀器硬件來(lái)組成一個(gè)通用硬件平臺(tái)，通過(guò)調(diào)用不同的軟件來(lái)擴(kuò)展或組成各種功能的儀器或系統(tǒng)。一臺(tái)儀器大致可分解為三個(gè)部分：1)數(shù)據(jù)的采集；2)數(shù)據(jù)的分析與處理；3)存儲(chǔ)、顯示或輸出。傳統(tǒng)的儀器是由廠家將上述三類功能部件根據(jù)儀器功能按固定的方式組建，一般一種儀器只有一種或數(shù)種功能。而現(xiàn)代儀器則是將具有上述一種或多種功能的通用硬件模塊組合起來(lái)，通過(guò)編制不同的軟件來(lái)構(gòu)成任何一種儀器。
2 儀器儀表設(shè)計(jì)的新方法
為了造應(yīng)儀器儀表發(fā)展的新特點(diǎn)，各種新型的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)方法不斷涌現(xiàn)。這里擇其具有代表性的二者加以介紹。
2.1 儀器儀表的虛擬化設(shè)計(jì)與LabVIEW圖形化發(fā)工具
電子儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)更深層次的結(jié)合產(chǎn)生了一種新的儀器模式：虛擬儀器(Virtual Instrument)。虛擬儀器是指在通用計(jì)算機(jī)上添加一層軟件和一些硬件模塊，使用戶操作這臺(tái)通用計(jì)算機(jī)就像操作一臺(tái)自己專門設(shè)計(jì)的儀器一樣。虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)調(diào)軟件的作用，提出了“軟件就是儀器”的概念。它是電子測(cè)試與儀器領(lǐng)域中發(fā)展方興未艾的技術(shù)，特別適用于現(xiàn)代越來(lái)越復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)。
NI公司的LabVIEW是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件。它增強(qiáng)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)上配以高效經(jīng)濟(jì)的硬件設(shè)備來(lái)構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。將LabVIEW與一般的數(shù)據(jù)采集以及儀器設(shè)備加以組合，就可以設(shè)計(jì)出虛擬儀器，并將其應(yīng)用于許多領(lǐng)域，而不象傳統(tǒng)的儀器那樣，受生產(chǎn)商所設(shè)計(jì)功能的限制。
LabVIEW提供一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程方式，用戶只要連接各個(gè)邏輯框即可構(gòu)成程序。它的基本程序單位是VI。LabVIEW通過(guò)圖形編程的方法，建立一系列的VI，來(lái)完成用戶指定的測(cè)試任務(wù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的測(cè)試任務(wù)，可由一個(gè)VI完成;對(duì)于復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)，則可按照模塊設(shè)計(jì)的概念，把一項(xiàng)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)變成一系列的子任務(wù)。設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)計(jì)各種VI以完成每項(xiàng)子任務(wù)，然后把這些VI組合起來(lái)以完成更大的任務(wù)，最后建成的頂層虛擬儀器就成為一個(gè)包括眾多功能子虛擬儀器的集合。
使用傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開發(fā)儀器系統(tǒng)存在許多困難。開發(fā)者不僅要關(guān)心程序流程方面的問(wèn)題，還必須考慮用戶界面、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)表達(dá)等復(fù)雜的問(wèn)題，這些問(wèn)題在LabVIEW中都迎刃而解了。LabVIEW還帶有多種基本的VI庫(kù)。其中包括采用GP-IB、VISA、VXI和串行接口的儀器的驅(qū)動(dòng)程序。LabVIEW還擁有功能超強(qiáng)且龐大的分析函數(shù)庫(kù)，其涵蓋了統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號(hào)生成、時(shí)域頻域分析及數(shù)字濾波等眾多科學(xué)領(lǐng)域。
2.2 ESP在系統(tǒng)可編程技術(shù)
ISP(In System Programmability)在系統(tǒng)可編程是指在用戶自己設(shè)計(jì)的目標(biāo)系統(tǒng)中或線路板上為重構(gòu)邏輯器件進(jìn)行編程或反復(fù)編程的能力。這種重構(gòu)可以在實(shí)驗(yàn)開發(fā)過(guò)程中、制造過(guò)程中甚至在交付用戶使用后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行或通過(guò)Internet進(jìn)行。ISP技術(shù)的應(yīng)用，給儀器儀儀器儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的變化。它使得儀器儀表的硬件系統(tǒng)不再是固定結(jié)構(gòu)，而是具有了軟件的靈活性，在調(diào)試過(guò)程中不斷更改“軟件”就可達(dá)到硬件功能的改進(jìn)，這種“軟”硬件的全新設(shè)計(jì)概念，使系統(tǒng)具有了極強(qiáng)的靈活性的適應(yīng)性。
傳統(tǒng)上，在系統(tǒng)可編程技術(shù)主要用于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如美國(guó)Xilinx公司的FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件等均支持ISP技術(shù)。
3 結(jié)論
現(xiàn)代儀器儀表不再是功能單一的和固定的不可變結(jié)構(gòu)，而是越來(lái)越表現(xiàn)出柔性化和智能化，適應(yīng)性越來(lái)越強(qiáng)，功能越來(lái)越豐富。相應(yīng)地，儀器儀表的設(shè)計(jì)需要更寬的知識(shí)面，因而也更富于挑戰(zhàn)性。
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