基于虚拟仪器的可重构逻辑外文翻译Word文件下载.docx

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一、汉语翻译

基于虚拟仪器的可重构逻辑

摘要：

从使用一个一般组合的通用计算机数据采集系统得出结果的虚拟仪器是为了仿真一个传统的测量仪器。

该虚拟仪器的数据采集硬件提供电脑的输入/输出功能，通常以有固定架构的标准电路为基础。

与此同时，软件定义的分析和处理所获得的数据是生成的虚拟仪器的功能。

因此，虚拟仪器的特点是多功能性，成本低，但它们程序的性能缺乏面向应用的硬件架构。

在本文中，我们提出了虚拟仪器系统在可重构硬件基础上改善了维护其多功能性虚拟仪器的特征和低成本。

1.引言

虚拟仪器的出现是测量仪器发展历史上的一场革命。

它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能，用计算机屏幕可以简单地模拟大多数仪器的调节控制面板，以各种需要的形式表达并且输出检测结果，用计算机软件实现大部分信号的分析和处理,完成大多数控制和检测功能。

用户通过应用程序将一般的通用计算机与功能化模块硬件结合起来,通过友好的界面来操作计算机,就像在操作自己定义，自己设计的单个仪器,可完成对被测量的采集，分析，判断，控制，显示，数据存储等。

虚拟仪器较传统仪器的优点

（1）融合计算机强大的硬件资源,突破了传统仪器在数据处理，显示，存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。

（2）利用计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性。

通过软件技术和相应数值算法，实时，直接地对测试数据进行各种分析与处理，通过图形用户界面技术,真正做到界面友好、人机交互。

（3）虚拟仪器的硬件和软件都具有开放性，模块化，可重复使用及互换性等特点。

因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品,使仪器系统的开发更为灵活，效率更高，缩短系统组建时间。

传统的仪器是以固定的硬件和软件资源为基础的specific系统，这使得系统的功能和应用程序由制造商定义。

这些仪器都是复杂的系统，因此它们变得昂贵而且难以操作和管理。

个人电脑在许多科技领域的广泛应用使其为测量仪器的执行搭建了一个理想的硬件和软件平台，通过增加一个简单的数据采集系统，个人计算机可以仿真任何仪器。

因为它们没有独自占有和访问硬件和软件资源，所以以这种方式产生的仪器被称为虚拟仪器。

不同的仪器只要对该软件重新编程就可以在同一硬件中实现。

虚拟仪器呈现了大量的优势，其中最重要的就是由于硬件和软件资源的重用性降低了成本。

上述特点及虚拟仪器的不断发展和个人电脑降价使虚拟仪器成为传统仪器的一个有价值的替代。

然而，也有两个主要因素限制了虚拟仪器的应用。

一方面，数据捕获的减少将放缓速度，因为一般用途的电脑普遍常用的操作系统并不面向实时应用。

另一方面，数据采集系统不是应用导向系统而是一个通用的系统。

因此，我们建议的重点是由通用硬件更换可重构数据采集系统来加强虚拟仪器，通过这种方式，一些数据的处理过程可以通过减少计算机上硬件数据流和上升的最大采样率来实现。

基于可重构逻辑的虚拟仪器好处如下：

-该仪器的带宽可以提高，为在硬件上实现关键算法提供更多的时间。

-输入/输出的容量根据不同的应用可以重新配置。

在特殊情况下的FPGA器件的特点是通过大量输入/输出引脚提供的能力来观察和控制的全数字信号的虚拟仪器。

-计算机接口可根据现有的资源重新配置（即插即用外设）。

-不同的仪器可以共享软件和硬件设计模块提高了它们的可重用性。

2.虚拟仪器的组成及分类

虚拟仪器系统主要由计算机、硬件板卡、软件及附件组成。

用户可以根据要求灵活地构建自己的测试仪器。

虚拟仪器的核心是软件，它主要由硬件驱动程序、系统操作平台、应用编程软件等组成，可完成所有的测试要求。

目前开发环境主要有两类：

（1）文本语言；

（2）图形语言。

由于图形语言开发的方便性,受到了广大工程师的欢迎，一个在计算机语言方面没有很多训练的工程师，也可在短时间内掌握虚拟仪器开发的技术，并且应用到工程实践中。

虚拟仪器本质上是一个开放型的结构，由通用计算机、数字信号处理器或其它CPU来提供信号处理、存储和显示功能，由数据采集板卡、GPIB或VXI总线接口板进行信号的获取与控制，实现仪器的功能。

根据它采用总线方式的不同，可分为以下几种类型：

（1）PC总线—插卡型虚拟仪器

（2）并行口式虚拟仪器

（3）GBIB总线方式的虚拟仪器

（4）VXI总线方式虚拟仪器

（5）PXI总线方式虚拟仪器

3.可重构数据采集系统

我们建议的执行是使用FPGA设立一个可重构数据采集系统。

该系统的操作类似可重新配置的处理器的面向捕获，同时产生和分析数字信号。

这个硬件与通用的可重构虚拟仪器系统的计算机结果组合方式，最终确定用户的软件和每个特定应用所需的硬件资源。

3.1一般说明

一个数据采集系统的更重要区块如图2所示。

作为一个面向应用的系统，根据不同的应用，这些模块的大部分必须是可伸缩的（增加或减少输入/输出引脚的数量）。

例如，采集存储器的内存容量要根据仪器的要求来设定。

同时，如果该设备提供足够的资源，一些仪器可以同时工作。

在这种情况下，在图2所示的结构有些模块必须相应地成倍增加，而同时其他的模块在仪器中则可以共享。

例如，一个唯一的计算机接口模块复用的时间比一般时间为更有效，因为较少的输入/输出引脚致力于通信任务。

在计算机方面，该软件是致力于存储和数据可视化，并进行配置和对硬件的控制。

第一个任务是实施应用水平，并利用多任务操作系统的优势和先进的图形界面。

第二项任务主要实现了操作系统的扩展和在这方面他们通过硬件来紧密相连。

此外，为这些框图实现配置设备的特点（SRAM的FPGA）也进行了描述。

3.2输入/输出模块

输入/输出模块符合与现实世界的接口，输入/输出模块可重构设备必须是双向的，并且具有三态功能和更快捕获率的内部寄存器。

3.3采集控制块

数据采集通常是与一些外部或内部的事件同步的，这一任务是由采集控制模块开发。

因此，这种控制由信号的输入/输出模块和内部逻辑的进程变得非常重要。

具有低偏移和大扇出分销网络的架构是强制性的目的。

同时，一些输入和输出往往有着共同的控制信号，因此携带控制信号的一个外围总线的设备适合这种应用。

3.4定时模块

这个定时模块（振荡器，定时器和计数器）为数据采集系统提供内部控制信号，特别注意计数器的设计，以达到最大的工作频率。

3.5内存模块

内存模块作为一个采集/生成数据的临时存储区域。

这种内存块通过计算机接口孤立地转移数据采集的过程。

因此，这些存储设备实现的功能，与拥有不同时钟频率推/弹出操作双端口FIFO类似。

该内存模块可以实现如内部或外部单位的FPGA。

第一种情况较为可取，因为设计提供了最佳的性能，功耗更低，而且更不容易出错。

因此，拥有嵌入式双端口内存块的FPGA更适合这些目的。

3.6数据处理单元

数据处理单元执行的实时预处理的数据采集。

该单元实现了更加重要的算法来确定的数据吞吐量，同时其他单元可以转达对软件的控制（在电脑端）。

有详尽分析的单元，其中算法必须在硬件上实现，同时必须在软件中实现是为每一个不同的仪器。

对于逻辑分析仪为例，触发模式检测逻辑必须在硬件中实现更好性能的同时，数据格式的数据转换（装配，拆卸），可以在计算机上完成。

3.7计算机接口

对于可重构的互连数据采集卡与计算机，有两种不同的情况，一种是使用一个直接的扩展/本地总线连接，而另一种是使用串行/并行通信接口。

在第一种情况中，可以可以得到一个拥有很大数据吞吐量的仪器，但是这种接口会消耗FPGA的很多资源（逻辑和输入/输出引脚）并且限制之间联网系统的物理距离。

第二种情况中，串行/并行通信接口的限制了转移的二进制率，但消耗更少的逻辑和输入/输出资源，并允许了设备之间的物理隔离。

这最后一个特点对于便携式仪器的实现来说是非常重要的，并隔离了采集硬件和嘈杂的环境通用计算机。

通过这个原因，开发的系统实际上是实现了标准的IEEE-488（ECP模式）作为与计算机的通信接口。

4.结论

几个采用赛灵思（XC400E）和Altera（FLEX10K）的原型版开发了一个虚拟逻辑（国家和时间）分析仪的实现。

一个超过五年的性能表现得到了使用了商业数据采集卡虚拟仪器的实现。

1、虚拟仪器的产生背景

当今我们处于一个正在高度发展的信息社会，要求在有限的时空上实现大量信息的交换，必然带来信息密度的急剧增大，要求电子系统对于信息的处理速度越来越高，功能越来越强，这使得系统结构日趋复杂。

一方面电子技术及市场的发展从客观上要求测试仪器向自动化及柔性化的方向发展，另一方面，电子技术及市场的发展也给虚拟仪器的产生提供了可能。

在这种形式下，基于微计算机的虚拟仪器逐步变得现实，它的出现和广泛使用为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性。

2虚拟仪器的概念

虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）的概念是由美国国家仪器公司（NI）在20世纪80年代最早提出的。

虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

其核心的思想是利用计算机的强大资源使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，增强系统功能与灵活性。

虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测试系统到以软件为中心的测试系统的根本性转变。

虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。

虚拟仪器具有性能高、扩展性强、开发时间短、无缝集成等优势。

3.图形化虚拟仪器开发平台—LABVIEW简介及其优势

LABVIEW是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench（实验室虚拟仪器集成开发环境）的简称，是由美国国家仪器公司（Nationalinstruments,IN）创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析应用开发工具。

Labview一种图形化的编程语言，主要用来开发数据采集，仪器控制及数据处理分析等软件，功能强大。

目前，该开发软件在国际测试、测控行业比较流行，在国内的测控领域也得到广泛应用。

函数信号发生器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。

LABVIEW软件开发平台具有以下优点:

1、图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。

2、提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。

3、既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。

4、32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。

5、囊括了DAQ,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。

6、提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLL（动态连接库）、DDE（共享库）、ActiveX等。

7、强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。

图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。

随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势。

4.虚拟仪器的发展方向

虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活，它已广泛应用于电子测量、声学分析、故障诊断、航天航空、机械工程、建筑工程、铁路交通、生物医疗、教学及科研等诸多方面。

随着计算机软硬件技术、通信技术及网络技术的发展，给虚拟仪器的发展提供了广阔的天地，国内外仪器界正看中这个大市场。

测控仪器将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展。

开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。

虚拟仪器作为教学的新手段，已慢慢地走进了电子技术的课堂和实验室，正逐渐改变着电子技术教学的传统模式，这也是现代教育技术发展的必然。

在电工电子实验室的建设中，实验室常规设备有的已经老化，有的技术上有些落后，在当前学校经费较少的情况下，如果配置常规仪器、仪表，学校财力难以支付，也不符合目前学校的实际。

而且，随着测试仪器的数字化、计算机化的发展趋势，传统测试仪器渐渐有被取代的趋势。

如果运用虚拟仪器技术，以微机为基础，构建集成化测试平台，代替常规仪器、仪表，不但满足电工电子实验教学的需要，而且将这批微机可作为其他有关计算机课程教学用机，大大提高了设备利用率，降低了实验室建设的成本。

当前应该解决的是如何使虚拟仪器和现有仪器配合，挖掘现有仪器的潜力，达到逐步淘汰和取代传统仪器的目的。

总之，虚拟仪器有很广阔的发展空间，并最终要取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心。

5.信号发生器概述

信号发生器（signalgenerator）又称信号源或振荡器，是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号，常用作测试的信号源或激励源的设备。

在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。

传统的信号发生器其功能完全靠硬件实现，功能单一而且用户的购置、维护费用高。

更重要的是，对于传统的信号发生器，其功能一旦确定便不能更改，用户要想使用新的功能则必须重新购买新的仪器，传统信号发生器的不足是显而易见的。

虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。

本文摘译自：

ComputingParadigm.ISBN:

3-540-64948-4

二、英语原文

VirtualInstrumentsBasedonReconfigurableLogic

Abstract.Avirtualinstrumentresultsfromthecombinationofageneralpurposecomputerwithagenericdataacquisitionsysteminordertoemulateatraditionalmeasurementinstrument.Thedataacquisitionhardwareofthevirtualinstrumentsprovidescomputerswithinput/outputcapabilityandisusuallybasedontheintegrationofstandardcircuitswithfixedarchitecture.Meanwhilethesoftwaredefinestheanalysisandprocessingoftheacquireddatathatisthefunctionofthegeneratedvirtualinstrument.Asaconsequence,thevirtualinstrumentsarecharacterizedbytheirversatilityandlowcostbuttheylackofperformanceoftheapplicationorientedhardwarearchitectures.Inthispaper,wepresentavirtualinstrumentsystembasedonreconfigurablehardwarethatimprovesthefeaturesofvirtualinstrumentspreservingtheirversatilityandlowcost.

1.Introduction

Theemergenceofvirtualinstrumentationisarevolutioninthehistoryofthedevelopmentofmeasuringinstruments.Itfullyutilizesthelatestcomputertechnologytoimplementandextendtheinstrumentfunction.Usingtheimageofacomputerscreencanbeeasilysimulateavarietyofequipmentcontrolpanelstotheneedsexpressedintheformoftheoutputoftestresults.Usingcomputersoftwaretoachievemostofthesignaloftheanalysisandprocessingtocompleteavarietyofcontrolandtestfunction.Theuserthroughtheapplicationofgeneral-purposecomputerprogrammodulesandfeaturesofthehardwaretogether.Throughfriendlygraphicalinterfacetooperatethiscomputer.Asinoperatingtheirowndefinitionofindividualinstrumentsoftheirowndesigncanbemeasuredtocompletetheacquisition,analysis,determine,control,display,datastorageandsoon.

VirtualInstrumentsadvantagesofmoretraditionalinstruments:

（1）Astrongintegrationofcomputerhardwareresources.Breakingthetraditionalinstrumentsindataprocessing,display,storageandotherlimitations,andgreatlyenhancedthecapabilitiesoftraditionalinstruments.

（2）Theuseofcomputersoftwareresourcestoachievesomepartofthesoftwareofinstrumenthardware,savingmaterialresources,increasesystemflexibility.Throughsoftwaretechnologyandthecorrespondingnumericalalgorithm.Directlyonthetestdataforvariousanalysisandprocessingintime.Throughthegraphicaluserinterfacetechnology,trulyuser-friendly,human-computerinteraction.

（3）Hardwareandsoftwareofvirtualinstrumentisanopen,modular,reusableandinterchangeabilitycharacteristics.Therefore,theusercanaccordingtotheirownneedsandusedifferentmanufacturersproducts.Thedevelopmentoftheinstrumentsystemismoreflexible,efficientandshortentheformationtimeofthesystem

Thetraditionalinstrumentsareapplicationspecificsystemsbasedonfixedhardwareandsoftwareresourcessotheirfunctionandapplicationsaredefinedbythemanufacturer.Theseinstrumentsarecomplexsystemsandthereforetheybecomeexpensiveanddifficulttomanage.

Thewidespreadusageofpersonalcomputersinmanyscientificandtechnologicalfieldsmakethemanidealhardwareandsoftwareplatformfortheimplementationofmeasurementinstruments.Byaddingasimpledataacquisitionsystem,apersonalcomputercanemulateanyinstrument.Theinstrumentsgeneratedinthiswayarecalledvirtualinstrumentsbecausetheydonothaveexclusiveaccesstohardwareandsoftwareresources.Differentinstrumentscanbeimplementedoverthesamehardwarebyonlyreprogrammingthesoftware.Thevirtualinstrumentsofferplentyofadvantagesthemostimportantofwhichisthelowcostduetothereusabilityofhardwareandsoftwareresources.Theabovecharacteristicsandthecontinuousevolutionandcheapeningofthepersonalcomputersmakethevirtualinstrumentsavaluablealternativetotraditi