（環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)論文）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域測(cè)量、測(cè)試儀器虛擬化對(duì)策研究.pdf

中文摘要 摘要 虛擬儀器技術(shù)是2 0 世紀(jì)8 0 年代發(fā)展起來(lái)的一種新興的測(cè)試技術(shù)，它是虛擬 技術(shù)在儀器、儀表領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用。它利用計(jì)算機(jī)的硬件資源和專(zhuān)有軟件的 功能，形成了一臺(tái)具有專(zhuān)業(yè)用途的智能測(cè)試儀器。它的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一 場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，是信息技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域，對(duì)科 學(xué)技術(shù)發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響。 本文將農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的測(cè)量、測(cè)試儀器與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)臺(tái)，通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng) 調(diào)研、走訪及文獻(xiàn)資料收集，與具體儀器使用人員的密切溝通，對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域常用 的測(cè)量、測(cè)試儀器的功能、價(jià)格、使用狀態(tài)做了深入了解。并結(jié)合虛擬儀器技術(shù) 分別對(duì)高效液相離子色譜儀、濕度測(cè)試儀、原子吸收分光光度計(jì)、傅立葉變換紅 外光譜儀的工作原理、硬件構(gòu)成、軟件功能等做了深入研究，然后主要從軟件功 能上提出了一些切實(shí)可行的虛擬化對(duì)策及建議。 本文對(duì)以上農(nóng)業(yè)領(lǐng)域常用的測(cè)量、測(cè)試儀器提出的虛擬化對(duì)策不僅包括儀器 本身應(yīng)具備的傳統(tǒng)功能，還包括一些諸如現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和數(shù) 據(jù)分析及處理的最新的技術(shù)，例如：數(shù)據(jù)庫(kù)檢索，軟件報(bào)警，軟件濾波、數(shù)據(jù)統(tǒng) 計(jì)及分布計(jì)算，智能提示與幫助，圖譜的人工編輯，與其它軟件的接口連接，強(qiáng) 大的數(shù)值計(jì)算與分析功能( 例如計(jì)算峰高、峰面積積分、半峰寬、一至四階微分 運(yùn)算和吸光度與透射比的轉(zhuǎn)換) ，譜圖的細(xì)化、平滑化處理，光標(biāo)取值，測(cè)試數(shù)據(jù) 的存儲(chǔ)、調(diào)用和回放，對(duì)測(cè)試結(jié)果自動(dòng)生成報(bào)告等等。 通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域典型測(cè)量、測(cè)試儀器的虛擬化的對(duì)策研究，為今后進(jìn)一步虛 擬化的具體實(shí)施提供了有力的支持。 關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)，測(cè)試， 虛擬化，對(duì)策研究 英文摘要 _-_-_-_-_-_-_-，-_一 v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi san e wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p e di n 1 9 8 0 s ，a n di ti st h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fv i r t u a lt e c h n o l o g ya p p l y i n gi nt h ef i e l do f i n s t r u m e n t u s i n gt h eh a r d w a r ea n dt h ef u n c t i o n so ft h es o f t w a r eo fc o m p u t e r , v i r t u a l i n s t r u m e n tc o m e si n t ob e i n ga ni n t e l l i g e n tt e s ti n s t r u m e n tw i t hs p e c i a l t yf u n c t i o n t h e a p p e a r a n c eo fv i r t u a li n s t r u m e n ti sb o t har e v o l u t i o ni nt h eh i s t o r yo fi n s t r u m e n t d e v e l o p m e n t ，a n di st h er e p r e s e n t a t i o no ft h em o s ta d v a n c e dd e v e l o p i n gt e c h n i q u ea n d t r e n d yo fi n s t r u m e n td e v e l o p m e n t v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi so n eo ft h ei m p o r t a n t f i e l d so fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a n di tw i l le x e r ta ni n v a l u a b l ei n f l u e n c eo nb o t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dt h ep r o d u c t i o no fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e i n t h i sp a p e r , t h ea u t h o rc o m b i n e st h em e a s u r e m e n ta n dt e s ti n s t r u m e n to fa g r i c u l t u r ef i e l d w i t hv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , c o l l e c t sa b u n d a n ta r t i c l e sa n di n f o r m a t i o n ，c o m m u n i c a t e sn e a r l y w i t ht h ei n s t r u m e n t su s e r s ，a n df i n d so u tt h ei n f o r m a t i o na b o u tt h ef u n c t i o n s ，p r i c e sa n ds t a t e so ft h e i n s t r u m e n t si nc m n n l o f lu s e t h r o u g hu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rr e s e a r c hd e e p l y i n t ot h ew o r kt h e o r y , h a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ef u n c t i o n o fh p i c ，h u m i d i t yt e s t e r , a t o m i c a b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e t e r , f fi n f r a r e ds p e c t r o m o n i t o r , t h e ns o m ed o a b l et e c h n i q u eo fv i r t u a l i z e d c o u n t e l l l l e a g u r ea n da d v i c ea r ep u tf o r w a r d t h ev i r t u l i z e dc o u n t e r m e a s u r eo ft h em e a s u r e m e n ta n dt e s ti n s t r u m e n ti n c l u d en o t o n l yt h et r a d i t i o n a l f u n c t i o n sb u ta l s ot h em o d e mc o m p u t e rs o f t w a r et e c h n o l o g y , d a t a b a s et e c h n o l o g y , d a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g , s u c ha sd a t a b a s es e a r c h e s ，s o f t w a r e w a r n i n g ，s o f t w a r ef i l t e r i n g ，d a t a s t a t i s t i ca n dd i s t r i b u t i o nc o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e p r o m p t i n ga n dh e l p i n g ，s p e c t r o g r a m - e d i t i n g ，t h ei n t e r f a c ew i t ho t h e rs o f t w a r e ，p o w e r f u ld a t a c o m p u t ea n da n a l y s i sf u n c t i o n ( s u c ha st h en u m e r a t i o no fp e a k - h e i g h t ，p e a k - a r e aa n dh a l fp e a k - s p a n ， d i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n t ，a n dt r a n s f o r mo fa b s o r b e n c yw i t ht r a n s m i s s i o n ) s p e c t r o g r a m - z o o m ， s p e c t r o g r a m - s m o n t k i n g , d a t aa c q u i s i t i o nw i t hc u i s o r , s t o _ r a g e ，c a r i n ga n dr e c a l l i n go ft h et e s td a t a ， a u t o - r e p o r t i n gt h et e s tr e s u l t t h i sr e s e a r c ho fc o u n t e r m e a s u r ea b o u tm e a s u r e m e n ta n dt e s ti n s t r u m e n ti nt h e a g r i c u l t u r ef i e l dp r o v i d et h ep o w e r f u ls u p p o a f o rt h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no fv i r t u l i z e dw o r k i n g k e yw o r d ：a g r i c u l t u r e ，m e a s u r e m e n t ，c o u n t e r m e a s u r er e s e a r c h i i i 1 緒論 1 緒論 1 1 課題來(lái)源 本課題是重慶市科委軟科學(xué)資助項(xiàng)目的子項(xiàng)目，項(xiàng)目題目為“典型行業(yè)測(cè)試、 測(cè)量?jī)x器群實(shí)現(xiàn)虛擬( 軟件) 化的對(duì)策研究”，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：8 1 9 7 。 1 2 虛擬儀器技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀”伽叫伯蚓 儀器儀表是人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的信息進(jìn)行測(cè)量、控制及有效利用的基本手段和 設(shè)備，是信息產(chǎn)業(yè)的源頭和重要組成部分。儀器儀表的發(fā)展水平是國(guó)家科技水平 和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志之一。二十世紀(jì)八十年代，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的 發(fā)展。在測(cè)試儀器領(lǐng)域產(chǎn)生了一種新的，具有深遠(yuǎn)意義的儀器虛擬儀器，并 在此基礎(chǔ)上形成了虛擬技術(shù)。虛擬儀器的出現(xiàn)在整個(gè)測(cè)試儀器領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)新 的革命，它以其獨(dú)特的性能正逐步替代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器。 而將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)又是一次非常有益的嘗試。我國(guó)農(nóng)業(yè)人口比例 大，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力過(guò)剩，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)效益比不高，尤其是加w t o 之后，我國(guó)農(nóng)業(yè)面臨 國(guó)外優(yōu)質(zhì)廉價(jià)農(nóng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。而解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于充分利用好測(cè)量、測(cè)試 儀器，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，走高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效之路。 近年來(lái)，虛擬儀器技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程中。 美國(guó)g e o m a t i c s 公司于1 9 9 6 年采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn) 灌溉強(qiáng)度、灌溉時(shí)間及灌溉方式的自動(dòng)控制。水箱水位、水泵與閥門(mén)狀態(tài)、溫度、 土壤濕度及財(cái)產(chǎn)安全報(bào)警等這些數(shù)據(jù)均以簡(jiǎn)單的圖形方式顯示于屏幕上。例如， 當(dāng)顯示器屏幕上的指示燈由綠變紅時(shí)，說(shuō)明灌溉過(guò)程需要注意。這時(shí)，用戶(hù)只需 按下屏幕左方的按鈕，就可以通過(guò)系統(tǒng)彈出的監(jiān)視與控制面板調(diào)查原因。每月的 土壤濕度和用水情況可由圖形表達(dá)，系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)視降阿情況，以便將額外降水計(jì) 入灌溉程序。不同時(shí)期的灌溉用水量、灌溉方式、水箱水位和降雨量等都存入數(shù) 據(jù)庫(kù)，并以圖形方式顯示出來(lái)，供用戶(hù)與本月信息進(jìn)行對(duì)比，每同( 降雨時(shí)每小時(shí)) 生成一份灌溉報(bào)告。該系統(tǒng)不僅可以監(jiān)視、控制灌溉方式、還能夠記錄不同灌溉 方式的經(jīng)濟(jì)性，可有效地降低成本。 密執(zhí)安工業(yè)大學(xué)于1 9 9 6 年開(kāi)發(fā)了柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng) 運(yùn)行于w i n d o w s 操作系統(tǒng)上，可以獲得柴油機(jī)排放的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 美國(guó)g o l d s m i t h 種子公司于1 9 9 7 年利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具和計(jì)算機(jī)視覺(jué)軟 件，在m i c r o s o f tw i n d o w s 系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)化秧苗分析系統(tǒng)( c a s a ) ，用 于監(jiān)視秧苗質(zhì)量和預(yù)測(cè)在最后發(fā)芽期限發(fā)芽良好的秧苗數(shù)量。用虛擬儀器系統(tǒng)可 重慶大學(xué)碩十學(xué)位論文 以隨時(shí)采集和記錄從傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)之進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、數(shù)字濾波、頻域分析 等處理，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。虛擬儀器的靈活性使得數(shù)據(jù)采集軟件和控制軟件的 擴(kuò)展變得容易起來(lái)，從而使系統(tǒng)的功能不斷擴(kuò)展。 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，j f ：發(fā)了用于精密播種機(jī)性 能檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)常規(guī)臺(tái)架試驗(yàn)中的所有項(xiàng)目，獲得 所需的各類(lèi)結(jié)果。如理論調(diào)整粒距、合格粒距平均值、種子外形尺寸、合格粒距 中均值、落種性能( 合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)) 、播種精度變異系數(shù)、種子落 地速度等。并做到操作界面可視化，并通過(guò)建立d d e 將測(cè)試結(jié)果直接傳至e x c e l 及自動(dòng)打印試驗(yàn)報(bào)告。 1 9 9 8 年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院利用面向?qū)ο蟮奶摂M儀器丌發(fā)工具 l a b w i n d o w s c v i 和計(jì)算機(jī)視覺(jué)軟件，開(kāi)發(fā)了蘋(píng)果自動(dòng)分選系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí) 圖象采集與分析，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制不同等級(jí)電磁閥門(mén)的丌閉，完成蘋(píng)果等級(jí)分 選。該系統(tǒng)由p cp c n t i u m i i 2 3 3 m h z 計(jì)算機(jī)、i m a q p c t 一1 4 0 8 圖像采集卡、 p c 一1 r i o 一1 0 定時(shí)i o 板、光電傳感器、c c d 攝像頭、電磁閥等組成，應(yīng)用軟件 采用l a b w i n d o w s c v l 開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)用戶(hù)界面分為控制面板和圖像采集窗口兩部分。 通過(guò)控制面板，用戶(hù)可控制系統(tǒng)的運(yùn)行及獲得評(píng)判結(jié)果。圖像采集窗口則顯示位 f 傳送帶上相應(yīng)的蘋(píng)果圖像。系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)i m a o v i s i o n 的圖像分析處理函數(shù)，對(duì)蘋(píng)果品質(zhì)進(jìn)行分析，最后得出蘋(píng)果等級(jí)的鑒定結(jié)果， 同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的電磁閥。 由中國(guó)農(nóng)機(jī)研究院和北京海淀土壤分析儀器廠共同研制的多功能土壤分析 儀，具有光電比色、電極電位、電導(dǎo)和定量容積四種分折功能，可快速測(cè)出土壤 中速效氮、磷、鉀、酸堿度、全鹽量和水分等，待測(cè)樣品經(jīng)消煮后還可測(cè)全氮、 全磷、全鉀及有機(jī)質(zhì)等。其測(cè)試結(jié)果采用數(shù)字顯示、直觀易讀、測(cè)試精度達(dá)國(guó)內(nèi) 先進(jìn)水平。 虛擬儀器技術(shù)還廣泛應(yīng)用于農(nóng)機(jī)測(cè)量中。 農(nóng)機(jī)測(cè)試一般可分為室內(nèi)測(cè)試和田間測(cè)試。室內(nèi)測(cè)試相對(duì)于陽(yáng)間測(cè)試來(lái)說(shuō)有 定的局限性，因?yàn)槭覂?nèi)測(cè)試忽略了許多隨機(jī)影響因素。但是，無(wú)論是室內(nèi)測(cè)試 還是田間測(cè)試，對(duì)各個(gè)測(cè)試指標(biāo)都不可能單一地去考慮。在分析各個(gè)測(cè)試指標(biāo)的 l 司時(shí)，還要考慮各個(gè)指標(biāo)問(wèn)的交互作用，對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。這些都決定 r 農(nóng)機(jī)測(cè)試具有多因素、動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性等特點(diǎn)。因此，采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器來(lái) 畢獨(dú)鋇4 量各個(gè)指標(biāo)，然后再進(jìn)行手工或其它方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，顯然是比較 費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，并且誤差很大：而采用虛擬儀器技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的各個(gè)指標(biāo)同時(shí) 進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)分析，有利于節(jié)省不必要的浪費(fèi)，更有利于提 商測(cè)試水平，得出比較精確的結(jié)論，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更可靠的依據(jù)。中國(guó) 1 緒論 農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的精播機(jī)虛擬儀器檢測(cè)系統(tǒng)就是虛擬儀器在農(nóng)機(jī)測(cè)試中應(yīng)用的實(shí) 例。在此基礎(chǔ)上，還可以考慮去實(shí)現(xiàn)精播機(jī)其它參數(shù)的測(cè)量。特別是可以用基于 虛擬儀器技術(shù)的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)捕捉和檢測(cè)種子的運(yùn)動(dòng)軌跡，確定種子的運(yùn)動(dòng)速度和 運(yùn)動(dòng)方程等，為改進(jìn)和設(shè)計(jì)更合理的精播機(jī)結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。同樣，還可以考慮虛 擬儀器在其它農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用。比如，在收獲機(jī)械中，用于檢測(cè)撥禾輪的轉(zhuǎn)速、 割刀速度和前進(jìn)速度，并分析它們之陽(yáng)j 的關(guān)系：用于旋耕機(jī)刀片的受力分析，檢 測(cè)其轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度是否滿(mǎn)足要求；在植保機(jī)械中，檢測(cè)霧滴的穿透、分布、反 彈及植物莖葉的運(yùn)動(dòng)等。及合理配備生產(chǎn)要素，獲取高產(chǎn)和高效益；同時(shí)又有效 地保護(hù)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)自然資源，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平， 加快我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的步伐。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)( 又稱(chēng)工廠農(nóng)業(yè)) 己成為一種農(nóng)業(yè)新興 產(chǎn)業(yè)。設(shè)施農(nóng)業(yè)是借助溫室及其配套裝置來(lái)調(diào)節(jié)和控制作物生產(chǎn)環(huán)境條件的新農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)方式，是農(nóng)業(yè)擺脫自然制約的有效手段，是對(duì)常規(guī)農(nóng)業(yè)的革命性發(fā)展，是 高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)和技術(shù)密集型的農(nóng)業(yè)。我國(guó)近年來(lái)，塑料大棚和日光溫室為主 體的設(shè)施農(nóng)業(yè)正迅速發(fā)展，但與國(guó)外相比，普遍存在科技含量低，勞動(dòng)強(qiáng)度大， 生產(chǎn)水平和效益低下。因此，迫切需要技術(shù)改進(jìn)，以提高我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的整體水 平。 要實(shí)現(xiàn)高水平的設(shè)施農(nóng)業(yè)，信息的獲取、分析手段是所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)之 一。因此，開(kāi)發(fā)性能價(jià)格比高的設(shè)施農(nóng)業(yè)用虛擬測(cè)試儀器是當(dāng)務(wù)之急。而一般情 況下，所涉及到的具體測(cè)量對(duì)象是： 溫度和濕度：作物生長(zhǎng)與溫度和濕度有密切關(guān)系，塑料大棚的控制參數(shù)中， 溫度與濕度檢測(cè)、控制是主要參數(shù)之一。 土壤養(yǎng)分：土壤養(yǎng)分依賴(lài)于施肥，合理施肥不僅可以提高作物產(chǎn)量，而且 可以避免過(guò)施肥而造成不必要的損失。土壤養(yǎng)分的測(cè)定包括土壤有機(jī)質(zhì)、p h 值、 氮、磷、鉀以及交換性鈣和鎂的檢測(cè)。 c o ，：農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育離不開(kāi)光合作用，而光合作用又與c o ，有關(guān)，所以 控制c o ，的濃度，有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育。 光照度：設(shè)施農(nóng)業(yè)中，采用栽培管理自動(dòng)化系統(tǒng)其光源完全是人工光，而 不是太陽(yáng)光，采用光測(cè)試分析器柬檢測(cè)和控制光照強(qiáng)度，使作物可以得到均勻一 致光照。 土壤干燥度：作物生長(zhǎng)需要水分，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中如何灌水，做到既不影q 自 作物生長(zhǎng)又不浪費(fèi)水資源是至關(guān)重要的問(wèn)題。 針對(duì)以上的具體測(cè)量對(duì)象，應(yīng)開(kāi)發(fā)一批在價(jià)格上適合中國(guó)國(guó)情，在功能上具 有較高實(shí)用價(jià)值的農(nóng)業(yè)測(cè)量、測(cè)試儀器。這些測(cè)試儀器應(yīng)充分利用近年來(lái)涌現(xiàn)出 重慶大學(xué)碩上學(xué)位論文 的新的測(cè)量、測(cè)試技術(shù)例如虛擬儀器技術(shù)，來(lái)方便農(nóng)業(yè)科研及生產(chǎn)人員使用 以提高我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。 1 3 本課題的研究意義 在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)分析中廣泛應(yīng)用的液相色譜儀、紅外光譜計(jì)、原子吸收分光光 度計(jì)、氨基酸分析儀等諸多的分析測(cè)試儀器，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著不可估量的 作用。本課題就是將虛擬儀器技術(shù)分別與液相色譜儀、傅立葉變換紅外分光光度 計(jì)、原子吸收分光光度計(jì)、濕度測(cè)試儀等儀器相結(jié)合，對(duì)這些儀器的測(cè)試功能、 測(cè)試手段進(jìn)行虛擬化對(duì)策研究，提出切實(shí)可行的虛擬化對(duì)策，為這些儀器成為真 i f 的虛擬化測(cè)試儀器打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的虛擬測(cè)試儀器的出現(xiàn)將為該領(lǐng) 域測(cè)量、測(cè)試儀器群注入新的生命力。 4 2 虛擬儀器技術(shù) 2 虛擬儀器技術(shù) 2 1 虛擬儀器的概念臥【3 】 虛擬儀器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，簡(jiǎn)稱(chēng)v i ) 是虛擬技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域中的一個(gè)重 要應(yīng)用，它是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件、軟件和總線技術(shù)在向其他技術(shù)領(lǐng)域密集滲 透的過(guò)程中，與測(cè)試技術(shù)、儀器技術(shù)密切結(jié)合，共同孕育出的一項(xiàng)新成果。1 9 8 6 年美國(guó)的國(guó)家儀器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，簡(jiǎn)稱(chēng)n i ) 首先提出了虛 擬儀器的概念，認(rèn)為虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù) 分析、過(guò)程通訊及圖形用戶(hù)界面的軟件組成的測(cè)試系統(tǒng)，是一種由計(jì)算機(jī)操縱的 模塊化儀器系統(tǒng)。如果需要作進(jìn)一步說(shuō)明，則虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一 的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及文件管 理等智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算 機(jī)結(jié)合起來(lái)融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相 同，同時(shí)又充分享用計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。由于儀器的專(zhuān)業(yè)化功能 和面板控件都是由軟件形成，因此國(guó)際k 把這類(lèi)新型的儀器稱(chēng)為“虛擬儀器”或 稱(chēng)“軟件即儀器”。 各種功能強(qiáng)大、越來(lái)越來(lái)復(fù)雜的虛擬儀器不斷涌現(xiàn)，促使虛擬儀器得到了高速 發(fā)展。作為共性，虛擬儀器的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為： 硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化； 硬件軟件化； 軟件模塊化； 模塊控件化； 系統(tǒng)集成化； 程序設(shè)計(jì)圖形化； 計(jì)算可視化； 硬件接口軟件驅(qū)動(dòng)化。 以p c 機(jī)為儀器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，將測(cè)試儀器的功能和形象逼真的儀器面板控 件均形成相應(yīng)的軟件并以文件形式存放于機(jī)內(nèi)的軟件庫(kù)中，同時(shí)在計(jì)算機(jī)的總線 槽內(nèi)插入對(duì)應(yīng)的、可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的模塊化硬件接口卡，若使庫(kù)內(nèi)儀器測(cè)試功能、 儀器控件的軟件和由接口卡輸入至機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理器的統(tǒng)一指揮 和協(xié)調(diào)下運(yùn)行，便構(gòu)成了類(lèi)全新概念的儀器虛擬式儀器。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 虛擬儀器的產(chǎn)生和現(xiàn)狀【4 h “ 測(cè)量?jī)x器發(fā)展至今，大體可分為四代：第一代為模擬式儀器儀表，如指針式電 流、電壓表、萬(wàn)用表、模擬式信號(hào)產(chǎn)生器等，它們對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行指示的基本結(jié) 構(gòu)式電磁機(jī)械式結(jié)構(gòu)，一般是借助指針來(lái)指示最終結(jié)果；第二代為數(shù)字化儀器， 這類(lèi)儀器目前仍用得普遍，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)、數(shù)顯表、記憶示波器等， 這類(lèi)儀器的特點(diǎn)是將模擬信號(hào)的測(cè)量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的測(cè)量，并以數(shù)字方式輸出 和顯示最終結(jié)果，這類(lèi)儀器適用于快速響應(yīng)和準(zhǔn)確度要求較高的測(cè)量領(lǐng)域；第三 代儀器為智能儀器，在這類(lèi)儀器內(nèi)置有微處理器，因此它能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試又具有 定的數(shù)據(jù)處理功能，可取代部分腦力勞動(dòng)，因此稱(chēng)為智能儀器，它的功能模塊 主要是硬件或固化的軟件，這樣對(duì)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用仍缺乏靈活性；第四代儀器為虛擬 儀器，它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它幾乎克 服了傳統(tǒng)硬件化儀器的主要缺點(diǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是儀器發(fā) 展的方向。 自2 0 世紀(jì)8 0 年代以來(lái)，美國(guó)n i 研制和推出了多種總線系統(tǒng)的虛擬式儀器。 它推出的l a b v i e w 圖形編程系統(tǒng)己被廣泛使用。在n i 之后，美國(guó)惠普( h p ) 公 司緊緊跟上，推出了h p v e e 編程系統(tǒng)，用戶(hù)可用它組建或挑選自己所需的儀器。 除此之外，世界上陸續(xù)有數(shù)百家公司，如t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等也相繼推出 了多種總線系統(tǒng)和虛擬式儀器。作為儀器領(lǐng)域中的新興技術(shù)，虛擬式儀器的研究、 丌發(fā)在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)了起步階段。從2 0 世紀(jì)9 0 年代中期以來(lái)，國(guó)內(nèi)的一批高校和 科技公司在研究和開(kāi)發(fā)虛擬儀器產(chǎn)品和虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)以及引進(jìn)消化外國(guó)產(chǎn)品 等方面做了一系列有益工作。例如重慶大學(xué)，在自行研制的“框架協(xié)議”開(kāi)發(fā)系 統(tǒng)中成功開(kāi)發(fā)了1 5 類(lèi)3 0 余種直接的虛擬儀器，并已在國(guó)內(nèi)推廣了1 0 0 0 臺(tái)以上， 取得了一批矚目的成果。相信在不久的將來(lái)，國(guó)內(nèi)將會(huì)推出種類(lèi)更多、性能更優(yōu)、 功能更強(qiáng)的并具有自主版權(quán)的虛擬儀器產(chǎn)品。 虛擬儀器依靠其自身的優(yōu)勢(shì)使它在儀器市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)，世界上許多 大的儀器公司均在虛擬儀器市場(chǎng)上占有一席之地。1 9 8 8 年，國(guó)際上開(kāi)始有虛擬儀 器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)只有5 家制造商推出的3 0 種產(chǎn)品。此后，虛擬儀器產(chǎn)品每年成 倍增加，到1 9 9 4 年底，虛擬儀器制造廠已達(dá)9 5 家共生產(chǎn)1 0 0 0 多種虛擬儀器產(chǎn)品， 銷(xiāo)售額達(dá)2 9 3 億美元，占整個(gè)世界儀器銷(xiāo)售總額7 3 億美元中的約4 。當(dāng)前，我 幽i f j 處于科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，對(duì)儀器設(shè)備的需求將更加強(qiáng)勁。虛擬儀器 賴(lài)以生存的p c 近幾年正以迅猛的勢(shì)頭席卷全國(guó)，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基 礎(chǔ)因而虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場(chǎng)容量將會(huì)越來(lái)越巨大。掘統(tǒng)計(jì)， 1 9 9 5 年我國(guó)進(jìn)口電子測(cè)量?jī)x器7 3 5 萬(wàn)臺(tái)，價(jià)值3 2 億美元。據(jù)“國(guó)際自動(dòng)化儀表， 雜志1 9 9 9 年的預(yù)測(cè)，到2 1 世紀(jì)前1 0 年，全世界將有5 0 的儀器儀表為虛擬儀器， 6 2 虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過(guò)千家，品種將達(dá)到數(shù)千種，市場(chǎng)占有率將達(dá)到電測(cè)儀 器的5 0 ! 這一預(yù)測(cè)對(duì)整個(gè)儀器儀表領(lǐng)域，不啻是一次強(qiáng)烈的震撼! 使從事電測(cè) 電控儀器、分析儀器科學(xué)技術(shù)研究與丌發(fā)的科學(xué)家和工程師們都看清了虛擬儀器 對(duì)傳統(tǒng)儀器對(duì)傳統(tǒng)儀器的巨大挑戰(zhàn)，認(rèn)識(shí)到2 1 世紀(jì)虛擬儀器不僅勿庸置疑將成為 儀器發(fā)展方向，而且必將在許多品種和領(lǐng)域內(nèi)逐步取代傳統(tǒng)硬件化儀器，使成千 上萬(wàn)種傳統(tǒng)儀器演變成計(jì)算機(jī)軟件，成為一系列文件融入計(jì)算機(jī)中1 2 3 虛擬儀器的特點(diǎn)9 】 與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器有許多優(yōu)勢(shì)，如表2 1 所示。 表2 1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 傳統(tǒng)儀器虛擬儀器 與其他儀器設(shè)備的連接十分有限可方便地與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)、麻用等連接 功能由儀器廠商定義功能由用戶(hù)自己定義 圖形界面小人工讀數(shù)。信息量小圖形界面計(jì)算機(jī)讀數(shù)，分析處理 數(shù)據(jù)無(wú)法編輯 數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印 硬件是關(guān)鍵部分 軟件是關(guān)鍵部分 價(jià)格昂貴價(jià)格低廉 系統(tǒng)封閉，功能固定，擴(kuò)展性低基于計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)放的功能，模塊可構(gòu)成多 種儀器 開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高基于軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，人人節(jié)省開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi) 用 技術(shù)更新慢技術(shù)更新快 多為實(shí)驗(yàn)室所擁有 個(gè)人可擁有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室 功能單一，操作不便 自動(dòng)、智能化，可遠(yuǎn)距離傳輸 現(xiàn)代化生產(chǎn)要求電子儀器品種、功能強(qiáng)、精度高、自動(dòng)化程度高，而且要求測(cè) 試速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好的人機(jī)界面。虛擬儀器正可以實(shí)現(xiàn)這些要求。與 傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有以下優(yōu)點(diǎn)： 融合計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等 方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。高性能處理器、高分辨率顯示器、大 容量硬盤(pán)等已成為虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置。 利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，一方面，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化節(jié) 7 2 虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過(guò)千家，品種將達(dá)到數(shù)千種，市場(chǎng)r 有率將達(dá)到電例儀 器的5 0 l 這一預(yù)測(cè)對(duì)整個(gè)儀器儀表領(lǐng)域，不啻是一次強(qiáng)烈的震撼! 便從事電測(cè) r 乜控儀器、分析儀器科學(xué)技術(shù)研究與丌發(fā)的科學(xué)家和工程師們都看清了虛擬儀器 對(duì)傳統(tǒng)儀器對(duì)傳統(tǒng)儀器的巨大挑戰(zhàn)，認(rèn)識(shí)到2 1 世紀(jì)虛擬儀器不僅勿庸置疑將成為 儀器發(fā)展方向，而且必將在許多品種和領(lǐng)域內(nèi)逐步取代傳統(tǒng)硬件化儀器，使成千 上萬(wàn)種傳統(tǒng)儀器演變成計(jì)算機(jī)軟件，成為一“系列文件融入計(jì)算機(jī)中1 2 3 虛擬儀器的特點(diǎn)嘲 與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器有許多優(yōu)勢(shì)，如表2 1 所示。 表2 1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 傳統(tǒng)儀器虛擬儀器 與其他儀器設(shè)備的連接十分有限可方便地與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)，麻埔等連接 功能由儀器廠商定義功能由用戶(hù)自己定義 圖形界面小，人工讀數(shù)，信息量小牌形界面，計(jì)算機(jī)讀數(shù)，分析處理 數(shù)據(jù)無(wú)法編輯數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印 硬件是關(guān)鍵部分軟件是關(guān)鍵部分 價(jià)格昂貴價(jià)格低廉 系統(tǒng)封閉，功能固定，擴(kuò)展性低 基丁計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)放的功能，模塊可構(gòu)成多 種儀器 開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高基于軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)人人節(jié)省開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi) 一 用 技術(shù)更新慢技求更新快 多為宴驗(yàn)室所擁有 個(gè)人可擁有個(gè)實(shí)驗(yàn)室 功能單一，操作不使盎動(dòng)、智能化，可遠(yuǎn)距離傳輸 現(xiàn)代化生產(chǎn)要求電子儀器品種、功能強(qiáng)、精度高、自動(dòng)化程度高，而且要求測(cè) 試速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好的人機(jī)界面。虛擬儀器e 可以實(shí)現(xiàn)這些要求。與 傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有以下優(yōu)點(diǎn)： 融臺(tái)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等 方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。高性能處理器、高分辨率顯日i 器、大 窖量硬盤(pán)等已成為虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置。 利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，一方面，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化節(jié) 利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，一方面，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化節(jié) 7 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)靈活性：一方面，通過(guò)軟件技術(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法，實(shí) 時(shí)、直接地對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理：另一方面，通過(guò)圖形用戶(hù)界面( g u d 技術(shù)，真正做到了界面友好、人機(jī)交互。 基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線，傳統(tǒng)儀器儀器硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化、系 列化、大大縮小了系統(tǒng)尺寸，可方便地構(gòu)建模塊化儀器( i n s t r u m e n to nac a r d ) 。 基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，虛擬儀器系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)能 力( c o n n e c t i v i t y ) ，廣泛支持諸如c a n 、f i e l d b u s 、p r o f i b u s 等各種工業(yè)總線標(biāo) 準(zhǔn)。因此，利用虛擬儀器技術(shù)可方便地構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)( a t s ，a u t o m a t i ct e s t s y s t e m ) ，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制過(guò)程地網(wǎng)絡(luò)化。 基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開(kāi)放性、 模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶(hù)可根據(jù)自己的需要，選用不同 廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更為靈活，效率更高，縮短了系統(tǒng)組建時(shí)間。 2 4 虛擬儀器的硬件系統(tǒng) 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)試功能硬件。計(jì)算機(jī)硬件 甲臺(tái)可以是各種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)，如p c 、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。 汁算機(jī)管理著虛擬儀器的硬軟件資源，是虛擬儀器的硬件支持。計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯 示、存儲(chǔ)能力、處理性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，推動(dòng)著虛擬儀器系統(tǒng) 的發(fā)展。 按照測(cè)控功能硬件的不同，虛擬儀器可分為g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四種標(biāo) 準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。 g li b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)和儀器問(wèn) 的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議。g p i b 的硬件觀格和軟件協(xié)議已納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一一i e e e 4 8 8 1 和i e e e 4 8 8 2 。它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配置了遵循i e e e 4 8 8 的g p i b 接口。典型的g p i b 測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一臺(tái)g p i b 接口卡和若干 臺(tái)g p i b 儀器。每臺(tái)g p i b 儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī)控制操作。系統(tǒng)中的儀器 “r 以增加、減少或更換，只需對(duì)計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動(dòng)。這種概念已被 應(yīng)用于儀器的內(nèi)部設(shè)計(jì)。在價(jià)格上g p i b 儀器覆蓋了從比較便宜到異常昂貴的儀 器。但是g p i b 的數(shù)據(jù)傳輸速度較低，一般低于5 0 0k b s ，不適臺(tái)對(duì)系統(tǒng)速度要 求較高的應(yīng)用，因此在應(yīng)用上已經(jīng)受到了一定程度的限制。 v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) v m e 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò) 勝，是在1 9 8 7 年，在v m e 總線、e u r o c a r d 標(biāo)準(zhǔn)( 機(jī)械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)) 和i e e e4 8 8 等 的基礎(chǔ)上，由主要儀器制造商共同制定的丌發(fā)性?xún)x器總線標(biāo)準(zhǔn)。v x i 系統(tǒng)最多可 包含2 5 6 個(gè)裝置，主要由主機(jī)箱、零槽控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅(qū)動(dòng) 2 虛擬儀器技術(shù) 軟件、系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用組成新系 統(tǒng)。 目前，國(guó)際上有兩個(gè)v x i 總線組織： 1 ) v x i 聯(lián)盟，負(fù)責(zé)制定v x i 的硬件( 儀器級(jí)) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括機(jī)箱背板總線、 電源分布、冷卻系統(tǒng)、冷槽模塊、儀器模塊的電氣特性、機(jī)械特性、電磁兼容性 以及系統(tǒng)資源管理和通訊規(guī)程等內(nèi)容。 2 ) 總線即插即用( v x ip l u g & p l a y ，簡(jiǎn)稱(chēng)v p p ) 系統(tǒng)聯(lián)盟，宗旨是通過(guò)制 定一系列v x i 的軟件( 系統(tǒng)級(jí)) 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提供一個(gè)開(kāi)放性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)了 v x i 總線產(chǎn)品的“即插即用”。 這兩套標(biāo)準(zhǔn)組成了v x i 標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)了v x i 的模塊化、系列化。通用化以 及v x i 儀器的互換性和互操作性。但是v x i 價(jià)格相對(duì)過(guò)高，適合于尖端的測(cè)試領(lǐng) 域。 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) p c i 在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是n i 于1 9 9 7 年發(fā)布的一種新的開(kāi)放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是c o m p a c tp c i 結(jié)構(gòu)和m i c r o s o f tw i n d o w s 軟件。p x i 是在p c i 內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范 和要求形成的。p x i 增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、用于精確定時(shí)的 星形觸發(fā)總線以及用于相鄰模塊問(wèn)高速通訊的局部總線等，來(lái)滿(mǎn)足試驗(yàn)和測(cè)量的 要求。p x i 兼容c o m p a c tp c i 機(jī)械規(guī)范，并增加了主動(dòng)冷卻、壞境測(cè)試( 溫度、濕 度、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)) 等要求。這樣以來(lái)，可保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng) 的易集成性。 d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ) 數(shù)據(jù)采集，指的基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線( 如i s a 、 p c i 、u s b 等) 的內(nèi)容功能插卡。它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè) 試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。利用d a q 可方便快速地組建基于計(jì)算機(jī)的儀器 ( c o m p u t e r - b a s e d i n s t r u m e n t s ) ，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用”。在性能上，隨 著d 轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混濾波技術(shù)與信號(hào)調(diào)理技術(shù)迅速發(fā)展，d a q 的采樣速度已達(dá)到1 g b s ，精度高達(dá)6 4 個(gè)，并能任意結(jié)合數(shù)字i o 、模擬i o 、計(jì) 數(shù)器定時(shí)器等通道。儀器廠家生產(chǎn)了大量的d a q 功能模塊可供用戶(hù)選擇，如示 波器、數(shù)字萬(wàn)用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、任意波形發(fā)生器等。在 p c 上掛接若干功能的p c 儀器。這種基于計(jì)算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測(cè)量 品質(zhì)，又能滿(mǎn)足測(cè)量需求的多樣性。對(duì)大多數(shù)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這種方案很實(shí)用，具有 很高的性能價(jià)格比，是種特別適合丁- 我國(guó)國(guó)情的虛擬儀器方案。 2 5 虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì) 虛擬儀器技術(shù)最核心的思想，就是利用計(jì)算機(jī)的硬軟件資源，是本來(lái)需要硬 9 重慶人學(xué)碩士學(xué)位論文 件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化( 虛擬化) ，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能 ! 。靈活性?；谲浖趘 l 系統(tǒng)中的重要作用，n i 提出了“軟件就是儀器( t h e s o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t a t i o n ) ”的口號(hào)。v p p ( v x lp l a y p l a y ) 系統(tǒng)聯(lián)盟提出了 系統(tǒng)框架、驅(qū)動(dòng)程序、v i s a 、軟面板、部件知識(shí)庫(kù)等一系列v p p 軟件標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng) 了軟件標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：v i s a 庫(kù)、 儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r e ) 虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)就是 標(biāo)準(zhǔn)的i o 函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱(chēng)。一般稱(chēng)這個(gè)i o 函數(shù)庫(kù)為v i s a 庫(kù)。它駐 留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連 接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程控。它對(duì)于儀器驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)者來(lái)c 兌是一個(gè)個(gè)可調(diào)用的操 作函數(shù)集。 每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用 j “。 應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)操作用戶(hù)，通過(guò)提供直觀友 好的測(cè)控操作界面，豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來(lái)完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。 應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是設(shè)計(jì)虛擬儀器所必需的軟件工具。目前，較流行的虛擬 儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境大致有兩類(lèi)：一類(lèi)是圖形化的編程語(yǔ)言，具有代表性的有 h p v e e ，l a b v i e w 等：另一類(lèi)是文本式的編程語(yǔ)言，如c ，v i s u a lc + + ， l a b w i n d o w s c v i 等。圖形化的編程語(yǔ)言具有編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高的特點(diǎn)。 文本式編程語(yǔ)言具有編程靈活、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。 l a b v i e w 是美國(guó)n a t i o n a l i n s t r u m e n t c o r p o r a t i o n 研制的圖形編程虛擬儀器 系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表示等功能。它提供一種新穎 的編程方法，即以圖形方式組裝軟件模塊，生成專(zhuān)用儀器。i _ , a b v i e w 由面板、流 程方框圖、圖標(biāo)連接器組成，其中面板是用戶(hù)界面，流程方框圖是虛擬儀器源代 碼，圖標(biāo)連接器是調(diào)用接口( c a l l i n gi n t e r f a c e ) 。流程方框圖包括輸入輸出( i 0 ) 部件、計(jì)算部件和子v i 部件，它們用圖標(biāo)和數(shù)據(jù)流的連接表示：i o 部件直接與 數(shù)據(jù)采集板、g p i b 板或其他外部物理儀器通信：計(jì)算部件完成數(shù)學(xué)或其他運(yùn)算與 操作；子部件調(diào)用其他虛擬儀器。 l a b w i n d o w s c v l 的功能與l a b v l e w 相似，且由同一家公司研制，不同之 處足它可用c 語(yǔ)言對(duì)虛擬儀器進(jìn)行編程。它有著交互的程序丌發(fā)環(huán)境和可用于創(chuàng) 建數(shù)據(jù)采集和儀器控制應(yīng)用程序的函數(shù)庫(kù)。l a b w i n d o w s c v l 還包含了數(shù)據(jù)采集、 分析、實(shí)現(xiàn)的一系列軟件工具。通過(guò)交互式的丌發(fā)環(huán)境可以編輯、編譯、連接、 凋試a n s l c 程序。在這種環(huán)境中，通過(guò)l a b w i n d o w s c v l 函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)來(lái)寫(xiě)程 序。另外，每個(gè)庫(kù)中的函數(shù)有一個(gè)成為函數(shù)面板的交互式界面，可用來(lái)交互的運(yùn) 1 0 2 虛擬儀器技術(shù) 行函數(shù)，也可直接生成調(diào)用函數(shù)的代碼。函數(shù)面板的在線幫助有函數(shù)本身及其各 控件的幫助信息。l a b w i n d o w s c v i 的威力在于它強(qiáng)大的庫(kù)函數(shù)，這些庫(kù)包含了絕 大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集各階段的函數(shù)和儀器控制系統(tǒng)的函數(shù)。 v i s u a lc + + 是微軟公司開(kāi)發(fā)的可視化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，由于和操作系統(tǒng)同 出一家，因此有著天然的優(yōu)勢(shì)。使用v i s u a lc + + 作為虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，一般 有4 個(gè)步驟。第一，開(kāi)發(fā)a d 插卡的驅(qū)動(dòng)程序，完成數(shù)據(jù)采集功能。第二，開(kāi)發(fā) 虛擬儀器的面板，以供用戶(hù)交互式操作。第三，開(kāi)發(fā)虛擬儀器的功能模塊，完成 虛擬儀器的各項(xiàng)功能。第四，有機(jī)地集成前三步功能，構(gòu)建出一個(gè)界面逼真、功 能強(qiáng)大的虛擬儀器。 2 6 虛擬儀器的形成 傳統(tǒng)的硬件儀器，主要由機(jī)箱和底盤(pán)，插在底盤(pán)上的反映儀器功能、性能、精 度指標(biāo)的各種電子卡和與電子卡有序聯(lián)接，用以控制儀器的工作狀態(tài)，調(diào)用儀器 功能和參數(shù)的面板控件三大部分組成。如果將p c 作為一套帶有智能化功能的儀器 通用的機(jī)箱和底盤(pán)，把電子卡組成的硬功能( 包括性能和精度指標(biāo)) 庫(kù)和面板控 件組成的硬控件庫(kù)，按圖2 1 所示的那樣實(shí)行軟件化，從而形成“軟功能庫(kù)”和 “軟控件庫(kù)”。 圖2 1 一臺(tái)虛擬儀器的形成 f i g2 1t h es h a p i n go fas e to fv i r t u a li n s t r u m e n t 將“軟功能庫(kù)”和“軟控件庫(kù)”送入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)的個(gè)稱(chēng)為“框架 協(xié)議”的專(zhuān)家系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行軟裝配、軟連接、軟組合、軟修改、軟增刪等一系列軟 性操作，最后便形成一臺(tái)從外觀到功能、性能、精度到操作方法都與同類(lèi)硬件儀 器完全一樣的虛擬儀器，圖2 2 是虛擬儀器外觀圖。 重壅查堂堡主堂垡笙苧 圖2 2 虛擬儀器外觀圖 f i g2 2 a s p e c to ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t 此時(shí)若在計(jì)算機(jī)的總線槽內(nèi)插入一塊相應(yīng)的模塊卡，并在測(cè)試對(duì)象與模塊卡之 間接入傳感器，這樣虛擬儀器便可和外界的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)其 測(cè)試與分析任務(wù)了。圖2 3 表示一臺(tái)軟硬件完整、可供使用的虛擬儀器系統(tǒng)。 圖2 3 虛擬式儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 f 2 3f o r m i n go fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m 2 7 虛擬儀器的發(fā)展和推廣應(yīng)用 目前，虛擬儀器在國(guó)內(nèi)外都己取得很大發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，秦樹(shù)人教授領(lǐng)導(dǎo)的重 慶大學(xué)虛擬儀器研究開(kāi)發(fā)中心，經(jīng)過(guò)多年的工作，研發(fā)出3 0 余種( 系列) 虛擬儀 器產(chǎn)品，并提出了以下有關(guān)虛擬儀器發(fā)展的觀點(diǎn)。 2 1 世紀(jì)的儀器產(chǎn)品應(yīng)具有鮮明的個(gè)性。 要求不同類(lèi)型的產(chǎn)品具有不同的個(gè)性是2 1 世紀(jì)產(chǎn)品發(fā)展的方向。而即使是同 類(lèi)型產(chǎn)品不同的類(lèi)型，也應(yīng)有不同的個(gè)性。例如目前全世界生產(chǎn)的f f t 動(dòng)態(tài)信號(hào) 分析儀，無(wú)一例外地都具有時(shí)域、幅值域、頻域( 頻譜) 、傳遞相干、互譜、相干 等分析功能。將這些大功能模塊細(xì)化后可以多達(dá)上百個(gè)功能。但是用戶(hù)真j 下需要 2 虛擬儀器技術(shù) 用的功能往往不要這么多，而且不同的用戶(hù)還要根據(jù)自己不同的用途，在這上卣 種功能中選擇不同種類(lèi)的功能。顯然傳統(tǒng)硬件儀器固有的封閉性( 即一經(jīng)制造完 畢即不能按用戶(hù)的要求改動(dòng)) 無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的這一要求。虛擬式儀器是丌發(fā)系統(tǒng)， 可以滿(mǎn)足用戶(hù)提出的對(duì)功能設(shè)置、功能增減的任何要求。因此虛擬儀器符合具有 個(gè)性的這一特點(diǎn)。 2 1 世紀(jì)的儀器產(chǎn)品應(yīng)具有參與性 這里所說(shuō)的參與性主要是指用戶(hù)可以參與儀器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等全 過(guò)程。對(duì)于傳統(tǒng)硬件化儀器產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)、制造是專(zhuān)家和制造廠的事，用戶(hù)雖然 可以提出某些