虛擬儀器的發(fā)展及應(yīng)用

1、虛擬儀器的發(fā)展及應(yīng)用摘要：虛擬儀器在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，主要介紹虛擬儀器的發(fā)展過程，虛擬儀器的軟件與硬件的基本構(gòu)成原理，并介紹了一些虛擬儀器的應(yīng)用。通過介紹，可以斷定虛擬儀器有廣泛的應(yīng)用前景，是今后一段時間的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；測試；采集硬件；算法軟件0引言由于微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子工業(yè)測量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念。虛擬儀器就是其中的一種，虛擬儀器是基于通用PC建立的可編程儀器及儀器系統(tǒng)，就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義、具

2、有虛擬前面板、測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。在虛擬儀器中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入與輸出，軟件才是整個儀器的關(guān)鍵。用戶可以通過軟件構(gòu)造幾乎任意功能的儀器?，F(xiàn)在虛擬儀器已得到了廣泛應(yīng)用，并成為當(dāng)前國內(nèi)外測試技術(shù)領(lǐng)域十分關(guān)注的技術(shù)熱點。1測量技術(shù)的發(fā)展過程1.1傳統(tǒng)測試儀器儀表的發(fā)展歷程測量儀器是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，而科學(xué)技術(shù)的發(fā)展又推動著測量儀器的發(fā)展進程。測量儀器儀表技術(shù)發(fā)展至今，主要經(jīng)歷了以下幾個階段：(1)以電磁技術(shù)為基礎(chǔ)的指針式儀表階段；以模擬電子技術(shù)為基礎(chǔ)的模擬式儀表階段；(3)以數(shù)字電子技術(shù)為基礎(chǔ)，引入了鎖相技術(shù)、頻率合成技術(shù)、數(shù)字取樣技術(shù)等的數(shù)字化儀表階段；(4)

3、以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的智能化儀器儀表階段。這一階段是電子儀器領(lǐng)域取得重大發(fā)展的標(biāo)志性聯(lián)階段，在一定時期內(nèi)曾開創(chuàng)了現(xiàn)代電子測量、測試技術(shù)的先河；(5)以電子測量技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展相融合為基礎(chǔ)的自動測試系統(tǒng)階段。這是電子測量技術(shù)的又一次飛躍，它真正實現(xiàn)了高速度、高準(zhǔn)確度、多參數(shù)和多功能的電磁指針式儀表模擬指針式儀表模擬指針式及數(shù)字指針式電子儀表智能化電子儀器儀表多功能自動測試系統(tǒng)虛擬儀器圖1傳統(tǒng)儀器儀表的發(fā)展進程測試，甚至在一定程度上實現(xiàn)了不同地域上的網(wǎng)絡(luò)化測試功能。自動測試系統(tǒng)階段是基于傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)的測量測試技術(shù)發(fā)展的高級階段，它是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的必然結(jié)果

4、，同時也為科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展提供了基礎(chǔ)性的保障。上述不同階段的儀器儀表技術(shù)，還同屬于具有一定的物理形態(tài)、主要靠自身硬件來實現(xiàn)其功能的儀器儀表，即傳統(tǒng)觀念上的具有物理實體的儀器儀表，其共同特征為都是不脫離物質(zhì)基礎(chǔ)的實體儀器，也具有形狀規(guī)格、功能特性不易更改和消耗物質(zhì)資源等共同的物質(zhì)特征。上述傳統(tǒng)儀器儀表的發(fā)展進程，可用圖1表示。圖中最后一個發(fā)展階段就是指虛擬儀器發(fā)展階段。它的出現(xiàn)為儀器技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了一種新的理念，會成為人類的測試技術(shù)的發(fā)展主方向。1.2 虛擬儀器概念所謂的虛擬儀器就是在以計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義的具有虛擬面板，具測試功能由測試軟件來實現(xiàn)的一種計算機系統(tǒng)。虛擬儀

5、器的實質(zhì)是利用計算機的顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測結(jié)果；利用計算機的軟件實現(xiàn)信號的數(shù)據(jù)運算、分析、處理；利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集、調(diào)理，從而完成各種測試功能的計算機測試系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板就如同使用一臺專用的測量儀器。1.3 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別如表1所示：表1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)和維護費用低開發(fā)和維護費用高技術(shù)更新周期短（0.5-1年）技術(shù)更新周期長（5-10年）軟件是關(guān)鍵硬件是關(guān)鍵價格低價格昂貴開放靈活與計算機同步，可重復(fù)用和重配置固定可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊儀器只可連接有線的設(shè)備自動化、智能化、遠距離

6、傳輸功能單一、操作不便1.4 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)虛擬儀器可以概括為：采集硬件+顯示面板+算法軟件如圖2為虛擬儀器組成圖虛擬儀器根據(jù)I/O采集設(shè)備采用總線方式的不同，硬件可分為PC總線插卡型、并行口式、GPIB總線方式，VXI總線方式、PXI總線方式，LXI總線方式六種類型，但無論采用哪種類型的虛擬儀器系統(tǒng)，都是通過應(yīng)用軟件將硬件設(shè)備搭載到計算機平臺上，實現(xiàn)計算機全數(shù)字化的采集、測試和分析。而開發(fā)虛擬儀器離不開合適的軟件工具，目前的虛擬儀器軟件開發(fā)工具有兩類：文本式編程語言，如VisualC+,VisualBasic,LabWindows/CVI等;圖形化的編程語言，如LabVIEW,HPVEE等，

7、這些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度的方便與良好的開發(fā)環(huán)境。隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷升級和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟化，虛擬儀器技術(shù)正以前所未有的速度拓展著儀器測試的空間。近年來涌現(xiàn)出了大量的網(wǎng)絡(luò)化傳感器，這種傳感器在智能傳感器的基礎(chǔ)上把TCPAP協(xié)議嵌人到ROM中，從而使信號的接收和發(fā)送都以TCPAP方式進行，這樣網(wǎng)絡(luò)化傳感器就作為測控網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點登陸網(wǎng)絡(luò)配以虛擬儀器中的。Net技術(shù)或者DataSocket技術(shù)，可以方便的實現(xiàn)遠程測試。概括來說，虛擬儀器技術(shù)是目前主流技術(shù)的集大成者，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用開拓了測試儀器領(lǐng)域的里程碑，同時也為計量測試帶來了嶄新的問題

8、。軟件硬件圖2圖2虛擬儀器的組成2虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀國外發(fā)展情況國外虛擬儀器技術(shù)自上世紀(jì)80年代由美國NI公司提出以來，一直成為發(fā)達國家自動測控領(lǐng)域的研究熱點和應(yīng)用前沿。近年來，世界各國的許多大型自動測控和儀器公司均相繼研制了為數(shù)不少的虛擬儀器開發(fā)平臺，但最早和最具影響力的還是NI公司的圖形化開發(fā)平臺LabVIEW(NI也推出了基于C語言模式的Labwindows/CVI等交互式開發(fā)平臺)。虛擬儀器在國外已發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。美國是虛擬儀器的誕生地，目前也是全球最大的虛擬儀器制造國國內(nèi)發(fā)展情況國內(nèi)虛擬儀器最早的研究也是從引進消化NI的產(chǎn)品開始。國家自然科學(xué)基金委員會也曾將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代

9、機械工程科學(xué)前沿學(xué)科之一，列入為“十五”期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。目前有些研究已取得可喜成績，如863項目“虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)的研究及其產(chǎn)業(yè)化”，所研制的“一體化虛擬儀器”就是一種不同于歐美虛擬儀器的技術(shù)。這項成果表明我國在虛擬儀器方面走出一條自主創(chuàng)新的路子。虛擬儀器發(fā)展過程中要處理好的幾項關(guān)鍵性技術(shù)虛擬儀器的發(fā)展取決于3個重要因素：計算機是載體，軟件是核心，高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。又因為虛擬儀器是基于微計算機的測試儀器，因此必然與微計算機相關(guān)技術(shù)的進展有密切的關(guān)系，操作虛擬儀器就是通過良好的界面環(huán)境操作帶有虛擬儀器功能設(shè)備的通用計算機。同時，虛擬儀器是測試儀器，它又帶有濃厚的測試儀器的

10、特征。因此必須處理好以下幾項關(guān)鍵性的技術(shù)：虛擬儀器的發(fā)展必須依賴于計算機的進步和發(fā)展；必須借助各種硬件技術(shù)和強大的軟件資源；必須制定開放式的虛擬儀器I/O總線標(biāo)準(zhǔn)。3虛擬儀器的應(yīng)用隨著PC、半導(dǎo)體和軟件功能的進一步更新，虛擬儀器的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應(yīng)用中，它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。而虛擬儀器的各種優(yōu)點讓用戶可以放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測量設(shè)備，接受更新型、以計算機為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計算機的性能價格比不斷改進，使虛擬儀器的價格更為大眾化，用戶不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價格，進一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開發(fā)費用和系統(tǒng)的維護費用。止匕外，新型筆記本電腦又把

11、虛擬儀器的便攜性和強大功能推向一個新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強和擴大。虛擬儀器在測控系統(tǒng)方面中的應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)開放、靈活，可與計算機技術(shù)保持同步發(fā)展，將之應(yīng)用在測控方面可以提高精確度，降低成本，并大大節(jié)省用戶的開發(fā)時間，可以隨時采集和記錄從傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并對之進行統(tǒng)計、數(shù)字濾波、頻域分析等原理，因此已經(jīng)在測控領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。其測控系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示：圖3測控系統(tǒng)的硬件組成虛擬儀器在電力方面的應(yīng)用由于虛擬儀器具有靈活的圖形用戶接口，可以更精確地進行圖像的處理。也便于遠端的實時監(jiān)控，便于存儲。也可利用虛擬儀器強大的網(wǎng)絡(luò)功能，實現(xiàn)地區(qū)性質(zhì)的數(shù)

12、據(jù)共享，或者直接組成一個地區(qū)性質(zhì)的測量網(wǎng)絡(luò)。虛擬儀器在電力方面的一個實例基于RS-232串口的虛擬儀器，該系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示：圖4基于RS-232串口的虛擬儀器硬件框圖虛擬儀器在檢測方面的應(yīng)用在檢測技術(shù)引進基于LabVIEW語言的虛擬儀器，利用虛擬儀器在信號處理分析及顯示方面的強大功能，將許多檢測技術(shù)基本理論方便地用圖形表達出來，生動地驗證了信號描述、信號調(diào)理、信號處理分析等方面的有關(guān)理論。也可利用虛擬儀器開發(fā)工具開發(fā)專用虛擬儀器系統(tǒng)，可以把一臺個人計算機變成一組檢測儀器，用于數(shù)據(jù)/圖像采集、控制與模擬?？捎糜诠怆娦畔⒑陀嬎銠C檢測技術(shù)試驗中，也可用于溫度檢測系統(tǒng)中，圖5就是虛擬儀器溫度檢

13、測的一個前面板，該面板通過一個模擬溫度計實時顯示溫度的大小，并接入一個布爾開關(guān)可以對采集過程加以控制。Fie£d»處。喊aTocfc臣cmts。winds.匕匕13prApple.atkmFont圖5虛擬儀器溫度檢測的一個前面板虛擬儀器在實驗教學(xué)方面的應(yīng)用因為虛擬儀器組建系統(tǒng)靈活、開放性好、生產(chǎn)維護和開發(fā)的成本低、性價比高等?，F(xiàn)在，隨著虛擬儀器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，越來越多的教學(xué)部門也開始用它來建立實驗教學(xué)系統(tǒng)，不僅大大節(jié)省開支，而且使得教學(xué)方法也更加靈活了?？苫赑C機的虛擬儀器為例，圖6是一套帶有數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器的機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。信號有數(shù)據(jù)采集卡采集，通過計算機的PCI送

14、入計算機，計算機內(nèi)部的虛擬儀器各個功能模塊對信號進行處理分析，顯示模塊將處理分析結(jié)果顯示到計算機的屏幕上。具結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示：圖6基于PC機的虛擬儀器結(jié)構(gòu)4虛擬儀器的展望虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)換靈活，它已廣泛應(yīng)用于電子測量、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、機械建筑工程、鐵路交通、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等方面。隨著計算機軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，給虛擬儀器的發(fā)展提供了廣闊的天地，國內(nèi)外儀器界正看中這塊大市場。測控儀器將會向高效、高速、高精度和高可靠性以及自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。開放式數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)將使虛

15、擬儀器走上標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化和模塊化的道路。虛擬儀器作為教學(xué)的新手段，已慢慢地走進了電子技術(shù)的課堂和實驗室，正在改變著電子技術(shù)教學(xué)的傳統(tǒng)模式，這也是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的必然。在電工電子實驗室的建設(shè)中，教師普遍反映實驗室常規(guī)設(shè)備有的已經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后，在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費較少的情況下，如果配置常規(guī)儀器、儀表，學(xué)校財力難以支付，也不符合目前學(xué)校的實際。而且，隨著測試儀器的數(shù)字化、計算機化的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)測試儀器漸漸有被取代的趨勢。如果運用虛擬儀器技術(shù)，以微機為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測試平臺，代替常規(guī)儀器、儀表，不但滿足電工電子實驗教學(xué)的需要，而且將這批微機可作為其他有關(guān)計算機課程教學(xué)用機，大大提高了設(shè)備利用率，降低了實驗室建沒的成本。當(dāng)前應(yīng)該解決的是如何使虛擬儀器和現(xiàn)有儀器配合，挖掘現(xiàn)有儀器的潛力，達到逐步淘汰和取代傳統(tǒng)儀器的目的。而電子測試儀器的數(shù)字化、計算機化是發(fā)展方向，是電子實驗室的最佳選擇。此外，手持式、更輕便的小型化的嵌入式PC（如PCI04