Harbin Institute of Technology虛擬儀器技術的國內外研究現狀分析課程名稱： 電子測量原理 院 系： 電氣工程及自動化學院 班 級： 1101102班 姓 名： 李家誠 學 號： 1110100418 完成時間： 2014.5.3 哈爾濱工業大學摘 要全面介紹了虛擬儀器概念的提出,它的基本原理、主要結構和性能特點；回顧了虛擬儀器技術的發展歷史,簡要介紹了各階段虛擬儀器的基本特點；對國內外虛擬儀器技術的應用研究現狀作了詳細闡述；最后,展望了未來虛擬儀器技術的應用研究。關鍵詞：虛擬儀器；測試。1、 虛擬儀器技術綜述1.1 虛擬儀器的概念 虛擬儀器 (Virtual Instrument,VI) 是20世紀80年代末由美國國家儀器公司 (National Instru-ments Corporation,NI)提出的新概念 , 是對傳統儀器概念上的重大突破 。虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。一個典型的倒子是在計算機上插數據采集卡，然后用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進行信號分析的處理，實現傳統儀器的功能。靈活高效的軟件能幫助您創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業發展趨勢的原因所在。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發時間少，以及出色的集成這四大優勢1。1.2 虛擬儀器的特點與傳統測量儀器相比，虛擬儀器技術有著許多自己獨特的特點與優勢，以下列出其一部分特點：虛擬儀器具有開發與維護費用低的特點。虛擬儀器具有傳統儀器所無法比擬的強大信號處理能力。因為虛擬儀器可以充分利用計算機強大的軟件資源，對信號靈活地進行計算、分析、判斷、處理、顯示或輸出等。虛擬儀器由用戶自定義儀器功能, 而傳統儀器一經設計、制造完成后, 就很難改變。虛擬儀器具有技術更新周期短的特點，大約為1-2年。虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發展，可靈活地與網絡及其周邊設備實現互聯2。1.3 虛擬儀器的應用目前虛擬儀器技術已經普遍被應用于測試測量與工業自動化領域，包括電子測控、電力工程、物礦勘探、醫療、震動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等多方面3。二、虛擬儀器技術的發展歷史虛擬儀器的起源可以追朔到20世紀70年代，PC機出現以后，儀器級的計算機化成為可能，NI公司已經在Macintosh計算機上推出了LabVIEW2.0以前的版本。虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NI LabVIEW圖形化開發工具用于產品設計周期的各個環節，從而改善了產品質量、縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發和生產效率。使用集成化的虛擬儀器環境與現實世界的信號相連，分析數據以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內提高生產效率。根據虛擬儀器的發展過程，截至目前，大致可以分成三個發展階段：第一階段，利用計算機增強傳統儀器的功能。由于GPIB總線標準的確立，計算機和外界通信成為可能，只需要把傳統儀器通過GPIB和RS-232同計算機連接起來，用戶就可以從測量儀器獲得數據，并在計算機上通過各種軟件工具來完成對數據的分析處理與顯示。 第二階段，開放式儀器。儀器硬件上出現了兩大技術進步：一是插入式計算機數據處理卡 ( plug-in PC-DAQ )；二是VXI儀器總線標準的確立。第三階段，虛擬儀器框架得到了廣泛認同和采用。軟件領域面向對象技術把任何用戶構建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來。許多行業標準在硬件和軟件領域以產生，幾個虛擬儀器平臺已經得到認可并逐漸成為虛擬儀器行業的標準工具。三、虛擬儀器技術的發展現狀3.1 國外發展情況國外虛擬儀器技術自上世紀80年代由美國NI 公司提出以來，一直成為發達國家自動測控領域的研究熱點和應用前沿。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不少的虛擬儀器開發平臺，但最早和最具影響力的還是NI 公司的圖形化開發平臺LabVIEW。虛擬儀器在國外已發展成為一種新的產業。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。3.2 國內發展情況 國內虛擬儀器最早的研究也是從引進消化NI 的產品開始。國家自然科學基金委員會也曾將虛擬儀器研究作為現代機械工程科學前沿學科之一，列入為 “十五”期間優先資助領域。目前有些研究已取得可喜成績，如863項目“虛擬儀器關鍵技術的研究及其產業化”，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。這項成果表明我國在虛擬儀器方面走出一條自主創新的路子，并成為國際上嵌入式一體化虛擬儀器研發的先行者4。我國國民經濟的持續快速發展，加快了企業的技術升級步伐，先進儀器設備的需求更加強勁；虛擬儀器賴以生存的個人計算機最近幾年以極高的速度在中國發展，這些都為虛擬儀器在我國的普及奠定了良好的基礎。據專家預測，我國虛擬儀器行業的產值在未來若干年內將超過儀器儀表行業總產值的 50，虛擬儀器技術代表了今后儀器儀表技術發展的先進方向，我國的虛擬儀器技術存在巨大的發展潛力。國內許多高校，如清華大學、哈爾濱工業大學、重慶大學、華中科技大學、復旦大學、上海交通大學、國防科技大學、成都電子科技大學、中國科技大學、暨南大學、四川大學等數十所高校已展開了虛擬儀器技術領域的研究、開發和教學，NI 公司也已 2006 年在中國高校廣泛推廣虛擬儀器技術列入了戰略發展規劃（NI 中國高校推廣計劃），這標志著自提出虛擬儀器的概念之后，虛擬儀器技術在我國也進入了一個全新的快速發展時期5。以下將列舉一些中國當前虛擬儀器技術研究現狀的成果：唐山大學基于ComXactPCIV PYI研制的鍋爐供熱自動控制系統成功地應用在唐山市熱力總公司項目上；清華大學基于ComXactPCIV PYI技術建設的實驗熱工水利學測控平臺研制成功了先進的熱工測量技術和熱工仿真技術成功地完成了海水淡化等重要課題研究；天津大學研制的原油管道泄漏遠程監測系統在勝利油田和華東石油管理局集輸管線和長輸管線得到應用；北京航空航天大學完成了航空發動機壓氣機管道聲模態及非定長特性測量的數據采集和分析課題；國防科技大學基于NaOVIEP的分布式VYI儀器教學實驗系統的研制為VYI儀器廣泛進入大學實驗室創造了條件；重慶大學開發了虛擬實時噪聲倍頻程分析儀實現了對噪聲總聲壓級各種計權聲壓級及相應倍頻程的實時測量和分析；清華大學利用虛擬儀器技術構建汽車發動機檢測系統用于汽車發動機出廠前的自動檢測6。四、虛擬儀器技術的展望 虛擬儀器技術相對傳統的電子測量儀器，有很大優點，其優勢在于用戶可自行定義儀器的功能和結構等，且構建容易、轉換靈活。目前虛擬儀器已經在國內的各個行業得到了廣泛應用7，它已廣泛應用于電子測量、振動分析、聲學分析、故障診斷、航天航空、機械建筑工程、鐵路交通、生物醫療、教學及科研等方面。隨著計算機軟硬件技術、通信技術及網絡技術的發展，給虛擬儀器的發展提供了廣闊的天地，國內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、智能化和網絡化的方向發展。開放式數據采集標準將使虛擬儀器走上標準化、通用化、系列化和模塊化的道路。虛擬儀器作為教學的新手段，已慢慢地走進了電子技術的課堂和實驗室，改變著電子技術教學的傳統模式。在電工電子實驗室的建設中，如果配置常規儀器、儀表，學校財力難以支付，也不符合目前學校的實際。而且，隨著發展趨勢，傳統測試儀器漸漸有被取代的趨勢。如果運用虛擬儀器技術，不但滿足電工電子實驗教學的需要，而且將這批微機可作為其他有關計算機課程教學用機，提高設備利用率，降低實驗室建沒的成本。當前應該解決的是如何使虛擬儀器和現有儀器配合，達到逐步淘汰和取代傳統儀器的目的。隨著計算機技術、儀器技術和網絡通信技術的不斷完善，虛擬儀器將向以下五個方向發展： (1) 外掛式虛擬儀器 PC-DAQ式虛擬儀器是現在比較流行的虛擬儀器系統，但是，由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入DAQ時都需要打開機箱等，比較麻煩，而且，主機上的PCI插槽有限，再加上測試信號直接進入計算機，各種現場的被測信號對計算機的安全造成很大的威脅，同時，計算機內部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響，故以USB接口方式的外掛式虛擬儀器系統將成為今后廉價型虛擬儀器測試系統的主流。 (2) PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統 PXI系統高度的可擴展性和良好的兼容性，以及比VXI系統更高的性價比，將使它成為未來大型高精度集成測試系統的主流虛擬儀器平臺。 (3) 網絡化虛擬儀器 計算機技術與網絡技術的飛速發展，可將分散在不同地理位置不同功能的測試設備聯系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網絡上得以共享，減少了設備重復投資。 人們可從任何地點、在任意時間獲取到測量信息(或數據)，并控制儀器進行測量操作 。因此，它與傳統的儀器相比是一個質的飛躍。目前，國內對網絡化儀器的研究正處于起步階段。“網絡就是儀器”的提法也已出現，網絡化儀器在測控領域已有實際應用。如網絡流量計已應用于檢測流動物體的流量。這種儀器不僅能記錄各個時段的流量，還能在流量過大或過小時報警；應用于水文監測的網絡傳感器，能對江河到入海口的各個關鍵測控點的水位、流量及雨水量進行實時在線監測；網絡電能表，已應用于對異地用電信息的獲取和檢測。現在，有關MCN (測量與控制網絡 - Measure-ment and Control Networks)方面的標準正在積極進行，并取得了一定進展。由上所述，網絡化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景，將成為虛擬儀器技術發展的一個重要方向8。(4) 虛擬儀器技術的標準化V I 的標準化研究主要是在硬件平臺的標準化和軟件模塊的標準化。目前，PCI、VX I、 PX I等規范已基本實現了標準化，但在觸發方式、同步、延時、不同通道的共用時基等方面還未實現標準化，這將影響其在不同平臺上的互換性和移植性，也將影響虛擬儀器軟件模塊的標準化9。將在一個標準化硬件平臺上運行的軟件按功能特點分成一系列的軟件模塊，這些軟件模塊也需要像硬件模塊那樣 , 由專門的 V I 開發人員設計，并形成行業標準(如電壓表模塊、函數發生器模塊、示波器模塊等)。使用戶可以像購買硬件模塊那樣購買軟件模塊。1998年成立的IVI (Inter changeable Virtual Instrument) 基金會是最終用戶、 系統集成商和儀器制造商的一個開放的聯盟。IVI組織把儀器分成一系列的子類(如示波器、 數字萬用表、任意波形發生器、開關及電源等)，并按照某一子類儀器最通用的特征和功能來為該子類儀器制定規范。IVI制定的VI統一規范提升了VI驅動軟件標準化的水平。(5) 虛擬儀器技術硬件的軟件化硬件軟件化是通過軟件編程的方法改變硬件模塊的結構，以完成不同功能及性能指標，依靠硬件的柔性來增強其適應性和靈活性。FPGA(Field Programmable Gate Array)和 CPLD(Complex Programmable Logic Device)等器件在VI系統中的應用10，使系統開發人員可在生產現場直接根據系統的要求定義和修改邏輯功能，具有設計靈活、制作及上市快速的特點。如 N I 公司生產的NI 5911/5912就是一種采用柔性精度技術的產品。參考文獻1 百度百科-詞條：虛擬儀器/link?url=mYEWHBKCDBFYgsWb9S6dhfZX1rztxXhtISR1xNgV81J81SyOQNlsXm5YKfTZ4g-k2 美國國家儀器（ NI）有限）公司:虛擬儀器（白皮書）3 韓潔，吳文海，王元欽：虛擬儀器技術的發展、原理與展望，第五屆全國計算機應用聯合學術會議 ，1999年12月1日4 李震,柯旭貴,汪云祥：虛擬儀器的發展歷史、 研究現狀與展望J.安徽工程科技學院學報，2005,18,(4):1-4.5 黃進文.虛擬儀器新技術及其在我國發發展現狀與展望，科技創新導報,2008，(31):9.6 黃學文，周