1、虛擬儀器的發(fā)展及應用摘要：虛擬儀器在各個領域中的應用越來越廣泛，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成原理，并介紹了一些虛擬儀器的應用。通過介紹，可以斷定虛擬儀器有廣泛的應用前景，是今后一段時間的發(fā)展方向。關鍵詞：虛擬儀器；測試；采集硬件；算法軟件0引言由于微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術的高度發(fā)展及其在電子工業(yè)測量技術與儀器上的應用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領域以及新的儀器結構不斷涌現(xiàn)，在許多方面已經沖破了傳統(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鍵。用戶可以通過軟件構造幾乎任意功能的儀器。現(xiàn)在虛擬儀器已得到了廣泛應用，并成為當前國內外測試技術領域十分關注的技術熱點。1測量技術的發(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技術發(fā)展的基礎，而科學技術的發(fā)展又推動著測量儀器的發(fā)展進程。測量儀器儀表技術發(fā)展至今，主要經歷了以下幾個階段：(1) 以電磁技術為基礎的指針式儀表階段；(2)以模擬電子技術為基礎的模擬式儀表階段；(3)以數(shù)字電子技術為基礎，引入了鎖相技術、頻(4)以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為基礎的智

3、能化儀器儀表階段。這一階段是電子儀器領域取得重大發(fā)展的標志性聯(lián)階段，在一定時期內曾開創(chuàng)了現(xiàn)代電子測量、測試技術的先河；(5)以電子測量技術、自動控制技術和計算機技術的發(fā)展相融合為基礎的自動測試系統(tǒng)階段。這是電子測量技術的又一次飛躍，它真正實現(xiàn)了 高速度、高準確度、多參數(shù)和多功能的 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)了不同地域上的網絡化測試功能。自動測試系統(tǒng)階段是基于傳統(tǒng)儀器儀表技術的測量測試技術發(fā)展的高級階段，它是當今科學技術高度發(fā)展的必然結果，同時也為科學技術的進一步發(fā)展提供了基礎性的保障。上述不同階段的儀器儀表技術，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

4、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基礎的實體儀器，也具有形狀規(guī)格、功能特性不易更改和消耗物質資源等共同的物質特征。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)為儀器技術的發(fā)展創(chuàng)造了一種新的理念，會成為人類的測試技術的發(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，由用戶設計定義的具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件來實現(xiàn)的一種計算機系統(tǒng)。虛擬儀器的實質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

5、口設備完成信號的采集、調理，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1.4虛擬儀器的結構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)，都是通過應用軟件將硬件設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

6、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Visual C+，VisualBasic，LabWindows/CVI等；圖形化的編程語言，如LabVIEW，HPVEE等，這些軟件開發(fā)工具為用戶設計虛擬儀器應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、傳感器技術、微電子技術的不斷升級和網絡技術的成熟化，虛擬儀器技術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)出了大量的網絡化傳感器，這種傳感器在智能傳感器的基礎上把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，這樣網絡化傳感器就作為測控網絡上的一個節(jié)點登陸網絡配以虛擬

7、儀器中的。Net技術或者DataSocket技術，可以方便的實現(xiàn)遠程測試。概括來說，虛擬儀器技術是目前主流技術的集大成者，虛擬儀器技術的應用開拓了測試儀器領域的里程碑，同時也為計量測試帶來了嶄新的問題。硬件 軟件 圖2圖2 虛擬儀器的組成2虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀2.1國外發(fā)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(fā)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(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

8、式開發(fā)平臺）。虛擬儀器在國外已發(fā)展成為一種新的產業(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。2.2 國內發(fā)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(xiàn)代機械工程科學前沿學科之一，列入為 “十五”期間優(yōu)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(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。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。2.3虛擬儀器發(fā)展過程中要處理好的幾項關鍵性技術虛擬儀器的發(fā)展取決于3個重要因素：計算機是載體，軟件是核心，高質量的

9、A/ D 采集卡及調理放大器是關鍵。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技術的進展有密切的關系，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特征。因此必須處理好以下幾項關鍵性的技術：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總線標準。3虛擬儀器的應用隨著PC、半導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

10、量設備，接受更新型、以計算機為基礎的虛擬儀器系統(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。此外，新型筆記本電腦又把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，使它的功能和應用領域不斷增強和擴大。3.1虛擬儀器在測控系統(tǒng)方面中的應用虛擬儀器系統(tǒng)開放、靈活，可與計算機技術保持同步發(fā)展，將之應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

11、在測控領域得到廣泛的應用。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3.2虛擬儀器在電力方面的應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絡功能，實現(xiàn)地區(qū)性質的數(shù)據(jù)共享，或者直接組成一個地區(qū)性質的測量網絡。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3.3虛擬儀器在檢測方面的應用在檢測技術引進基于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，將許多檢測技術基本理論方便地用圖形表達出來

12、，生動地驗證了信號描述、信號調理、信號處理分析等方面的有關理論。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。可用于光電信息和計算機檢測技術試驗中，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可以對采集過程加以控制。圖5虛擬儀器溫度檢測的一個前面板3.4虛擬儀器在實驗教學方面的應用因為虛擬儀器組建系統(tǒng)靈活、開放性好、生產維護和開發(fā)的成本低、性價比高等。現(xiàn)在，隨著虛擬儀器系統(tǒng)的廣泛應用，越來越多的教學部門也開始用它來建立實驗教學系統(tǒng)，不僅大大節(jié)省開

13、支，而且使得教學方法也更加靈活了。可基于PC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結構示意圖。信號有數(shù)據(jù)采集卡采集，通過計算機的PCI送入計算機，計算機內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果顯示到計算機的屏幕上。其結構示意圖如圖6所示：圖6 基于PC機的虛擬儀器結構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構等，且構建容易、轉換靈活，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(yī)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(fā)展，給虛擬儀

14、器的發(fā)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(fā)展。開放式數(shù)據(jù)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，正在改變著電子技術教學的傳統(tǒng)模式，這也是現(xiàn)代教育技術發(fā)展的必然。在電工電子實驗室的建設中，教師普遍反映實驗室常規(guī)設備有的已經老化，有的技術上有些落后，在當前學校經費較少的情況下，如果配置常規(guī)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，以微機為基礎，構建集成化測試平臺，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，大大提高了設備利用率，降低了實驗室建沒的成本。當前應該解決的是如何使虛擬儀器和現(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)及掌上電腦與DSP、AD