虛擬儀器的發(fā)展及應用

1、虛擬儀器虛擬儀器的發(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引言由丁微電子技術、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，虛擬儀器是基丁通用 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

2、硬件平臺上，由用戶設計定義、具有虛擬前面板、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?，F(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)展乂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； 以數(shù)字電子技術為基礎，弓I入了鎖相技術、頻率

3、合成技術、數(shù)字取樣技術等的數(shù)字化儀表階段； 以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為基礎的智能化儀器儀表階段。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乂一次飛躍，它真正實現(xiàn)了圖1傳統(tǒng)儀器儀表的發(fā)展進程高速度、高準確度、多參數(shù)和多功能的測試，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)階段是基丁傳統(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

4、述不同階段的儀器儀表技術，還同屆丁具有一定的物理形 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

5、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)和維護費用高技術更新周期短（0.5-1年）技術更新周期長（5-10年）軟件是關鍵硬件是關鍵價格低價格昂貴開放靈活與計算機同步，可重復用和重1己置固定可用網絡聯(lián)絡周邊儀器只可連接有線的設備自動化、智能化、遠距離傳輸功能單一、操作不便1.4虛

6、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

7、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

8、嶄新的問題。傳感器調理器米集宕徉I/O口硬件圖2I/O驅動面板算法h.虛 擬 儀 器軟件圖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也推出了基丁 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 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

9、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A/ D采集卡及調理放大器是關鍵。乂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

10、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，它乂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

11、 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，新型筆記本電腦乂 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:CompactDAQ 背板

12、計算機或便攜式筆記本USB 接口 <測控模塊彈上系統(tǒng)各單元圖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丁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 便丁遠端的實時監(jiān)控，便丁存儲。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 的一個實例基丁 RS-232申口的虛擬儀器，該系統(tǒng)的硬件框圖如圖 4所示：圖4基丁 RS-232申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丁 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

13、便地用圖形表達出來， 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，用丁數(shù)據(jù)/圖像采集、控制與模擬。可用丁光電信息和計算機檢測技術試 驗中，也可用丁溫度檢測系統(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。Fie £d» rjer ate Tocfc cmtsg winds.tietiB-?.e- 胸審Lu- Qy*iijAppletfcr Font圖5虛擬儀器溫度檢測的一個前面板3

14、.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?，F(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)省開支，而且使得教學方法也更加靈活了。 可基 丁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基丁 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)勢在丁用戶可自行定義

15、儀器的功能和結 構等，且構建容易、轉換靈活，它已廣泛應用丁電子測量、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

16、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