虛擬儀器的發(fā)展及應(yīng)用

1、虛擬儀器虛擬儀器的發(fā)展及應(yīng)用摘要:虛擬儀器在各個(gè)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(shí)間的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；測(cè)試；采集硬件；算法軟件0引言由丁微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(cè)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(jì)算機(jī)為核心的

2、硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義、具有虛擬前面板、測(cè)試功 能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。在虛擬儀器中，硬件僅僅是為了解決 信號(hào)的輸入與輸出，軟件才是整個(gè)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(guó)內(nèi)外測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域 十分關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)。1測(cè)量技術(shù)的發(fā)展過程1.1傳統(tǒng)測(cè)試儀器儀表的發(fā)展歷程測(cè)量?jī)x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)展乂推動(dòng)著測(cè)量?jī)x器的發(fā) 展進(jìn)程。測(cè)量?jī)x器儀表技術(shù)發(fā)展至今，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：(1) 以電磁技術(shù)為基礎(chǔ)的指針式儀表階段；(2) 以模擬電子技術(shù)為基礎(chǔ)的模擬式儀表階段； 以數(shù)字電子技術(shù)為基礎(chǔ)，弓I入了鎖相技術(shù)、頻率

3、合成技術(shù)、數(shù)字取樣技術(shù)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(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(shí)期內(nèi)曾開創(chuàng)了現(xiàn)代電子測(cè)量、測(cè)試技術(shù)的先河；(5)以電子測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展相融合為基礎(chǔ)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)階段。這是電子測(cè)量技術(shù)的乂一次飛躍，它真正實(shí)現(xiàn)了圖1傳統(tǒng)儀器儀表的發(fā)展進(jìn)程高速度、高準(zhǔn)確度、多參數(shù)和多功能的測(cè)試，甚至在一定程度上實(shí)現(xiàn)了不同地域上的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試功能。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)階段是基丁傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)的測(cè)量測(cè)試技術(shù)發(fā)展的高級(jí)階 段，它是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的必然結(jié)果， 同時(shí)也為科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提 供了基礎(chǔ)性的保障。上

4、述不同階段的儀器儀表技術(shù)，還同屆丁具有一定的物理形 態(tài)、主要靠自身硬件來實(shí)現(xiàn)其功能的儀器儀表，即傳統(tǒng)觀念上的具有物理實(shí)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(shí)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(jìn)程，可用圖1表示。圖中最后一個(gè)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(huì)成為 人類的測(cè)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(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義的具 有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì) 是利用計(jì)算機(jī)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(cè)結(jié)果；利 用計(jì)算機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)據(jù)運(yùn)算、分析、處理；利用 I/O接口設(shè)備完成信號(hào) 的采集、調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的計(jì)算機(jī)測(cè)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(tái)專用的測(cè)量?jī)x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(hù)費(fèi)用低開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高技術(shù)更新周期短（0.5-1年）技術(shù)更新周期長(zhǎng)（5-10年）軟件是關(guān)鍵硬件是關(guān)鍵價(jià)格低價(jià)格昂貴開放靈活與計(jì)算機(jī)同步，可重復(fù)用和重1己置固定可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊儀器只可連接有線的設(shè)備自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)距離傳輸功能單一、操作不便1.4虛

6、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(jì)算機(jī)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)全數(shù)字化的采集、測(cè)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(yǔ) 言，如 Visual C+, VisualBasic, LabWindows/CVI 等；圖形化的編程語(yǔ)言，如 LabVIEW , HPVEE等，這

7、些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷升級(jí)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(cè)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(hào)的接收和發(fā)送都以 TCPAP方式進(jìn)行，這樣網(wǎng)絡(luò)化傳感器就作為 測(cè)控網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)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(cè)試儀器領(lǐng)域的里程碑，同時(shí)也為計(jì)量測(cè)試帶來了

8、嶄新的問題。傳感器調(diào)理器米集宕徉I/O口硬件圖2I/O驅(qū)動(dòng)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(guó)外發(fā)展情況國(guó)外虛擬儀器技術(shù)自上世紀(jì) 80年代由美國(guó)NI公司提出以來，一直成為發(fā) 達(dá)國(guó)家自動(dòng)測(cè)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用前沿。 近年來，世界各國(guó)的許多大型自動(dòng) 測(cè)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(tái)， 但最早和最具影響 力的還是NI公司的圖形化開發(fā)平臺(tái)LabVIEW （NI也推出了基丁 C語(yǔ)言模式的 Labwindows/CVI等交互式開發(fā)平臺(tái)）。虛擬儀器在國(guó)外已發(fā)展成為一種新的產(chǎn) 業(yè)。美國(guó)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(guó)2.2國(guó)內(nèi)

9、發(fā)展情況國(guó)內(nèi)虛擬儀器最早的研究也是從引進(jìn)消化 NI的產(chǎn)品開始。國(guó)家自然科學(xué)基 金委員會(huì)也曾將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機(jī)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(jī)，如 863項(xiàng)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(xiàng)成果表明我國(guó)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(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)虛擬儀器的發(fā)展取決于3個(gè)重要因素：計(jì)算機(jī)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。乂因?yàn)樘摂M儀器是基于微計(jì)算機(jī)的測(cè)試儀 器，因此必然與微計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展有密

10、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(jì)算機(jī)。同時(shí)，虛擬儀器是測(cè)試儀器，它乂帶有濃厚的測(cè)試儀器的特征。因此必須處理好以下幾項(xiàng)關(guān)鍵性的技 術(shù)：虛擬儀器的發(fā)展必須依賴于計(jì)算機(jī)的進(jìn)步和發(fā)展；必須借助各種硬件技術(shù)和強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)讓用戶可以放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，接受更新型、以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷改進(jìn)，使虛擬儀器的價(jià)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(jià)格，進(jìn)一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。 此外，新型筆記本電腦乂 把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大功能推向一個(gè)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(qiáng)和擴(kuò)大。3.1虛擬儀器在測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展， 將之應(yīng)用在測(cè)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(shí)間，可以隨時(shí)采集和 記錄從傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并對(duì)之進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、數(shù)字濾波、頻域分析等原理，因此 已經(jīng)在測(cè)控領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。其測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示:CompactDAQ 背板

12、計(jì)算機(jī)或便攜式筆記本USB 接口 <測(cè)控模塊彈上系統(tǒng)各單元圖3測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成3.2虛擬儀器在電力方面的應(yīng)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(jìn)行圖像的處理。也 便丁遠(yuǎn)端的實(shí)時(shí)監(jiān)控，便丁存儲(chǔ)。也可利用虛擬儀器強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)地區(qū)性質(zhì)的數(shù)據(jù)共享，或者直接組成一個(gè)地區(qū)性質(zhì)的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。虛擬儀器在電力方面 的一個(gè)實(shí)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(cè)方面的應(yīng)用在檢測(cè)技術(shù)引進(jìn)基丁 LabVIEW語(yǔ)言的虛擬儀器，利用虛擬儀器在信號(hào)處理 分析及顯示方面的強(qiáng)大功能，將許多檢測(cè)技術(shù)基本理論方

13、便地用圖形表達(dá)出來， 生動(dòng)地驗(yàn)證了信號(hào)描述、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)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(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)變成一組檢測(cè) 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(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)試 驗(yàn)中，也可用丁溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，圖5就是虛擬儀器溫度檢測(cè)的一個(gè)前面板， 該 面板通過一個(gè)模擬溫度計(jì)實(shí)時(shí)顯示溫度的大小，并接入一個(gè)布爾開關(guān)可以對(duì)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(cè)的一個(gè)前面板3

14、.4虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的應(yīng)用因?yàn)樘摂M儀器組建系統(tǒng)靈活、開放性好、生產(chǎn)維護(hù)和開發(fā)的成本低、性價(jià)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(shí)驗(yàn)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。 可基 丁PC機(jī)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示 意圖。信號(hào)有數(shù)據(jù)采集卡采集，通過計(jì)算機(jī)的PCI送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的虛 擬儀器各個(gè)功能模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析，顯示模塊將處理分析結(jié)果顯示到計(jì)算 機(jī)的屏幕上。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 6所示：圖6基丁 PC機(jī)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(shì)在丁用戶可自行定義

15、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)用丁電子測(cè)量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、 故障診斷、航天航空、機(jī)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(jì)算機(jī)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(guó)內(nèi)外儀器界正看中這塊大市場(chǎng)。測(cè)控儀器將會(huì)向高效、高速、 高精度和高可靠性以及自動(dòng)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(jìn)了電子技術(shù)的課堂和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中，教師普

16、遍反映實(shí)驗(yàn)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(fèi)較少的情況下，如果配置常規(guī)儀器、儀表，學(xué)校財(cái)力難 以支付，也不符合目前學(xué)校的實(shí)際。而且，隨著測(cè)試儀器的數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化的 發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)測(cè)試儀器漸漸有被取代的趨勢(shì)。如果運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，以微機(jī) 為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測(cè)試平臺(tái)，代替常規(guī)儀器、儀表，不但滿足電工電子實(shí)驗(yàn)教 學(xué)的需要，而且將這批微機(jī)可作為其他有關(guān)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)用機(jī)，大大提高了設(shè)備利用率，降低了實(shí)驗(yàn)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(dá)到逐步淘汰和取代傳統(tǒng)儀器的目的。 而電子 測(cè)試儀器的數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化是發(fā)展方向，是電子實(shí)驗(yàn)室的最佳選擇。此外，手持式、更輕便的小型化的嵌入式 PC（如