虚拟仪器的发展及应用

虚拟仪器的发展及应用摘要：虚拟仪器在各个领域中的应用越来越广泛，主要介绍虚拟仪器的发展过程，虚拟仪器的软件与硬件的基本构成原理，并介绍了一些虚拟仪器的应用。通过介绍，可以断定虚拟仪器有广泛的应用前景，是今后一段时间的发展方向。关键词：虚拟仪器；测试；采集硬件；算法软件0引言由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子工业测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断涌现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念。虚拟仪器就是其中的一种，虚拟仪器是基于通用PC建立的可编程仪器及仪器系统，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。在虚拟仪器中，硬件仅仅是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个仪器的关键。用户可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。现在虚拟仪器已得到了广泛应用，并成为当前国内外测试技术领域十分关注的技术热点。1测量技术的发展过程1.1传统测试仪器仪表的发展历程测量仪器是科学技术发展的基础，而科学技术的发展又推动着测量仪器的发展进程。测量仪器仪表技术发展至今，主要经历了以下几个阶段：(1)以电磁技术为基础的指针式仪表阶段；(2)以模拟电子技术为基础的模拟式仪表阶段；(3)以数字电子技术为基础，引入了锁相技术、频率合成技术、数字取样技术等的数字化仪表阶段；(4)以大规模、超大规模集成电路为基础的智能化仪器仪表阶段。这一阶段是电子仪器领域取得重大发展的标志性联阶段，在一定时期内曾开创了现代电子测量、测试技术的先河；(5)以电子测量技术、自动控制技术和计算机技术的发展相融合为基础的自动测试系统阶段。这是电子测量技术的又一次飞跃，它真正实现了高速度、高准确度、多参数和多功能的图1传统仪器仪表的发展进程电磁指针式仪表模拟指针式仪表模拟指针式及数字指针式电子仪表智能化电子仪器仪表多功能自动测试系统虚拟仪器测试，甚至在一定程度上实现了不同地域上的网络化测试功能。自动测试系统阶段是基于传统仪器仪表技术的测量测试技术发展的高级阶段，它是当今科学技术高度发展的必然结果，同时也为科学技术的进一步发展提供了基础性的保障。上述不同阶段的仪器仪表技术，还同属于具有一定的物理形态、主要靠自身硬件来实现其功能的仪器仪表，即传统观念上的具有物理实体的仪器仪表，其共同特征为都是不脱离物质基础的实体仪器，也具有形状规格、功能特性不易更改和消耗物质资源等共同的物质特征。上述传统仪器仪表的发展进程，可用图1表示。图中最后一个发展阶段就是指虚拟仪器发展阶段。它的出现为仪器技术的发展创造了一种新的理念，会成为人类的测试技术的发展主方向。1.2虚拟仪器概念所谓的虚拟仪器就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义的具有虚拟面板，其测试功能由测试软件来实现的一种计算机系统。虚拟仪器的实质是利用计算机的显示器模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计算机的软件实现信号的数据运算、分析、处理；利用I/O接口设备完成信号的采集、调理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板就如同使用一台专用的测量仪器。1.3虚拟仪器与传统仪器的区别虚拟仪器与传统仪器的区别如表1所示：表1虚拟仪器与传统仪器的区别虚拟仪器传统仪器开发和维护费用低开发和维护费用高技术更新周期短（0.5-1年）技术更新周期长（5-10年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定可用网络联络周边仪器只可连接有线的设备自动化、智能化、远距离传输功能单一、操作不便1.4虚拟仪器的结构虚拟仪器可以概括为：采集硬件+显示面板+算法软件如图2为虚拟仪器组成图虚拟仪器根据I/O采集设备采用总线方式的不同，硬件可分为PC总线插卡型、并行口式、GPIB总线方式，VXI总线方式、PXI总线方式，LXI总线方式六种类型，但无论采用哪种类型的虚拟仪器系统，都是通过应用软件将硬件设备搭载到计算机平台上，实现计算机全数字化的采集、测试和分析。而开发虚拟仪器离不开合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有两类：文本式编程语言，如VisualC++，VisualBasic，LabWindows/CVI等；图形化的编程语言，如LabVIEW，HPVEE等，这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便与良好的开发环境。随着计算机技术、传感器技术、微电子技术的不断升级和网络技术的成熟化，虚拟仪器技术正以前所未有的速度拓展着仪器测试的空间。近年来涌现出了大量的网络化传感器，这种传感器在智能传感器的基础上把TCPAP协议嵌人到ROM中，从而使信号的接收和发送都以TCPAP方式进行，这样网络化传感器就作为测控网络上的一个节点登陆网络配以虚拟仪器中的。Net技术或者DataSocket技术，可以方便的实现远程测试。概括来说，虚拟仪器技术是目前主流技术的集大成者，虚拟仪器技术的应用开拓了测试仪器领域的里程碑，同时也为计量测试带来了崭新的问题。图2图2虚拟仪器的组成2虚拟仪器的发展现状2.1国外发展情况国外虚拟仪器技术自上世纪80年代由美国NI公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发平台，但最早和最具影响力的还是NI公司的图形化开发平台LabVIEW（NI也推出了基于C语言模式的Labwindows/CVI等交互式开发平台）。虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。美国是虚拟仪器的诞生地，目前也是全球最大的虚拟仪器制造国。传感器调理器采集器I/O口I/O驱动面板算法虚拟仪器硬件软件2.2国内发展情况国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化NI的产品开始。国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，列入为“十五”期间优先资助领域。目前有些研究已取得可喜成绩，如863项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”，所研制的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的技术。这项成果表明我国在虚拟仪器方面走出一条自主创新的路子。2.3虚拟仪器发展过程中要处理好的几项关键性技术虚拟仪器的发展取决于3个重要因素：计算机是载体，软件是核心，高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。又因为虚拟仪器是基于微计算机的测试仪器，因此必然与微计算机相关技术的进展有密切的关系，操作虚拟仪器就是通过良好的界面环境操作带有虚拟仪器功能设备的通用计算机。同时，虚拟仪器是测试仪器，它又带有浓厚的测试仪器的特征。因此必须处理好以下几项关键性的技术：虚拟仪器的发展必须依赖于计算机的进步和发展；必须借助各种硬件技术和强大的软件资源；必须制定开放式的虚拟仪器I/O总线标准。3虚拟仪器的应用随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中，它已成为传统仪器的主要替代方式。而虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用。此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。3.1虚拟仪器在测控系统方面中的应用虚拟仪器系统开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展，将之应用在测控方面可以提高精确度，降低成本，并大大节省用户的开发时间，可以随时采集和记录从传感器传来的数据，并对之进行统计、数字滤波、频域分析等原理，因此已经在测控领域得到广泛的应用。其测控系统的硬件组成如图3所示：图3测控系统的硬件组成3.2虚拟仪器在电力方面的应用由于虚拟仪器具有灵活的图形用户接口，可以更精确地进行图像的处理。也便于远端的实时监控，便于存储。也可利用虚拟仪器强大的网络功能，实现地区性质的数据共享，或者直接组成一个地区性质的测量网络。虚拟仪器在电力方面的一个实例——基于RS-232串口的虚拟仪器，该系统的硬件框图如图4所示：图4基于RS-232串口的虚拟仪器硬件框图3.3虚拟仪器在检测方面的应用在检测技术引进基于LabVIEW语言的虚拟仪器，利用虚拟仪器在信号处理分析及显示方面的强大功能，将许多检测技术基本理论方便地用图形表达出来，生动地验证了信号描述、信号调理、信号处理分析等方面的有关理论。也可利用虚拟仪器开发工具开发专用虚拟仪器系统，可以把一台个人计算机变成一组检测仪器，用于数据/图像采集、控制与模拟。可用于光电信息和计算机检测技术试验中，也可用于温度检测系统中，图5就是虚拟仪器温度检测的一个前面板，该面板通过一个模拟温度计实时显示温度的大小，并接入一个布尔开关可以对采集过程加以控制。打印机工业PC基于RS-232规范变送器蓄电池组蓄电池组变送器蓄电池组蓄电池组变送器变送器前置机直流屏……计算机或便携式笔记本CompactDAQ背板测控模块弹上系统各单元USB接口图5虚拟仪器温度检测的一个前面板3.4虚拟仪器在实验教学方面的应用因为虚拟仪器组建系统灵活、开放性好、生产维护和开发的成本低、性价比高等。现在，随着虚拟仪器系统的广泛应用，越来越多的教学部门也开始用它来建立实验教学系统，不仅大大节省开支，而且使得教学方法也更加灵活了。可基于PC机的虚拟仪器为例，图6是一套带有数据采集卡的虚拟仪器的机构结构示意图。信号有数据采集卡采集，通过计算机的PCI送入计算机，计算机内部的虚拟仪器各个功能模块对信号进行处理分析，显示模块将处理分析结果显示到计算机的屏幕上。其结构示意图如图6所示：图6基于PC机的虚拟仪器结构4虚拟仪器的展望虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活，它已广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、机械建筑工程、铁路交通、生物医疗、教学及科研等方面。随着计算机软硬件技术、通信技术及网络技术的发展，给虚拟仪器的发展提供了广阔的天地，国内外仪器界正看中这块大市场。测控仪器将会向高效、高速、虚拟仪器功能模块FFT分析小波分析时频分析虚拟仪器显示模块数据采集卡实验对象…高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展。开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。虚拟仪器作为教学的新手段，已慢慢地走进了电子技术的课堂和实验室，正在改变着电子技术教学的传统模式，这也是现代教育技术发展的必然。在电工电子实验室的建设中，教师普遍反映实验室常规设备有的已经老化，有的技术上有些落后，在当前学校经费较少的情况下，如果配置常规仪器、仪表，学校财力难以支付，也不符合目前学校的实际。而且，随着测试仪器的数字化、计算机化的发展趋势，传统测试仪器渐渐有被取代的趋势。如果运用虚拟仪器技术，以微机为基础，构建集成化测试平台，代替常规仪器、仪表，不但满足电工电子实验教学的需要，而且将这批微机可作为其他有关计算机课程教学用机，大大提高了设备利用率，降低了实验室建没的成本。当前应该解决的是如何使虚拟仪器和现有仪器配合，挖掘现有仪器的潜力，达到逐步淘汰和取代传统仪器的目的。而电子测试仪器的数字化、计算机化是发展方向，是电子实验室的最佳选择。此外，手持式、更轻便的小型化的嵌入式PC(如PCI04)及掌上电脑与DSP、AD/DA、LED、调理放大、电子盘加软件组合的一体机也是一个未来发展方向，它使虚拟仪器更方便地深入到测试现场。5结束语虚拟仪器的崛起是测试仪器技术的一次“革命”，是仪器领域的一个新的里程碑，它使现代测控系统更灵活、更紧凑、更经济、功能更强。无论是测量、测试、计量或是工业过程控制和分析处理，还是涉及其它更为广泛的测控领域，选用虚拟仪器都是理想的解决方案。随着电子技术、计算机技术、网络技术等相关技术的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。