虚拟仪器技术的发展与展望

1、文章编号：aauubb 2 saav d aaaaaq虚拟仪器技术的发展与展望曹军义，刘曙光（西安工程科技学院，陕西 西安?aabc）摘要：虚拟仪器是电子测量技术和计算机测控的前沿技术，虚拟仪器将计算机采集测试分 析引入到电子测量领域，用数字化和软件技术极大地提高了测试的灵活性和可扩充性。介 绍了虚拟仪器的发展、构成和应用，并对虚拟仪器技术的发展作出展望和预测。 关键词：虚拟仪器；o3, 仪器；,o, 技术；!#p 组件技术中图分类号：wsx文献标志码：#$%$&()$*+ ,*- ./0($1+ 2 34/+5,& 6*0+/5)$*+,& 7$18*&9:!# $%&()* +,- ./%

2、0%1&02 3) 4 1& ,&56)6%67 89 .:)7&:7 1&; ) ?aabc* !/)&1 d;0+/,1+= )l)=)6( 1&; 7i1&5)l)=)6( 89 g715%f7g7&6j /7 ;7e7=8ig7&6，07&7f1= :8&56f%:6)8& 1&; 1ii=):16)8&5 89 e)f6%1= )&56f%g7&65 1f7 if757&67;j$: ?/-0= e)f6%1= )&56f%g7&65n o3, )&56f%g7&6n ,o, 67:/&8=80(n !#p :8gi8&7&6 67:/&8=80(!引言虚拟仪器（o)f6%1= ,&

3、56f%g7&65，简称 o,）技术发 展非常迅速，是目前国内外测试技术和仪器制造界 十分关注的热门话题。所谓虚拟仪器，就是在通用计 算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器 的测试功能，其实质是将传统仪器硬件与最新计算 机软件技术充分结合起来，以实现并扩展传统仪器 的功能。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、 处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显 的技术优势，有许多传统仪器无法比拟的优点（见表），使得虚拟仪器的应用领域非常广泛。据估计，s世纪初我国将有 qat 的仪器为虚拟仪器。虚拟仪器的发展历程伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的收稿日期：saas y au y ax

4、表 ! 虚拟仪器和传统仪器的比较 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（aj q r 1）技术更新周期长（q r a 1） 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，固定 可重复用和重配置可用网络联络周边各仪器只可连接有限设备 自动化、智能化，远距离传送功能单一，操作不便迅速发展及其在电工电子测量技术的应用，测量仪 器不断进步，依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚 拟仪器，同时也由单台仪器逐步发展到叠加式仪器 系统、虚拟仪器系统等等。传统仪器的三大功能块，即数据的采集与控制、 数据的分析与处理、结果的输出与显示，均以硬件形作者简介：曹军义（

5、u?），男，硕士研究生，主要从事测控技术与仪器的研究工作；刘曙光（uxv），男，教授，西安工程 科技学院机电教研室主任，中国电子工程学会高级会员中，国机械工程学会高级会员，西安工程科技学院学 报编委，学院学科带头人。式存在，开发、维护的费用高，技术更新周期长。即 便是后来出现的数字化仪器、智能仪器，使传统仪器 的准确度提高、功能增强，仍未改变传统仪器那种独 立使用、手动操作、任务单一的模式。为此，总线式 仪器和系统应运而生。人们研制出多种通信接口， 用于将多台智能仪器连在一起，构成功能更强、适应 面更广的测试系统，这种总线式仪器中仍有许多重 复的部件或功能单元。将仪器所需的键盘、!# 和 存储

6、器等借助于 $! 资源，构成微机化仪器，简称 $! 仪器。与总线式仪器系统相比，$! 仪器的硬件大为 减少。为使微机化仪器的硬件和软件标准化，提高微 机化仪器系统的互用性，人们开发出了 %& 总线仪 器。%& 总线是将高速计算机总线 %()*+, 技术用 于仪器领域经扩展而形成的。%& 仪器的标准基于 开放原则，又具有定时与同步精确，模块可重复利 用，传送数据快的优点，很快便得到了广泛应用。尤 其在组建中大规模测试系统以及对速度、准确度要 求较高的场合，%& 总线仪器有着其他仪器无法比 拟的优势。微机化仪器和 %& 仪器是两种典型的虚拟仪 器，都是基于计算机进行数字化动静态测试分析的： 用计算

7、机的 !# 模拟各种仪器的控制面板，以多种 形式表达输出结果；以计算机软件实现各种各样的 数据分析、处理，完成各种测试。其中几项关键技术 如微机的精度、速度，- . / 转换的精度、速度，内存、 硬盘的存储量和速度，$! 与 - . / 的价格问题等都 已解决，加上各种功能的专用软件迅速发展，迅速地 在国内外掀起了虚拟仪器热。% 技术的开发和应用源于 0123 年美国 4 公 司设计的 5-*%)6。这是一种基于图形的开发、调 试和程序的集成开发环境，实现了 % 的概念。4 又 提出了 “软件就是仪器7 （#89 ,:;?9 , 89 a,?+b c9a -no+,b -no+,:a qar?

8、rp 简 称 l/-q）d j e 。该标准的最终目标是使各个不同厂家 生产的 $! 机数据采集软件、硬件具有广泛的互换 性。与 l/-q 相关的其中一个标准是可互换的虚拟 仪器设备 （aas9tu9 %?u a,?+c9aw 技术上发展起来的一 项新技术，可使你在不改动软件的情况下更换测试 系统中的仪器，也就是说，% 示波器驱动程序通用 于所有的 % 兼容示波器，而无需考虑生产厂商或 测试平台。%& 仪器新近又出现了模块中再分模块的构建 方案，即在原有的一个模块插槽上，安装若干个小型 化模块，从而更有效地利用模块空间，并进一步提高 了仪器组建的灵活性。近两年，构成虚拟仪器系统 的软、硬件技术

9、又有新的发展，尤其是传感器技术、 采集卡技术、软件平台技术发展迅速。例如：) 0g1i x %& 外置控制器接口具有高数据传输速率 （最高为 iyy (t . ,）、成本低的优势 d g e ；z$*b 通用串行 总线（q*）控制器也为仪器控制提供增强性能。! 虚拟仪器系统虚拟仪器充分利用当代先进的科技产品和技 术，如总线技术、模块化数据采集调理电路、高速数 据传输技术、-n9& 技术等，其基本构成框图如图 0 所示d i e 。硬件是虚拟仪器工作的基础，其主要功能是完 成对被测信号的采集、传输和显示输出结果。硬件 主要由计算机、传感器和信号采集调理模块组成，高 性能的 - . / 和 / .

10、 - 转换器可获得高的采样精度和 频率，并实现多路采集无时差、无相移，同步进行，高 质量的抗混滤波调制电路又为仪器测试打下基础。先进的计算机技术保证了对信号进行实时高效的处 理。信号采集调理模块主要有 !#$ 仪器模块、%($%#+ 和 = 公司的 %+ 等软件，国内也有 部分单位正在进行虚拟仪器软件开发平台的研发。;($%#+ 和 %+ 等都是基于图形开发、调试和运 行程序的集成化开发环境，是最早借助于虚拟软面 板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计 系统之一，也是目前国际上唯一的编译型图形化编 程语言。其中，;($%#+ 1 ?/? 库、%#( 库以及% lii7m3j 以及使数据可

11、以在任何 neo 浏览器上查 阅达到共享的工具包 #djehdej lii7m3j。 虚拟仪器的应用虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，用户可以定义 其结构和功能，构建灵活，转变容易，因此它在各个 领域都得到广泛的应用。国内单位和院校正加紧步 伐研究和开发自己的虚拟仪器系统) 中国国防科技 大学进行了虚拟数字示波器的设计研究 p q r ，其结果 与 = 公司的双通道台式数字存储示波器 =q-st/$ 相比，增加了以下功能：增加了频域分析功能；充 分利用计算机的存储与外设连接的能力，测量结果 和波形直接打印输出；提供了网络接口，允许通过 l, # 协议进行远程控制和数据共享；软件模块可 修改或增加形成

12、新的功能；硬件具有开放性，可升级 硬件以提高其性能。另外，还开发了基于虚拟仪器的637( 测控系统 p s r ，637(（轨道合成孔径雷达） 是一套非常复杂的成像雷达系统，也是一个自动化 程度很高的测量系统，系统结构如图 ? 所示。目前，常用的软件开发技术有面向对象的编程 技术和图形化编程技术。使用面向对象的编程语言 如：%34567 , 8 8 ，%34567 $6439，对普通计算机用户而系统中，步进电机实现雷达平台的步进运动，数 字存储示波器完成雷达回波的数据录取，经纬仪跟 踪测量雷达天线的三维坐标。系统吸收了虚拟仪器的优点，用软件完成系统补偿、距离向脉冲压缩、运 动补偿和方位向脉冲压

13、缩或成像等复杂的数据处理 算法，利用了计算机接口的强大控制功能：!#$ 接 口控制示波器、计算机的并口控制步进电机、串口控 制经纬仪。东方振动和噪声技术研究所研制成了 #%& ( ) (* 智能信号自动采集处理分析仪系统，并推出 了 +,-（./0/ /1234540467 8 5497/: ; ? ；清华大学利用虚拟仪器技术 构建汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前 的自动检测 a 。美国的 !=6b/0415 公司和 !6:.5b40c 公司等利用虚拟仪器开发工具，研制开发了农业自 动化灌溉系统和秧苗分析系统。虚拟仪器已在超大 规模集成电路测试，现代家用电器测试以及军事、航 天、工厂测

14、试等领域得到应用。! 虚拟仪器技术的发展展望随着计算机软硬件技术、通信技术以及网络技 术的飞速发展，给虚拟仪器技术的发展提供了广阔 的天地，国内外仪器界正看中这块大市场。国内的 单位和开发机构，一方面应看到目前我国高档台式 仪器如频谱分析仪、数字示波器、逻辑分析仪等还主 要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要 求高，生产突破有困难，采用虚拟仪器技术可以仅使 用必要的数据采集硬件来设计自己的仪器系统。另 一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法 应用于虚拟仪器的设计，提供传统台式仪器所不具 备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能 集成的仪器设计。可以看出，虚拟仪器的开发给我 国

15、仪器界提供了千载难逢的发展良机。d e f 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。通用虚拟仪 器 #4888 ? a b9 c bb1! d # 应怀樵 1 虚拟仪器与计算机采集测试分析仪器的发展和展望! = # 1 测控技术 9eee ? f a g c h1! g # 胡国清，等 1 未来的仪器仪表虚拟仪器 ! = # 1 国外电子测 量技术，9eee ? g a 8 c 9e1! b # 杨乐平，等 1 虚拟数字示波器的设计与实现 ! = # 1 电子技术应 用 9eee ? i ：9f c de1! h # 朱国富，等 1 基于虚拟仪器的 j%* 9

16、eee ? ：db c dh1! i # 杨昌棋，等 1 基于 kkl 的虚拟实时噪声倍频程分析仪 ! = # 1 测 控技术 9eee ? 8 a 9b c 9i1! f # 林正盛 1 虚拟仪器技术及其发展 ! = # 1 现代计量测试，88i? g a e c b1! 8 # 王春花，马聪，等 1 一种基于 kmn4 技术的虚拟逻辑分析仪的 研究与实现 ! = # 1 电子技术应用 9eee ? d a d8 c g91! e # =0oo p0-1 +)o)0() q , l-5(-0 l%rs*0, ; 8881!创意与实践一种电接点移动的液位仪闫秀利? 抚顺石油化工研究院 科研条件

17、部，辽宁 抚顺 dee 摘要：介绍了一种采用电接点移动方式，测量具有搅拌器容器，介质具有导电性、固液两相、强腐蚀、易结晶液体液位 的仪器。关键词：电接点移动；测量液位 中图分类号：lm9h u 1 原料配制是石油化工等行业普遍采用的生产环 节，原料往往具有固液两相、导电、强腐蚀、易结晶等 特点，电接点移动的液位仪主要由电接点、导杆、电 机、转换控制电路和显示电路组成（见图 ）。工作过 程如下： 电接点；9 导杆；d 电机；g 下限位开关；b 上限位开关；h 转换控制电路；i 显示电路；f 容器图 ! 电接点移动的液位仪结构示意图电接点固定在导杆下端，导杆上的齿条与电机 轴上的齿轮啮合，电机带动导杆上下移动，导杆上设 置有下限位开关和上限位开关。平时电接点不接触 液面，需要测量液位时，按动开关启动电机，导杆下 行直至电接点接触液面产生短路，此信号一方面经 转换控制电路使电机产生反转，导杆上行