虚拟仪器的发展及应用

1、虚拟仪器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引言由丁微电子技术、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，虚拟仪器是基丁通用 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

2、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，而科学技术的发展乂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； 以数字电子技术为基础，弓I入了锁相技术、频率

3、合成技术、数字取样技术等的数字化仪表阶段； 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乂一次飞跃，它真正实现了图1传统仪器仪表的发展进程高速度、高准确度、多参数和多功能的测试，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丁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

4、述不同阶段的仪器仪表技术，还同届丁具有一定的物理形 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

5、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1己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

6、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 Visual C+, VisualBasic, LabWindows/CVI 等；图形化的编程语言，如 LabVIEW , HPVEE等，这

7、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

8、崭新的问题。传感器调理器米集宕徉I/O口硬件图2I/O驱动面板算法h.虚 拟 仪 器软件图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也推出了基丁 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2.2国内

9、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。乂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

10、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，它乂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

11、 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，新型笔记本电脑乂 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:CompactDAQ 背板

12、计算机或便携式笔记本USB 接口 <测控模块弹上系统各单元图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丁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 便丁远端的实时监控，便丁存储。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 的一个实例基丁 RS-232申口的虚拟仪器，该系统的硬件框图如图 4所示：图4基丁 RS-232申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丁 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

13、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，用丁数据/图像采集、控制与模拟。可用丁光电信息和计算机检测技术试 验中，也可用丁温度检测系统中，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。Fie £d» rjer ate Tocfc cmtsg winds.tietiB-?.e- 胸审Lu- Qy*iijAppletfcr Font图5虚拟仪器温度检测的一个前面板3

14、.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 丁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基丁 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，其优势在丁用户可自行定义

15、仪器的功能和结 构等，且构建容易、转换灵活，它已广泛应用丁电子测量、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、 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

16、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