虚拟仪器的发展

1、虚拟仪器的发展及应用0,关于虚拟仪器的引言测量技术的发展过程1.1传统测试仪器仪表的发展历程1.2虚拟仪器概念1.3虚拟仪器与传统仪器的区别虚拟仪器的发展现状2.1国外发展情况2.2国内发展情况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应用虚拟仪器的展望与传统仪器的区别虚拟仪器技术具有四大优势7.1性能高7.2扩展性强7.3开发时间少LabVIEW的发展和应用LabView优缺点结束语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

2、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：以电磁技术为基础的

3、指针式仪表阶段；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，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；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；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

4、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 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

5、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

6、有线的设备自动化、智能化、远距离传输功能单一、操作不便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。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，

7、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。

8、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

9、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。以一个基于虚拟仪器的温度校准系统为例，来解析 LAB VIEW软件的应用。与常规的温度校准系统不同，虚拟仪器系统的核心是一台计算机，它的功能硬件 一台带有GPIB接口的高精度数字多用表和一台温度调节器。加热控制顺路是强电的 可控硅元件及触发电路，它接收温度调节器的指令信号去调节检定炉中加热元件的 电压值。如果增加电子自动切换开关，可实现同炉中多支热电偶温度计的自动校准 工作。虚拟仪器的软件采用Lab VIEW，它采用数据流程的图形化C语言编程技术， 把复杂费时的软件编程

10、简化为菜单提示和图标连接调用，虚拟仪器要完成的工作是:检定炉的温度场所控制与校准平衡点的确认。计算机通过与数字多用表和温度调 节器的数据通信，接收温度场信号，输出控制指令，按不同的要求在显示屏上的用 户界面中设定恒温控制给定值、超限报警值等，并对平衡温度点的稳定判据给出指 标。计算机则按一定的调节规律和判别算式进行工作。在温度平衡点，通过电子自 动切换开关和数字多用表采集有效的温度数据。计算计算机通过总线取得这些数据 并进行前置处理，即去除数据中的具有疏忽误差和系统误差的数值。实时显示控温 曲线和校准比对曲线。对有效数据进行计算和不确定度的评定，最后输出检定报告。 所有的原始数据和最后结果都输

11、入数据库中加以存储。基于虚拟仪器的温度校准系 统完全能满足在温度校准实验室中对不同温度计使用不同标准设备进行校准检定的 要求。它利用一套硬件设备，使用不同的软件就可以满足各种温度和各个温度段对 校准的要求，并具有高精度、高效率和全自动的特点，它是现代温度计量室校验设 备发展的方向。4.虚拟仪器的展望加快制定虚拟仪器国家标准，保护虚拟仪器知识产权 家电行业和通讯行业曾 经遭遇过的验教训告诉我们，产品的知识产权是决定产品市场竞争力的最关键因素. 为了应对加入WTO后我国虚拟仪器领域面临的国外竞争压力，我国应当根据国内已 有的技术力量和研究基础，尽快自行制定有关虚拟仪器行业的国家标准和相关的产 业政

12、策，保护自主的虚拟仪器知识产权高性能数字信号处理芯片将加速虚拟仪器的发展大规模可编程逻辑器件和 数字信号处理器技术的快速发展和芯片成本的降低，不仅可以提高信号采集和处理 的速度，也将缩短虚拟仪器系统的开发时间、提高系统的扩展性.例如，美国XiLinx 公司的现场可编程逻辑器件(FPGA),将现代VLSI逻辑集成的优点和可编程器件设计 灵活、制作及上市快速的长处相结合，使设计者在现场直接根据系统要求定义和修改 逻辑功能.总之，高性能数字信号处理芯片必将加速其在虚拟仪器系统的应用.智能化软件开发平台是虚拟仪器一个重要的发展方向尽管目前虚拟仪器的 研究已取得许多重大进展，但现在的虚拟仪器体系仍存在以

13、下问题:(1)仪器开发严 重依赖经验.调查表明，虚拟仪器一般都是用户根据自己的实际需要由自己开发完成 的.但普通的虚拟仪器用户中，同时具有软件设计经验和仪器专业知识的十分有限. 因此,对普通的用户来说，自我开发虚拟仪器还具有比较大的难度；(2)仪器设计的效 率低.在现行的虚拟仪器设计中，尽管OO、ActiveX、COM技术的广泛采用在一定程度 上提高了软件的重用性，但设计时仍需要编写大量代码才能把这些部件联接成一个 完整的系统；（3 ）仪器的可扩展性和可重构性差.用户若需要改变仪器的某些功能，必 须要通过开发平台在代码层次上重新修改、编译才能实现.因此，采用人工智能技术 提高虚拟仪器软件系统的

14、可重构能力，降低虚拟仪器的设计难度，真正实现用户自己 定义仪器的目标，是虚拟仪器研究中亟待解决的一项重要工作.虚拟仪器的软件开发平台软件是虚拟仪器的核心，而目前软件开发平台主有以下几种：美国国家仪器公 司（NI）的LAB VIEW，LAB WINDOWS/CVI，HP公司的VEE等。虚拟仪器完全符合国际 上流行的“硬件软件化”的趋势，因而也被称为“软件仪器”NI公司不仅能向用户 提供构成虚拟仪器系统的各种硬件如数据采集板卡、各种GPIB仪器和VXI仪器产品， 而且还可提供一种编译型图形化编程软件LAB VIEW。它把复杂、繁琐的语言编程简 化用菜单或图标提示的方法进行图形功能的选择，然后用线条

15、把功能图连接起来即 可完成编程工作。具有C语言编程经验的用户可以使用NI公司另一种虚拟仪器软件 开发平台语言LAB WINDOWS/CVI，使用它可以简化程序开发，提高编程速度。在虚拟 仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出，软件才是整个系统的关键系 统所有的功能主要是由软件来实现的，任何一个用户都可以用修改软件的方法很方 便地改变、增减系统的功能与规模，构筑自己需要的通用的或有特色的测试平台。与传统仪器的区别虚拟仪器与传统仪器的区别在于，传统仪器功能单一，并由制造厂定义，因此它 系统封闭、功能固定、扩展性低，由于信息量少，因此一般都是人工读数、手工生 成测试报告。而虚拟仪器则相反，它

16、的功能完全可由用户自己编程加以定义和组态， 并形成适合用户需要的专用测试系统。此外它还可以实现多媒体操作符指令；时 间记和测量注释；测量关联和趋势分析等多种功能，最重要的是它可以实现可编程 全自动测试和结果自动分析等功能。在性能价格比方面它也具有优势。虚拟仪器可 以广泛应用于工程测量、物矿勘探、生物医学、振动分析和故障诊断等科研和工程 领域，目前在过程工业中大量使用的计算机监控系统等也可以认为是虚拟仪器。IK?IllfV H它计说机硬件7.虚拟仪器技术具有三大优势：一、性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承” 了以现成即 用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功

17、能超卓的处理器和文件I/O, 使 您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特 网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。二、扩展性强NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于NI软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极 少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您 可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。三、开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方 面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就

18、是为了方便用户的操作， 同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高 性能、低成本的测量和控制解决方案。与传统仪器技术相比，虚拟仪器技术最大的 优势是它直接通过微机为支撑。虚拟仪器技术已成为测试、工业I/O和控制和产品 设计的主流技术，随着虚拟仪器技术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。随着PC、半导体和软件功能的进一步更新， 未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师 们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性。可以肯定，虚拟仪器技术必将与计算 机技术同步发展。8.LabVIEW的发展和应用信息技

19、术的高速发展改变了人们的家居理念，建立一个高效、低成本的智能家 居环境已成为人们关注的焦点。以图形化软件LabVIEW 2012为开发平台，选用NI USB-6009数据采集卡、SIM300 GSM模块和USB摄像头，设计了一种智能家居监控系 统。系统实现了对家居室内温度、湿度、光照度、燃气烟雾和安防状态等环境参数 的实时监控及远程GSM短信息报警，该系统运行可靠，人机界面友好，易于操作， 可扩展性强，且测试成本低。随着测控技术和网络通信技术的高速发展及人们家居理念的变化与提升，现代 社会家庭成员已把追求数字家庭智能化带来的多元信息安全、舒适便利的生活环境 作为理想目标。因此，如何建立一个高效率、低成本、易扩展的智能家居系统已成 为人关注的焦点。虚拟仪器强调“软件就是仪器”的新概念，它是在计算机为核心 的硬件平台上，配以相应测试功能硬件作为I/O接口，利用仪器软件由用户自己定 义、设计测试功能的一种计算机仪器系统，虚拟仪器具有数据采集、数据分析处理、 结果输出显示三大基本功能。LabVIEW是NI公司的虚拟