虛擬儀器及其應(yīng)用文獻(xiàn)

1、虛擬儀器及其應(yīng)用文獻(xiàn)綜述摘 要隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，虛擬儀器與人類生活的關(guān)系越來(lái)越緊密。虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通訊及圖形用戶界面顯示的軟件組成的測(cè)控系統(tǒng)，具有用戶定義測(cè)量功能、便于組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、系統(tǒng)組建時(shí)間短、便于擴(kuò)展等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量、監(jiān)控、工程處理、遠(yuǎn)程教育、報(bào)表生成技術(shù)等方面。關(guān)鍵詞：虛擬儀器，測(cè)試系統(tǒng)，特點(diǎn)，應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)引言從十九世紀(jì)初到二十世紀(jì)末，測(cè)量?jī)x器經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器這四個(gè)階段。相較于前面三代的測(cè)量?jī)x器，虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通訊及圖

2、形用戶界面顯示的軟件組成的測(cè)控系統(tǒng)，是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)1。計(jì)算機(jī)管理著虛擬儀器的硬軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。此外，還有基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線的各種主要用于完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能的測(cè)控功能硬件，如：利用PCI計(jì)算機(jī)總線的數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串口總線儀器等。虛擬儀器的軟件系統(tǒng)主要包括I/O接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)程序、儀器開(kāi)發(fā)軟件、應(yīng)用軟件。1 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成虛擬儀器由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，其中硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件；軟件系統(tǒng)從底層到頂層，包括三部分：VISA 庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)

3、用軟件，如圖1、2。圖1-1 虛擬儀器的基本構(gòu)成圖1-2 虛擬儀器的構(gòu)成框圖1.1 硬件構(gòu)成（1）計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。2（2）測(cè)試功能硬件通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等；再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換把數(shù)字控制量轉(zhuǎn)化成模擬控制量，送到執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)反饋控制，如數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及它們之間的任意組合。所涉及到的硬件接口模塊包括：插入式數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、串/并口、IEEE488接口(GPIB)卡、VXI控制器以及其它接口卡。1.2 軟件系統(tǒng)計(jì)

4、算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。虛擬儀器是一種主要靠軟件實(shí)現(xiàn)的儀器,軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵.因?yàn)樘摂M儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能,使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替。3-5（1）I/O 接口軟件 I/O 接口是系統(tǒng)正常工作不可或缺的重要一環(huán)，主要實(shí)現(xiàn)以下三方面的功能：1)速度的匹配；2)信息格式的變換，包括串并轉(zhuǎn)換，A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換等；3)提供主機(jī)和外設(shè)間數(shù)據(jù)所必需的狀態(tài)和控制信息。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件接口軟件驅(qū)動(dòng)化，已經(jīng)經(jīng)歷了 VISA 和 IVI 兩種

5、規(guī)范。（2）儀器驅(qū)動(dòng)程序 驅(qū)動(dòng)程序是一種將硬件與操作系統(tǒng)相互連接的軟件。 （3）儀器開(kāi)發(fā)軟件 儀器開(kāi)發(fā)軟件是設(shè)計(jì)虛擬儀器所必須的軟件工具。目前，存在兩類虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件：一類是通用開(kāi)發(fā)軟件，如VC+，VB等；另一類是專用開(kāi)發(fā)軟件，專門面向用戶的編程軟件，如 LabVIEW、Lab Windows/CVI、HP公司的VEE等。（4）應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)操作用戶，通過(guò)直觀友好的測(cè)控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能等，完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。應(yīng)用軟件應(yīng)完成3個(gè)主要功能：提供1個(gè)集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境,1個(gè)與儀器硬件的高級(jí)接口和1個(gè)圖形用戶接口。2 虛擬儀器發(fā)展前景及應(yīng)用2.1 發(fā)展

6、前景（1）虛擬儀器沿總線技術(shù)的發(fā)展過(guò)程有兩條：1. GPIB VXI PXI總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）；2. PC 插卡式 并口式 USB口 IEEE1394 eSATA（適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng)）。（2）網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的日益完善，高性能、高可靠性、低成本的網(wǎng)關(guān)、路由器、中繼器、網(wǎng)絡(luò)接口芯片等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的不斷進(jìn)步。通過(guò)虛擬儀器，用戶不僅能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)/控制過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且還可以在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)發(fā)布信息，同時(shí)監(jiān)控多個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)資源共享，增強(qiáng)了用戶的工作能力。 目前，國(guó)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的發(fā)展主要有三種模式:遠(yuǎn)程示教與監(jiān)測(cè)，仿真實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)程控制實(shí)測(cè)。2.2 應(yīng)用

7、虛擬儀器經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，其應(yīng)用涉及到與人們生活息息相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域，得到了國(guó)際上越來(lái)越多國(guó)家的重視。 （1）虛擬儀器在測(cè)量方面的應(yīng)用。其在測(cè)量方面不僅能提高精確度，降低成本，還能節(jié)省用戶的開(kāi)發(fā)時(shí)間，如在電力系統(tǒng)中對(duì)諧波的測(cè)量。（2）虛擬儀器在監(jiān)控方面的應(yīng)用。用虛擬儀器可以隨時(shí)采集和記錄從傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、數(shù)字濾波、頻域分析等處理，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。如可以利用采集卡和計(jì)算機(jī)通信對(duì)企業(yè)中水泵站進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。（3）虛擬儀器在工程處理中的應(yīng)用。在工程處理的每一個(gè)階段，虛擬儀器均能提供出色的服務(wù)：從研發(fā)、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)測(cè)試。比較典型的是基于LabVIEW的虛擬儀器，它集報(bào)警管理、歷史數(shù)據(jù)追蹤、安

8、全、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)I/O、企業(yè)內(nèi)部連網(wǎng)等功能于一身。在生產(chǎn)過(guò)程中，這些功能可以輕松地將多種工業(yè)設(shè)備集成在一起使用，減少傳統(tǒng)儀器設(shè)備的數(shù)目。（4）虛擬儀器在遠(yuǎn)程教育方面的應(yīng)用。由于虛擬儀器系統(tǒng)具有靈活、可重復(fù)利用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得教學(xué)方法也更加靈活了。如可利用虛擬儀器構(gòu)建基于CAN總線的傳感器虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室，為高校師生和研究人員提供一個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研平臺(tái)，同時(shí)通過(guò)PC與Internet互聯(lián)構(gòu)成真正意義上的遠(yuǎn)程共享從而構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)教學(xué)體系。（5）虛擬儀器報(bào)表生成技術(shù)的應(yīng)用。LabVIEW生成的計(jì)量檢定報(bào)表及訪問(wèn)Access測(cè)試信息數(shù)據(jù)庫(kù)可以方便快捷的完成出具記錄、鑒定報(bào)告這一任務(wù)。使得工程技術(shù)人員以一定

9、格式的報(bào)表形式輸出測(cè)試結(jié)果和測(cè)試信息更為方便結(jié)論經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱和學(xué)習(xí)基本上對(duì)虛擬儀器的硬件和軟件部分有了大致的了解。硬件部分包括計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)試功能硬件；軟件部分包括I/O 接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)程序、儀器開(kāi)發(fā)軟件、應(yīng)用軟件。虛擬儀器的專用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)在信號(hào)處理與分析算法方面提供了標(biāo)準(zhǔn)，為用戶提供了許多現(xiàn)成的控件，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需求快速構(gòu)建一個(gè)虛擬儀器應(yīng)用軟件，進(jìn)而完成實(shí)際測(cè)試任務(wù)。然而像LabVIEW 這些專用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)開(kāi)發(fā)虛擬儀器應(yīng)用軟件，不僅需要熟練掌握一門軟件編程語(yǔ)言，而且還需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)軟件工程方面的一些知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)或給出一種方法或一個(gè)模型。同時(shí)，根據(jù)所查文獻(xiàn)可知虛擬儀器一般具有的特點(diǎn)有：用戶定義測(cè)量功能、便于組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、減少了開(kāi)關(guān)和電纜、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、系統(tǒng)組建時(shí)間短、便于擴(kuò)展、測(cè)量速度高、有更好的測(cè)量準(zhǔn)確度和可重復(fù)性、技術(shù)更新快。參考文獻(xiàn)1 秦樹(shù)人.機(jī)械工程測(cè)試原理與技術(shù)M. 重慶大學(xué)出版社,2002,384409.2 崔紅梅.面向測(cè)試系統(tǒng)的虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究D.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.3 湯秀芬.虛擬儀器及其構(gòu)建技術(shù)J.計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2001,(1):2830.4 韓峰.虛擬儀器及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2000,17(3):7578.5 王承,何志偉,許東芹.虛擬