虛擬儀器概述

彭先進(jìn)

摘 要 本文從虛擬儀器的起源、發(fā)展入手，介紹了虛擬儀器的功能，比較了虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的不同，簡(jiǎn)單的介紹了虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)。本文還從市場(chǎng)出發(fā)對(duì)虛擬儀器的配置做了具體闡述。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器 設(shè)計(jì) 配置

儀器是人類認(rèn)識(shí)世界的基本工具。隨著信息時(shí)代的來臨，傳統(tǒng)儀器已不能滿足科技以及社會(huì)生產(chǎn)的需要。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，這就是所謂的虛擬儀器（virtualinstruments）。它通過充分利用計(jì)算機(jī)資源，配以獨(dú)特設(shè)計(jì)的軟硬件，來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的全部功能和一些在傳統(tǒng)儀器上無法實(shí)現(xiàn)的功能。

一、儀器的發(fā)展

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，儀器的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)期：

1、第一代儀器：模擬儀器。如指針式萬用表、晶體管電壓表，它們均采用模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)，用指針顯示測(cè)量結(jié)果。

2、第二代儀器：數(shù)字化儀器。如數(shù)字電壓表、頻率計(jì)等?？蓪⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果以數(shù)字方式輸出。

3、第三代儀器：智能儀器。智能儀器內(nèi)置微處理器，能自動(dòng)測(cè)量，具有一定的數(shù)據(jù)處理能力。

4、第四代儀器：虛擬儀器。是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。

二、虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較

獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器，如示波器和波形發(fā)生器等，雖性能強(qiáng)大，但價(jià)格昂貴，且功能被廠家限定，只能完成特定的工作，用戶通常都不能夠?qū)ζ浼右詳U(kuò)展或自定義其他功能。開發(fā)這些儀器還要用專門的技術(shù)和高成本的元部件，使它們身價(jià)高也不容易更新。我們把虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器進(jìn)行了比較，比較結(jié)果如表1所示。

表1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較

從表1中可見，傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器最重要的區(qū)別在于：虛擬儀器的功能由用戶使用時(shí)自己定義，而傳統(tǒng)儀器的功能是由廠商事先定義。從這一意義上講，那些功能固定的插卡式計(jì)算機(jī)儀器不能稱作虛擬儀器。目前作為計(jì)算機(jī)化儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向是制定了VXI標(biāo)準(zhǔn)，這是一種插卡式的儀器，每一種儀器是一個(gè)插卡，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的VXI機(jī)箱，再與計(jì)算機(jī)相連，就組成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。

三、虛擬儀器設(shè)計(jì)方案

下面的框圖1反映了常見的虛擬儀器設(shè)計(jì)方案。

圖1 虛擬儀器方案

圖2是常見的虛擬儀器總框圖，其中硬件部分為DAQ板卡，軟件部分包括儀器驅(qū)動(dòng)程序以及用LabVIEW編寫的應(yīng)用程序。

圖2 虛擬儀器總框圖

從構(gòu)成要素講，VI系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的;從構(gòu)成方式講，則有以DAQ板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。無論哪種VI系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。

四、虛擬儀器的應(yīng)用

虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，而今正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺(tái)的圖形化和硬件模塊的即插即用方向進(jìn)步。虛擬儀器技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的推廣應(yīng)用十分普及，在電子測(cè)量領(lǐng)域、過程控制領(lǐng)域，以及與人們的生活息息相關(guān)的許多其他領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)，也有許多利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制等功能的例子。

表2 虛擬儀器應(yīng)用

由表2可以看出，虛擬儀器已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。例如：

1、在電子實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中的應(yīng)用

虛擬儀器最簡(jiǎn)單的應(yīng)用是代替獨(dú)立的儀器，如示波器、函數(shù)發(fā)生器、萬用表等。用戶利用虛擬的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的激勵(lì)信號(hào)，利用虛擬的示波器測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路對(duì)激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)。兩種儀器通過窗口進(jìn)行切換。

2、在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

醫(yī)用泵是用來向病人輸液的設(shè)備，醫(yī)務(wù)人員通過它還可獲得診斷信息，因此，對(duì)泵的精度有較高的要求。IEC提出了一種較完善的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn);（1）測(cè)量輸液開始后的流速;（2）測(cè)定不同時(shí)間間隔流速的相對(duì)變化。研發(fā)人員用虛擬儀器軟件LabVIEW開發(fā)了一套計(jì)算機(jī)化的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來完成這些工作，精度更高。

3、在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

LabVIEW圖形化用戶接口提供給農(nóng)民一個(gè)總的狀態(tài)面板。類似農(nóng)民關(guān)心的不同領(lǐng)域，如水箱水位，泵和閥門狀態(tài)，溫度、土壤濕度和性能等。這些參數(shù)能方便地用LabVIEW輸入和激勵(lì);農(nóng)民只要監(jiān)測(cè)這個(gè)狀態(tài)面板，即可監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)。

五、虛擬儀器配置

國(guó)內(nèi)外，虛擬儀器的概念已深入人心，也已成為各個(gè)高校研究的方向。組建虛擬儀器系統(tǒng)可分為五個(gè)步驟：

（1）選擇操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)平臺(tái)。組建虛擬儀器時(shí)，絕大多數(shù)會(huì)采用Windows系列操作系統(tǒng)，開發(fā)軟件平臺(tái)可選擇Labview、Labwindows/cvi、Agilent-VEE、VC和VB等。

（2）選擇總線形式和總線機(jī)箱?？偩€可選擇VXI和PXI。

（3）選擇機(jī)箱內(nèi)嵌式或外置式計(jì)算機(jī)。內(nèi)嵌式計(jì)算機(jī)使虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，外置式計(jì)算機(jī)成本較低。

（4）選擇儀器模塊。根據(jù)實(shí)際需要，從模塊化儀器供應(yīng)商處采購(gòu)各種儀器模塊。

（5）選擇信號(hào)調(diào)理模塊和自制專用模塊。當(dāng)信號(hào)特殊時(shí)，還需自制部分信號(hào)調(diào)理模塊。

參考文獻(xiàn)：

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[2]路林吉，饒家明.虛擬儀器講座[J].信息技術(shù).2000.

[3]陜西海泰電子有限責(zé)任公司.VI技術(shù).

（作者單位：襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院）