虛擬儀器的應(yīng)用及發(fā)展前景

【摘要】虛擬儀器技術(shù)是電子測量技術(shù)和計算機技術(shù)集成發(fā)展的結(jié)晶，虛擬儀器代表了現(xiàn)代儀器和測試技術(shù)發(fā)展的最新方向。本文著重介紹虛擬儀器的發(fā)展和應(yīng)用，并對虛擬儀器的未來做出理性的分析。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器；發(fā)展；應(yīng)用

1.引言

隨著計算機技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電子測量技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化；儀器結(jié)構(gòu)的日趨復雜，儀器性能的不斷提高，儀器的測試技術(shù)已成為測量領(lǐng)域的研究重點。美國國家儀器公司于20世紀80年代中期首先提出基于計算機技術(shù)的虛擬儀器的概念，把虛擬測試技術(shù)帶入了新的發(fā)展時期，隨后研制和推出了多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標志著21世紀測試技術(shù)與儀器技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)的以硬件為主的測量系統(tǒng)到以軟件為中心的測量系統(tǒng)的根本性改變。

2.儀器發(fā)展過程

到目前為止，電子測量儀器的發(fā)展大致分為4代，第1代為模擬儀器，如指針式萬用表；第2代為數(shù)字化儀器，如數(shù)字頻率計，此類儀器目前應(yīng)用甚為廣泛；第3代是智能儀器，不但可以自動檢測，還能處理數(shù)據(jù)；第4代就是虛擬儀器，完全由計算機控制。

一臺獨立的裝置是傳統(tǒng)儀器的特征，傳統(tǒng)儀器由操作面板、信號輸入端口、檢測結(jié)果輸出等幾部分組成。傳統(tǒng)儀器用硬件電路或固化軟件實現(xiàn)其功能。這種只能由儀器廠家來定義、制造的框架式結(jié)構(gòu)決定了傳統(tǒng)儀器的用戶無法隨意更改其結(jié)構(gòu)和功能。從而也推動了虛擬儀器的面世。

所謂虛擬儀器，就是用戶在通用計算機上加上軟件和硬件，根據(jù)自己的需求定義和設(shè)計儀器的測試功能，使得使用者在操作這臺計算機時，就像在操作一臺他本人設(shè)計的專用傳統(tǒng)儀器一樣。

虛擬儀器由計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成。其核心思想就是利用計算機的軟、硬件資源，將原本需要硬件完成的任務(wù)軟件化，所以應(yīng)用軟件是虛擬儀器的核心。其硬件系統(tǒng)又分為儀器硬件和計算機硬件。

3.虛擬儀器的應(yīng)用

隨著虛擬儀器的發(fā)展，現(xiàn)在根據(jù)采用總線方式的不同可以將其分為5類：PC總線-插卡式虛擬儀器、并行口式虛擬儀器、GPIB總線式虛擬儀器、VXI總線式虛擬儀器、PXI總線式虛擬儀器。其功能和性能不斷地提高，虛擬儀器不僅有著比傳統(tǒng)儀器更為先進的功能。虛擬儀器的已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，例如基于VXI總線的軍工虛擬儀器和基于虛擬儀器的邊界掃描測試系統(tǒng)等。

（1）虛擬儀器在測量方面的應(yīng)用。虛擬儀器系統(tǒng)的開放性和靈活性以及可以與計算機技術(shù)發(fā)展保持同步，使得它在測量方面不僅能提高精確度，降低成本，還能節(jié)省用戶的開發(fā)時間。

（2）虛擬儀器在監(jiān)控方面的應(yīng)用。用虛擬儀器可以隨時采集和記錄從傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計、數(shù)字濾波、頻域分析等處理，從而實現(xiàn)監(jiān)控功能。這一應(yīng)用已經(jīng)在氡室溫度監(jiān)測和水質(zhì)監(jiān)測以及鍋爐監(jiān)控等系統(tǒng)中得到充分體現(xiàn)。

（3）虛擬儀器在工程處理中的應(yīng)用。在工程處理的每一個階段，虛擬儀器均能提供出色的服務(wù)：從研發(fā)、設(shè)計到生產(chǎn)測試。比較典型的是基于LabVIEW的虛擬儀器，它集報警管理、歷史數(shù)據(jù)追蹤、安全、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）虛擬儀器在遠程教育方面的應(yīng)用。越來越多的教學部門開始用虛擬儀器建立教學系統(tǒng)，不僅節(jié)省開支，而且由于虛擬儀器系統(tǒng)具有靈活、可重復利用性強等優(yōu)點，使得教學方法也更加靈活了。

（5）虛擬儀器報表生成技術(shù)的應(yīng)用。LabVIEW生成的計量檢定報表及訪問Access測試信息數(shù)據(jù)庫可以方便快捷的完成出具記錄、鑒定報告這一任務(wù)。使得工程技術(shù)人員以一定格式的報表形式輸出測試結(jié)果和測試信息更為方便。

4、虛擬儀器的發(fā)展展望

虛擬儀器是與計算機軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同步發(fā)展的，后者的高速發(fā)展給前者提供了廣闊的天地。高效、高速、高精度和高可靠性以及自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的測控儀器即將面世。虛擬儀器將因為開放式數(shù)據(jù)采集走上標準化、通用化、系列化和模塊化的道路。

4.1虛擬儀器對軍事領(lǐng)域的影響

我國虛擬儀器的構(gòu)想是在我國國防工程核試驗中萌發(fā)和實現(xiàn)的，由此可見虛擬儀器和軍事領(lǐng)域的密切關(guān)系。在虛擬儀器系統(tǒng)中仿真無人飛機、導航和控制。

現(xiàn)代軍事野戰(zhàn)中，軍用電站是強有力的后備軍，但是傳統(tǒng)儀器不能靈活地對軍用電站進行諧波分析。為了取代EMC系統(tǒng)和諧波分析儀昂貴且功能固化且不能滿足不同場合對軍用電站的諧波分析這個問題，我們利用虛擬儀器研發(fā)了基于LabWindows/CVI的軍用電站諧波分析系統(tǒng)。這個系統(tǒng)功能可以根據(jù)需要擴展，為未來自動化測試奠定了基礎(chǔ)。

4.2虛擬儀器在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景

虛擬儀器系統(tǒng)可用于農(nóng)產(chǎn)品的自動檢測，農(nóng)產(chǎn)品自動劃分等級，農(nóng)田的自動化監(jiān)測以及種子和細胞生物特性的研究。根據(jù)我們在計算機中模擬植物在現(xiàn)實中的生長狀況得到的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)和生長規(guī)律，從而更好地提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。

提高農(nóng)作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本目的。眾所周知，袁隆平院士被稱為“雜交水稻之父”，依據(jù)他的理論，我們可以通過計算機設(shè)計不同的植株并模擬其生長，從而選出理想的植株作為母本造福人類。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，已經(jīng)有中國農(nóng)業(yè)大學研發(fā)的精播機虛擬系統(tǒng)和美國基于LabVIEW的自動化灌溉系統(tǒng)這樣得到廣泛應(yīng)用的虛擬儀器。相信虛擬儀器的設(shè)計和研發(fā)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中將有著不可估量的作用。

此外，虛擬儀器在汽車、導彈方面也有深遠影響。如汽車的防抱制動系統(tǒng)。我國自主研發(fā)的DASP虛擬儀器產(chǎn)品在1988年用于錢塘江大橋模態(tài)試驗、1995年用于長三捆運載火箭全箭模態(tài)試驗、1996年用于“神舟”號載人飛船移動發(fā)射平臺模態(tài)試驗、2004年用于航天員超重訓練設(shè)備臂架系統(tǒng)和2008年用于北京奧運會場館鳥巢的動態(tài)測試都獲得了成功。

這些都充分證實了虛擬儀器不可限量的發(fā)展前景。相信在創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，虛擬儀器將會與物聯(lián)網(wǎng)和云計算等高端科技集成更高級的儀器并成為未來測量機器的核心。

5.結(jié)語

功能和規(guī)模固定，只可以連接有限的設(shè)備并且技術(shù)更新慢，由儀器廠商定義的傳統(tǒng)儀器。由于它復雜的工藝，至今在我國還沒有形成一定的規(guī)模，大部分依賴進口，這使我國在世界測量儀器市場很被動。虛擬儀器取代傳統(tǒng)儀器已經(jīng)成為必然。作為新興的虛擬儀器，各國都處于研究初期階段，這給我國提供了一個大好機會，我們應(yīng)著眼未來，使虛擬儀器在我國有突飛猛進的發(fā)展。

參考文獻

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