虛擬儀器技術(shù)的新進展

韓春曉

（長春理工大學,吉林 長春 130022）

1 虛擬儀器的組成和分類

（1）虛擬儀器的組成。所謂虛擬儀器，就是通過軟件使計算機和傳統(tǒng)的儀器硬件設(shè)施結(jié)合起來，用戶可以根據(jù)自己的需求，通過虛擬界面來操控的儀器。虛擬儀器主要由三個部分組成，即高效的軟件，模塊化的I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺。其中，軟件是整個虛擬儀器的核心部分，要想實現(xiàn)虛擬儀器運行過程的自動化，必須要有高效的軟件作為支撐，使用高效的軟件，能在很大程度上提高虛擬儀器的性能。模塊化的I/O硬件，使各種硬件設(shè)施能夠靈活地進行組合，實現(xiàn)測量系統(tǒng)的自定義，從而滿足不同用戶的需求。用于集成的軟硬件平臺是目前虛擬儀器實現(xiàn)自動化的測量、測試等應用的標準平臺，其構(gòu)架具有開放性、靈活性的特點，且該平臺在成本上具有很大的優(yōu)勢。

（2）虛擬儀器的分類。根據(jù)微機的發(fā)展以及總線方式的不同，我們可以將虛擬儀器分為五種類型，即PC總線-插卡型虛擬儀器、并行口式虛擬儀器、GPIB總線式虛擬儀器、VXI總線式虛擬儀器和PXI總線式虛擬儀器。PC總線-插卡型虛擬儀器是將數(shù)據(jù)卡和一些專用的軟件插入計算機，通過插入的數(shù)據(jù)卡和軟件來實現(xiàn)各種儀器的組建；并行口式虛擬儀器是通過將所有的儀器硬件集成到一個采集盒內(nèi)來實現(xiàn)儀器的各種功能；GPIB總線式虛擬儀器目前已經(jīng)發(fā)展為大規(guī)模的自動化測試，主要用于高精度、低速度的測量；VXI總線式虛擬儀器是高速計算機總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴展，主要用于高精度、高速度的測量，但是該類儀器成本過高限制了其發(fā)展；PXI總線式虛擬儀器是將PIC總線內(nèi)核技術(shù)與多板同步觸發(fā)總線技術(shù)的規(guī)范和要求結(jié)合發(fā)展而來，也是未來VI平臺發(fā)展的方向。

2 虛擬儀器的優(yōu)勢和應用

（1）虛擬儀器的優(yōu)點。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器進行比較，具有很多方面的優(yōu)點。首先，虛擬儀器的性能比傳統(tǒng)儀器的性能高，用戶可以根據(jù)自己的需求對虛擬儀器進行定義來滿足特定的要求。其次，虛擬儀器具有很強的擴展空間，因為組成虛擬儀器的硬件和軟件都具有一定的靈活性，且組成結(jié)構(gòu)具有開放式的特點，因此虛擬儀器可以進行靈活的組裝，實現(xiàn)功能或其他方面的擴展。再次，傳統(tǒng)的儀器技術(shù)更新周期很短，所以對傳統(tǒng)儀器進行維修和開發(fā)的費用很高，而虛擬儀器由于其靈活性，更新周期較長，一般為一到兩年，從而降低了軟硬件開發(fā)和維修的費用，同時，虛擬儀器可以進行系統(tǒng)升級，通過系統(tǒng)升級即可以實現(xiàn)軟件的更新。除了以上優(yōu)點以外，虛擬儀器的操作界面比傳統(tǒng)儀器的更為簡潔明了，有利于用戶的操作，虛擬儀器的通用性以及遠程監(jiān)控等特點，也使虛擬儀器受到很多用戶的歡迎。綜上所述，虛擬儀器較傳統(tǒng)儀器具有很多優(yōu)勢，開發(fā)推廣虛擬儀器勢在必行。

（2）虛擬儀器的應用。目前，虛擬儀器被廣泛應用于各行各業(yè)，計算機網(wǎng)絡技術(shù)為虛擬儀器的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。在科研教學領(lǐng)域，將計算機技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合起來，可以建成一個虛擬的仿真實驗室，在該實驗室可以對某些不方便實際操作的實驗項目進行仿真測試，再將計算機網(wǎng)絡技術(shù)與仿真實驗室結(jié)合，進一步形成一個網(wǎng)絡虛擬實驗室，使學員不受地域和時間的限制，隨時隨地進行科學實驗。目前，清華大學已經(jīng)使用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)對汽車發(fā)動機進行出廠檢測。此外，虛擬儀器還被應用在航天、軍事、生物醫(yī)學、工廠生產(chǎn)等多個領(lǐng)域。

3 虛擬儀器技術(shù)新發(fā)展

（1）虛擬儀器的網(wǎng)絡化。計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，為虛擬儀器技術(shù)開創(chuàng)了新天地，將網(wǎng)際網(wǎng)絡技術(shù)與PC技術(shù)結(jié)合起來，形成網(wǎng)絡化的虛擬儀器技術(shù)。網(wǎng)絡化的虛擬儀器技術(shù)使處于不同位置、不同功能的測試設(shè)備聯(lián)系起來，通過網(wǎng)絡來實現(xiàn)這些設(shè)備的共享，減少了硬件設(shè)備的重復投資。此外，利用網(wǎng)絡技術(shù)，不僅可以將測量設(shè)備中的資料直接上傳至網(wǎng)絡，還可以通過網(wǎng)絡對測試設(shè)備進行遠程的操作，為不同地區(qū)人員進行合作交流提供了很大的便利。

（2）硬件的虛擬化。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，硬件設(shè)備也朝著虛擬化的方向發(fā)展。用戶可以根據(jù)自己的特定要求，通過編程的方式來定義硬件的功能并改變相應的性能參數(shù)，使硬件的使用更加靈活方便。目前，市場上使用最為廣泛的虛擬硬件設(shè)備，其采樣率和精度都可以在滿足用戶的需求下進行重新定義，實現(xiàn)功能的改變。

（3）虛擬儀器的可互換性。在虛擬儀器中，軟件占據(jù)著舉足輕重的地位，因此對軟件進行開發(fā)研究，一直都是發(fā)展虛擬儀器技術(shù)的重中之重。虛擬儀器的可互換性[2]，即用戶可以根據(jù)自己的需要，將應用軟件從現(xiàn)處的平臺移植到另一個平臺上進行使用，實現(xiàn)了應用軟件的跨平臺使用。目前，相關(guān)研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種驅(qū)動器，該驅(qū)動器可以支持不同廠家生產(chǎn)的儀器，為虛擬儀器互換提供了可能。此外，IVI技術(shù)力圖開發(fā)一個驅(qū)動儀器的程序標準，從而為虛擬儀器互換提供一個框架，也使儀器編程簡便化。

（4）組件技術(shù)的發(fā)展。隨著用戶對虛擬儀器要求的不斷提高，在虛擬儀器技術(shù)中，軟件規(guī)模逐漸增大，所使用的測量設(shè)備的數(shù)量和種類也不斷增多，發(fā)展組件技術(shù)，實現(xiàn)軟件設(shè)備的“即插即用”，對虛擬儀器技術(shù)發(fā)展具有重大意義。組建技術(shù)的發(fā)展，可以實現(xiàn)軟件的最大化利用，縮短開發(fā)周期，降低維護的成本。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了COM/DCOM、javaBeans/EJB等組件標準，使組件技術(shù)進一步成熟。

虛擬儀器技術(shù)是儀器行業(yè)的一次重大變革，在很大程度上推動了儀器行業(yè)的發(fā)展。與傳統(tǒng)的儀器相比，虛擬儀器具有性能高、擴展性強、開發(fā)時間少以及無縫集成的優(yōu)勢，為用戶提供更加快捷方便的服務。目前，虛擬儀器已經(jīng)被應用在多個領(lǐng)域，并且不斷的創(chuàng)新發(fā)展，虛擬儀器的網(wǎng)絡化、可交換化，硬件的虛擬化以及組件技術(shù)的發(fā)展，將會將虛擬儀器技術(shù)帶入一片新的天地。