虚拟仪器的发展与应用

虚拟仪器的发展与应用

摘要： 虚拟仪器是电子测量技术和计算机测控的前沿技术，虚拟仪器将计算机采集测试分析引入到电子测量领域，用数字化和软件技术极大地提高了测试的灵活性和可扩充性。介绍了虚拟仪器的发展、构成和应用，并对虚拟仪器技术的发展作出展望和预测。

关键词：虚拟仪器；智能仪器；网络化

The Development and Application of

Virtural Instrumental

Abstract: The virtual instrument is an advanced technique of electronic menasurement and computer measure and control. With computers being introduced into electronic measurement field, digital and software technology enhance the flexibility and expansibility of measurtment. The development, generl construction and applications of virtual instruments are presented. The development of vitual instrumental technology is also prospected in the end.

Keyword: virtual instruments; intelligent instrument; networked

0 引 言

虚拟仪器技术发展非常迅速,是目前国内外测试技术和仪器制造界十分关注的热门话题。虚拟仪器技术其实质是将传统仪器硬件与最新计算机软件技术充分结合起来，以实现并扩展传统仪器的功能。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势。

1 虚拟仪器的发展历程

在电工电子测量技术的应用先后出现了了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器，同时也由单台仪器逐步发展到叠加式仪器系统、虚拟仪器系统等等。

传统仪器的三大功能块，即数据的采集与控制、数据的分析与处理、结果的输出与显示，均以硬件形式存在，开发、维护的费用高，技术更新周期长。是后来出现的数字化仪器、智能仪器，使传统仪器的准确度提高、功能增强，仍未改变传统仪器那种独立使用、手动操作、任务单一的模式。为此，人们研制出多种通信接口，用于将多台智能仪器连在一起，构成功能更强、适应面更广的测试系统，这就是总线式仪器。将仪器所需的键盘、CRT和存储器等借助于PC资源， 构成微机化仪器， 简称PC仪器。与总线式仪器系统相比，PC仪器的硬件大为减少。

随着技术的发展与广泛的应用，用户对各种仪器的互操作性迫使微机化仪器的硬件和软件标准化，因而产生了VXI仪器系统。VXI仪器的标准基于开放原则，又具有定时与同步精确，模块可重复利用，传送数据快等优点。

由于PC机的普及，虚拟仪器的开发为了更好的兼容PC机，开发出以PCI总线内核为基础而设计的PXI总线标准。为使不同厂家生产的PC机数据采集软件、硬件具有广泛的互换性，在PXI总线标准发布的第二年，开放式数据采集协会公布了“开放式数据采集标准”。基于此标准而生产的仪器称为VXI仪器。VXI仪器解决了交换性问题，使到在不改动软件的情况下更换测试仪器成为可能。

2 虚拟仪器的优点

“软件就是仪器” 的是虚拟仪器核心概念，充分体现出软件在虚拟仪器中的作用是极其重要的。它彻底打破了传统仪器由厂家设计，用户无法改变的模式，使用户可以根据自己

表1 虚拟仪器与传统仪器

3 虚拟仪器的分类

虚拟仪器可以按工作领域分，也可以按测量功能分但最常用的还是按照构成虚拟仪器的接口总线不同，分为插卡式数据采集卡（DAQ）虚拟仪器、串行接口虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、USB 虚拟仪器、GPIB 虚拟仪器、VXI 虚拟仪器、PXI 虚拟仪器、现场总线虚拟仪器等。

3.1 插卡式数据采集卡 （DAQ）虚拟仪器

它是以信号调理电路、数据采集卡及 PC 机为仪器硬件平台，采用PCI或ISA计算机本身的总线，将DAQ直接插入PC机的相应标准的总线扩展插槽即可，因此这种虚拟仪器又叫PC-DAQ/PCI 插卡式虚拟仪器。

3.2 串行接口虚拟仪器

串行接口虚拟仪器是由Serial标准总线仪器及PC机为仪器硬件平台，它包括符合RS-232/RS422标准的PLC和单片机系统。

3.3 并行接口虚拟仪器

并行接口虚拟仪器把仪器硬件集成到一个采集盒内，完成各种测量测试仪器的功能。它可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、 数字万用表、 功率计、 程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。如美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器。

3.4 USB 虚拟仪器

USB 通用串行总线是被 PC 机广泛采用的一种总线，它已被集成到计算机主板。USB 总线能连接 127 个装置，需要一对信号线及电源线。USB2.0 标准的数据传输率能达到

480Mbps。该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特点，现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。基于USB总线，NI公司推出了USB-6008和USB-6009等几款数据采集卡系列的虚拟仪器。

3.5 GPIB 虚拟仪器

GPIB（General Purpose Interface Bus）是一种国际通用的可编程仪器接口标准，可用于可编程仪器装置之间的互连，仪器与计算机的接口，而且可广泛用作PC机与外设的接口。GPIB总线即IEEE-448总线在测量仪器的自动化过程中起了重要的作用，其前身是HP-IB

总线。后来，IEC对它给予承认，又称IEC-IB总线。GPIB提供了10种接口功能，数据的最高速率可达1MByte以上，传输距离通常不超过10m，连接设备最多不超过15台。采用3线通信联络（DAV、NRFD、NDAC）的形式，保证信息准确可靠的传递。

3.6 VXI 虚拟仪器

VXI（VMEbus extension for Instrumention）是VME总线在仪器领域的扩展，它不仅继承了 GPIB、VME总线的优点，集测量、计算、通信于一体，还具有高速、模块化的优点。与GPIB仪器相比，VXI模块没有前操作面板。因此，应用VXI总线组建测试系统必须编制虚拟的软前面板以完成对仪器系统的操作控制，实现测试控制、数据分析、结果显示等功能，从而设计出各种操作方便的基于图形用户界面 （GUI）的集成测试系统。VXI 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。

3.7 PXI 虚拟仪器

PXI（PCI extension for Instrumention）是PCI在仪器领域的发展，是NI公司于发布的一种新的开放性、模块化的仪器总线规范。PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的参考时钟，用于精确定时的星形触发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局部总线。PXI具有高度可扩展性，可扩展到256个扩展槽。把台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台之一。

3.8 现场总线虚拟仪器

以Fieldbus标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。现场总线是一种工业数据总线，在智能现场设备、自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接，常用于构建测控网络。

4 虚拟仪器技术的应用

4.1 汽车发动机检测系统

清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统,用于汽车发动机的出厂检测。主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。

4.2 仪器计量系统

电子部三所是电子部专门负责电视、电声信号计量的国家二级计量站。他们的一个课题——仪器自动计量控制系统采用 GPIB 控制方式实现。当系统的软件开发从 Quick BASIC 转到虚拟仪器开发平台LabVIEW上时, 开发速度提高了数倍,同时整个系统的档次、可靠性以及对仪器进行计量的速度都得到了很大的提高。该系统很快通过了部级鉴定,并获得了很高的评价。

4.3 医学电子仪器

虚拟仪器技术的发展为医学仪器的通用性、自动化、智能化、低成本化提供了技术支持和开发框架,为医学仪器的设计开发提供了一种新的思路。医学仪器有其特殊性, 只要提供一定的数据采集硬件,就可用 PC机组建用于生理信号检测的医学电子仪器，就可利用虚拟仪器组成标准的虚拟医学仪器。虚拟医学仪器在功能扩展、价格、更新升级等方面具有传统医学仪器无法比拟的优越性。

4.4 虚拟仪器技术与电器附件产品的性能测试

电气附件生产中，每个产品都需要进行基本的性能测试，确认合格后才能交给客户使用，一些简单的基本测试，如电压、电流的检测，传统的仪器无法满足往往需要在复杂的动作执

行过程中进行测试，而且大部分无法完成记录功能，因此大部分由人手实现。引入了虚拟仪器的测试手段，涉及到线路板检测、成品检测、老化检测方面，有效增加了测试项目、提高了检测过程的自动化程度、自动生成测试报表，强化了产品的质量控制，保障了产品的可往溯性。事实说明，将虚拟仪器系统引入电器附件产品的生产过程，不仅能够明显节省投资、场地和人力的使用，尤其能够丰富测试手段，提升产品控制水平，有利于企业的持续健康发展。

4.5 虚拟仪器技术在农业装备的应用

农业装备技术发展备向着大型化、广度化、成套化、智能化和精准化的方向发展。將越来越多的传感器和检测手段应用到农业装备的研究过程中,基于电子技术的微处理器被应用于农业装备。虚拟仪器技术能够满足现代化农业装备测控技术的要求,在农业装备自动化和测控领域有着广阔的发展前景。

5 虚拟仪器技术发展瓶颈

目前世界上各个虚拟仪器公司都推出了自己关于网络化虚拟仪器的通用或专用技术,并提供了许多网络化测量开发组件。这些技术都具有优缺点,由于规范的非唯一性, 因此网络化虚拟仪器实现跨平台、跨系统的数据传输是当前技术突破的最大瓶颈。

在虚拟仪器走向网络化过程中，网络化所带来的延时，无法满足用测量结果对被测对象、测量条件、测量状态等进行的实时性控制。

6 结 论

虚拟仪器具有高度的开放性和灵活性，开发周期短和开发成本低等优点，相对传统仪器具有划时代的意义。正是因为虚拟仪器具备的各种优越的性能，在各行各业中越来越突显其重要性。而随着电子电工技术和网络通信技术以及计算机技术和软件技术的发展，虚拟仪器必将在网络化的翅膀上，得到更广泛的应用。

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