虚拟仪器测试仪器从硬件到软件
更新时间:2023-03-18 19:36:01 阅读量: 人文社科 文档下载
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第’"卷第%期
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!专家论坛"
虚拟仪器———测试仪器从硬件到软件
秦树人
(重庆大学机械学院测试中心
摘要重庆,!"""!!)#从虚拟仪器的概念出发,介绍了虚拟仪器的研究现状,详细说明了虚拟仪器的结构系统、特
点及其应用前景。指出虚拟仪器是计算机技术发展的产物,是计算机硬件、软件和仪器技术的完
美结合。虚拟仪器的出现,标志着测试仪器走向计算机化,测试仪器的功能结构和控件结构走向
软件化。
关键词虚拟技术
#$%%&仪器计算机硬件软件中图分类号
引言
虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分,它们被称为’%世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴含的巨大潜力,使发达国家趋之若鹜,在这一领域的研究上投入了巨资,希望有朝一日能在它的带动下率先进入信息时代,而把工业时代远远地抛在后面!
’"世纪("年代首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分,因此它已成为发达国家研究开发的热点技术之一。
虚拟仪器()*+,-./012,+-341,)是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的过程中,与测试技术、仪器技术密切结合,共同孕育出的一项美妙的新成果。’"世纪("年代美国的一家不算太大的仪器公司———国家仪器公司(5.,*61./012,+-341,276+86+.9
首先提出了虚拟仪器的概念。这一概念的核心是:以计算机作为仪器统一的硬件,*61简称50)
平台,充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能,同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化,使之与计算机结合起来融为一体,这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同,同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成,因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪器”。自’"世纪("年代以来,50公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟式仪器,特别是它推出的:.;)0<=图形编程环境已享誉世界,成为这类新型仪器开发系统的世界生产大户。在50公司之后,著名的美国惠普($>)公司紧紧跟上。该公司推出$>)<<编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机,用户可用它组建或
国家自然科学基金资助项目(编号:。&G(H&"G")
收稿日期:’"""9"%9’%。#
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挑选自己所需的仪器。除此之外,世界上陆续有数百家公司,如!"#$%&’()公司、*+,+-公司等也相继推出了多种总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。作为仪器领域中最新兴的技术,虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。从./年代中期以来,国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司,在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化01公司、23公司的产品等方面做了一系列有益工作,取得了一批瞩目的成果。
虚拟仪器的出现和兴起,改变了传统仪器的概念、模式和结构,改变了人们的仪器观。据“世界仪表与自动化”杂志报导,虚拟仪器的生产厂家将超过千家,品种将达到数45世纪初叶,
千种,市场占有率将占到电测仪器的6/7!这一预测对整个仪器仪表领域,不啻是一次强烈的震憾!使从事电测仪器科学技术研究与开发的科学家和工程师们都看清了虚拟式仪器对传统仪器的巨大挑战,认识到在下一世纪虚拟式仪器不仅将成为电测仪器的发展方向,而且必将逐一取代实验室中的传统硬件化仪器,使成千上万种传统的硬件化仪器都演变成计算机软件,成为一系列有序的文件融入计算机中!那时有许多种类的仪器在广义上已不完全属于仪器领域的某些分支,而可以将它们看成是信息技术的本体!
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585虚拟仪器的形成单一虚拟仪器的形成
图5非常形象地表示一种硬件仪器如何通过软件化形成虚拟仪器的过程。
机
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功
面
图5形
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期秦树人:虚拟仪器———测试仪器从硬件到软件
与虚拟仪器库的形成!"#“测试集成”
与传统硬件仪器比较,虚拟仪器的一大特点便是具有集成性。如果将多种测试仪器的测试功能(在传统仪器中由机内的各电子卡决定)实现软件化,用一个个的文件来表示一台台仪
的
内,
将
后
功
框
配、
种
从
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要
集
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库”和“用户调用”组成。
“功能模块库”是将一批硬件仪器(如低频示波器、多线高频记忆示波器、函数信号发生器、频率!时间测试量仪、相位计、测温仪、自记仪、噪声振动测试仪、扭矩仪、转速仪、""#分析仪、噪声实时倍频程分析仪等等数十上百种测试、测量仪)的全部功能一一以软件模块的形式集成在一起形成的一个“测试集成”的功能软件库,供“框架协议”设计时调用。
“控件库”存放着一大批以软件形成的形象逼真的仪器、仪表控件,例如量程开关、波段选择开关、按钮、旋钮、滑块、信号灯等等,供“框架协议”设计产品时调用。
功能模块和控件模块是构成虚拟式仪器的基本构件。“框架协议”则像一个设计所和实验室,它为形成仪器产品提供技术咨询。科技人员或用户可利用“框架协议”的功能、调用“功能模块库”中的功能模块和“控件库”中的控件模块,并按照仪器成品的技术要求和各种控制关系对产品进行软设计、软连接、软调试,直到形成虚拟式仪器的成品并输送至“成品库”。
在“框架协议”中产生的仪器成品,全部存放于“成品库”中,用户可根据需要通过计算机的键盘或鼠标进行调用。
图$、图%是由重庆大学虚拟仪器研究开发中心研制的两种虚拟仪器(详见本期封底)
。
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第#期秦树人:虚拟仪器———测试仪器从硬件到软件(数十上百种功能多样的仪器;集数十上百种功能有同有异且集于一体的大型仪器系统(相当于一个实验室)。
!
!"#虚拟仪器的特点虚拟式仪器的主要特点
!"#"#$#世纪的仪器产品应具有鲜明的个性
对于不同类型的产品具有不同的个性应该是自然而然的事。而即使是同类型产品不同的
无例外的都具有时个别,也应有不同的个性。例如目前全世界生产的%%&动态信号分析仪,
域、幅值域、频域(频谱)、传递相干、互谱、相关等分析功能。将这些大功能模块细化后可以多达上百个功能。但是用户真正需要用的功能往往不要这么多,而且不同的用户还要根据自己不同的用途,在这上百种功能中选择自己需要的那几种。显然传统硬件仪器无法满足用户的这一要求,虚拟式仪器由于系统是开放的,可以满足用户提出的对功能设置、功能增减的任何要求。因此虚拟仪器符合具有个性的这一特点。
!"#"$$#世纪的仪器产品应具有参与性
这里所说的参与性主要是指用户可参与仪器产品的设计、制造、维修等全过程。对于传统硬件化仪器产品,其设计、制造是专家和制造厂的事,用户虽然可以提出某些意见和要求,但不可能立即实现,而且用户也不大可能参与产品的设计与制造。由图’所示的虚拟仪器系统结构可知,对于虚拟仪器,用户不仅可以参与、可以提出意见、提出要求,而且可以自行定义、自行设计和制造。虚拟仪器是最具参与性特点的产品。
!"#"’$#世纪的产品应具有很快的响应速度
响应速度是相对于技术进步和市场需求而言的。毫无疑问,虚拟仪器作为一种以软件为主体的产品,在跟踪技术进步和市场需要方面,在更新换代和预测维修方面,其响应速度(包括产品生产周期和产品更新换代周期)是软件与硬件的较量,显然软件产品的响应速度是传统硬件产品完全不能相比的。因此,虚拟仪器具有响应速度快的特点。
!"#"!$#世纪的产品应最大限度绿色化
保护环境、节省资源和节约能源是$#世纪人类共同的战略任务。制造业必须承担起这一历史性的责任。当仪器设备的制造从硬加工转变为软加工后,其在硬加工中消耗的大量能源和大量原材料(资源),以及在制造、包装、运输、使用过程中产生的一切污染(废物、废气、废水和噪声)都将被消除(或大大降低),从而使虚拟仪器成为一类典型的绿色化产品。
!"$虚拟仪器的其他特点
除去上述主要特点外,虚拟仪器还具有以下若干与传统硬件不同的特点。
(#)由于软件化和集成性使虚拟式仪器成为科技信息含量高,投入人力、财力、物力少,而产出却很高的现代化高科技产品。这样的产品不仅在技术上完全演变成为信息化产品,而且制造工艺,制造成本与传统硬件化仪器比较都发生了质的变化。
($)在制造工艺方面实现了软加工、软装配和软调试,使整个工艺设计变为程序编制,而
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C振动、测试与诊断第$%卷作为数据交换接口的硬件则实现了模块化和标准化。
(!)由于仪器以软件为主,硬件制造大大减少,使成本和销售价都大大降低,故用户面将大大增加,市场竞争力大大提高。
(")由于计算机成为仪器统一的硬平台,使我国电测仪器的水平与发达国家的差距大大缩短(因我国与发达国家仪器水平的差距主要就是硬件)。
(#)由于虚拟仪器是软件化仪器,因此整个软件技术的发展都将促使虚拟仪器的发展,任何最新的软件成果都可以被虚拟仪器采用,因此虚拟仪器将乘着整个信息业的翅膀,不断前进,永远保持先进的水平。
#结论
如前所述,虚拟仪器是仪器领域中的新概念,它使整个电测仪器领域从设计、制造、销售、维修直到服务、咨询都出现了一种全新的模式。虚拟仪器的出现,使传统的硬件仪器受到了前所未有的巨大挑战,是$%世纪仪器领域中的一次划时代的事件。它将在促进科技进步,创造良好的社会效益和巨大的经济效益方面发挥卓越的作用并表现出强大的生命力。因此,可以勿庸置疑地说:虚拟仪器———$&世纪电测仪器的发展方向。
参
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#考文献秦树人,张思复,汤宝平,等’集成测试技术与虚拟式仪器’中国机械工程,(&):&(((,&%))*+%,-./012’31405/6407408491540:-1;<;5=617>9/4.6<9184/.?014’31:@/;:0079158;A&843,3,B’&(((’CC*)&,&):D61,4/688E0/5’F9/4.6<G9184/.?0148;A4H6/05;08!$E94’IDJ,&((C())*+",!):B;?K9<<96?8’L/6M-9:6<4;;<8M0079184/.?014649;18;A4H6/070>0<;M?014’N;?M.40/D08951,&((C(C&*)&刘阳’虚拟式仪器的现状及发展趋势’电子技术应用,,&):&((C($$*$"
作者简介:秦树人男,教授、博士生导师,享受国家特殊津贴的专家。重庆&(!(年C月生,
大学机械电子工程博士点学术带头人,机械电子工程研究所所长,虚拟仪器研究开发中心
主任。兼任国际测量与仪器委员会(3ON3)委员,国家自然科学基金机械评审组成员,全国
高校机械测试技术研究会常务理事兼西南分会理事长,中国振动工程学会动态测试专委会
常务理事兼秘书长,中国机械工程学会高级会员。长期从事动态测试理论与技术的研究和
智能、虚拟测试分析仪的研制与开发。主持承担国家自然科学基金项目及部、省级项目共
开发成功智能测试仪器C类&$种,虚拟仪器&&种。获国家科技进步一、三等奖各&+项,
项,部、省级科技进步一、二、三等奖共(项。出版专著"部,发表学术论文+%余篇。
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虚拟仪器--测试仪器从硬件到软件
作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期):
被引用次数:秦树人, Qin Shuren重庆大学机械学院测试中心,重庆,400044振动、测试与诊断JOURNAL OF VIBRATION, MEASUREMENT & DIAGNOSIS2000,20(1)98次
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1.学位论文 蔡国英 基于虚拟技术的虚拟高频实验室仪器的实现 2008
高频实验室是工科高等院校必备的实验教学设施。高频实验室存在着仪器种类多、成本高、用途单一等缺点。而虚拟仪器在很大程度上能够解决以上困境,并且有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平。通常虚拟仪器系统由数据采集、数据分析、结果输出显示组成,数据采集部分通过硬件来实现,数据分析和结果输出完全由计算机的软件系统来完成。本文硬件选用NI公司生产的数据采集卡PC--6251结构,软件利用图形化编程语言LabVIEW为开发平台,从硬件结构和软件两个方面实现高频虚拟实验室仪器的设计。 本文在分析与研究虚拟仪器、虚拟仪器开发环境-LabVIEW、虚拟仪器硬件系统的基础上,重点依据高频放大器、调幅及检波、调频及鉴频、调相及鉴相原理,利用LabVIEW编程语言,结合编程思路与方法,对虚拟高频放大器、虚拟调幅及检波器、虚拟调频及鉴频器、虚拟调相及鉴相器进行设计与仿真。
本文采用LabVIEW编程语言对虚拟信号发生器、虚拟示波器、虚拟频谱分析仪进行设计,其可以实现信号生成、数据采集、数据处理、数据读取和存储、波形显示等功能。
本文结合虚拟仪器的设计,总结了设计与研究过程中遇到的难题并指出了解决方法。本文实现了虚拟仪器的高频虚拟实验室的的基础建设,使之成为现有实验教学的有益补充,从而大大提高实验教学的灵活性和适应性。
2.期刊论文 孙建民.曲正新.SUN Jian-min.QU Zheng-xin 试论虚拟仪器及其在汽车测试中的应用 -汽车工艺与材料2002,""(3)
以虚拟仪器的特点及核心技术为基础,探讨了虚拟仪器技术的发展,并介绍了这项技术在汽车测试中的应用,指出虚拟仪器在汽车工程领域可以替代某些现有的测试仪器,具有广阔的应用前景.
3.期刊论文 谭守标.霍剑青.黄海兵.王晓蒲 "偏振光的研究"实验的计算机虚拟技术及实现 -系统仿真学报2004,16(2)
采用面向对象的方法抽象出实验中的各个元件和它们的表征属性及相互关系,进行数学和图像建模(包括静态和动态图像模型),在实验场景模型控制下调动各仪器紧密结合、协调工作,实现了实验场景和仪器操作的逼真性、虚拟实验的可设计性.本文介绍了为实现上述目标,在软件设计和技术实现上的创新.
4.学位论文 傅晓程 虚拟技术在电工电子实验中的应用 2007
本课题改善了当前传统的封闭式教学模式,对实验教学模式进行了创新。电子实验室的逐步开放,用户信息、实验数据的急速增加,海量的数据信息已经使得传统管理模式不能胜任现有的实验管理工作。因此,必须建立开放式实验室,让学生根据自己的兴趣爱好选择自己擅长的实验,反复地进行电路测试和故障查询,通过选择最佳的实验方案,采用优越的实验手段使得实验结果达到最佳。应用计算机科学、仪器技术和网络技术给电工电子实验室的发展注入活力。网络技术在仪器领域的渗透日益加深,将信息系统和测量系统通过Internet或Intranet无缝地连接起来,将现有的电子实验室建设成虚拟网络实验室,最大限度地做到资源共享。
本文分析了虚拟仪器的研究和开发,给EDA实验建设提供了新的思路。本文就开发的几款电工电子学常用的虚拟仪器,并自行搭建了一些小规模的实验平台,遵循电工电子实验的教学特点,结合电工电子实验的实例,将传统仪器和虚拟仪器的优缺点进行比较,分析已开发的虚拟仪器目前存在的一些优缺点。另外,还介绍了作者参与开发的实验管理系统平台,该平台为开放式虚拟网络实验室的搭建提供了基础;在文章的最后,对虚拟网络实验的功能、结构和实验方案作了详细的分析。开放式虚拟网络实验平台正在进一步建设和完善中,目的是让学生无论位于哪个地方,只要有网络和电脑,就能进行电工电子实验。
本项目涉及电工电子实验的仪器设计以及实验管理系统的应用与开发。拟解决的工程设计技术问题难度较大,工作量较大,该项目的圆满完成,为实验教学的改革提供了有益的建设性经验,研究成果在高校中有实际应用价值和推广价值。
5.期刊论文 玄兆燕.常秀辉 基于虚拟技术的二阶系统动态特性时域测试仪的设计 -国外电子测量技
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术2003,22(z1)
二阶系统动态特性时域测试仪是在时域中测试控制系统动态特性并输出其时域指标的仪器,本文介绍了基于虚拟技术的二阶系统动态特性时域测试仪硬件平台的构建及软件系统的设计,论述了该仪器的测试原理以及基于虚拟技术的优越性.
6.期刊论文 肖旸.胡耀祖 基于虚拟技术的频谱分析仪器方案 -微机发展2003,13(z2)
在经典仪器领域内引进虚拟仪器的概念,并通过可行性研究给出了一个基于虚拟仪器基础的频谱分析仪器的方案,对此虚拟频谱仪器的主要部分做了必要的说明与设想.
7.学位论文 王誉蓉 基于虚拟技术的结构模态分析系统的研究 2006
虚拟技术即虚拟现实技术,虚拟仪器技术作为它的分支,是近年发展起来的一个研究热点。它凭借计算机平台的存储、处理、分析能力,结合计算机软件灵活、适应性强以及修改、升级容易等特点,给传统的仪器测控带来巨大冲击;为此,本文在总结了国内外试验模态分析涉及的理论、软件等已有成果的基础上,分析了现有试验模态分析软件一些不足,依据虚拟仪器的思想,以VisualC++6.0为该系统的软件开发平台,以MatLab7.1作为数据分析工具,实现两者的混合编程,并将OpenGL图形工业标准引入实体结构的输入与输出,配置必要地传感器、信号调理电路和数据采集卡(USB2015)等组成了机械结构试验模态分析系统。在此基础上,完成了试验模态分析的结构模型输入、数据采集、数据回放、频谱分析、参数识别、振型输出等功能,开发了面向中小型结构,易于使用的虚拟式结构模态分析系统。
8.期刊论文 狄伟.徐振高 基于虚拟技术的电感测微仪 -计量技术2001,""(12)
本文介绍了一种基于虚拟技术的电感测微仪,其中包括仪器的组成与工作原理、硬件设计、软件设计以及实验结果.
9.会议论文 李静华.刘令容 虚拟技术与仿真技术的现状和发展趋势 2000
本文从虚拟技术和仿真技术的概念着手,介绍虚拟技术和仿真技术的发展史并对其主要类别、现状、应用以及发展趋势作详细阐述.
10.期刊论文 蒋屹 一种虚拟电能质量标定仪的设计 -科技创业月刊2010,23(3)
虚拟技术是利用计算机来实现的控制技术,其实质是利用最新的计算机技术实现和扩展传统仪器的功能.它使现代测试仪器不但具有传统仪器、仪表的全部功能,同时还拥有计算机技术的全部优势.文章介绍一种电能质量标定仪的设计.
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10.郭亮 风力发电机组疲劳载荷测试系统的研究与设计[学位论文]硕士 2006
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13.方欢 ADIC生产自动线智能电控系统的研制[学位论文]硕士 2006
14.马清亮 基于虚拟仪器技术的激光散射测量系统[学位论文]硕士 2006
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16.王双林 润滑油微量水分在线检测方法研究[学位论文]硕士 2006
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81.李欣.齐晶瑶 基于Labview的水质监测虚拟仪器的开发与应用[期刊论文]-给水排水 2002(10)
82.项国峰.狄瑞坤.傅龙珠 基于多进程共享缓冲区的虚拟仪器及其Petri网模型[期刊论文]-计算机应用 2002(10)
83.孙明.王红星.黄强 基于虚拟仪器技术的TACAN 综合测试仪的开发[期刊论文]-海军航空工程学院学报 2002(2)
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85.李欣.齐晶瑶.王郁萍 利用虚拟仪器进行水质参数的多通道监测[期刊论文]-哈尔滨建筑大学学报2002(3)
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87.孙建民.杨清梅 虚拟仪器技术及其在汽车工程测试中的应用[期刊论文]-公路交通科技 2002(6)
88.王磊.袁慎芳 基于虚拟仪器技术的复合材料损伤实时监测系统软件开发[期刊论文]-传感技术学报 2002(4)
89.万相奎 虚拟式多通道温度测试仪的设计与研发[学位论文]硕士 2002
90.张跃俊 虚拟式试验模态分析仪的设计与开发[学位论文]硕士 2002
91.魏元雷 着眼于虚拟基准的EST研究[学位论文]博士 2002
92.艾欣.杨以涵.周孝信 虚拟仪器技术及其在电力系统中的应用[期刊论文]-电力系统自动化2001(15)
93.谢旭良.薛冬新.宋希庚 基于Labview工作平台的内燃机振动和噪声信号分析系统[期刊论文]-大连大学学报 2001(2)
94.秦树人 虚拟仪器及其最新发展[期刊论文]-振动、测试与诊断 2000(Z1)
95.应怀樵 "虚拟"仪器与计算机采集测试分析仪器的发展和展望[期刊论文]-振动、测试与诊断2000(3)
资料
96.应怀樵 虚拟仪器与计算机采集测试分析仪器的发展和展望[期刊论文]-测控技术 2000(8)
97.邓焱 桥梁动态测试技术与系统研究[学位论文]博士 2000
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