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摘要：虛擬儀器技術是電子測量技術和計算機測控相結合的前沿技術，是當前的研究熱點之一。本文重點闡述了虛擬儀器的基本原理、主要結構、性能特點和主要分類，比較分析了虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器性能特點上的異同，對虛擬儀器技術的應用及發(fā)展趨勢做出了簡要介紹與分析。 關鍵字：虛擬儀器；軟件化； 軟硬件設計; 應用前景 1.虛擬儀器簡介 虛擬儀器(簡稱VI) 的概念最早是由美國國家儀器公司(簡稱NI) 于1986 年提出來的，這是對傳統(tǒng)儀器概念上的重大突破。其基本原理是以計算機為硬件平臺，使原來需要硬件實現(xiàn)的各種儀器功能盡可能地軟件化，利用高效靈活的軟件控制高性能的硬件來完成各種測試、測量和自動化的應用，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)功能與靈活性，達到了 “軟件就是儀器”的目的。 2.虛擬儀器的特點 跟傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器也包括信號的采集與控制、信號的分析和處理、處理結果的表達和顯示三大基本功能。在傳統(tǒng)儀器中，這三大功能的實現(xiàn)都是應用硬件來實現(xiàn)的，而硬件都是廠家生產(chǎn)，用戶無法任意更改。因此，對傳統(tǒng)儀器來說，其功能在出廠時就已經(jīng)固定了。然而，虛擬儀器技術可以讓用戶體驗到完全自定義的測量和自動化系統(tǒng)功能的靈活性，構建起滿足特定需求的系統(tǒng)。 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術具有以下特點：功能強、性價比高、開放性好、虛擬儀器豐富和增強了傳統(tǒng)儀器的功能，用戶可以根據(jù)測量需要添加外部設備，實現(xiàn)相應的測量功能，也可以自定義便于構成復雜的測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)“網(wǎng)絡化虛擬儀器"。并且，虛擬儀器操作方便，通過圖形用戶界面實現(xiàn)人機交互，大大地提高工作效率。 2.1 虛擬儀器的基本結構 虛擬儀器由硬件設備與接口，設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。 2.1.1 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構成: 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡、總線標準等方面的發(fā)展促進了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。按照測控功能硬件的不同虛擬儀器主要可分為PC總線、串口總線、GPIB、VXI和PXI 5種標準體系結構.它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉換，具體分類為： 1PC總線型：借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的虛擬儀器軟件相結合，它可以通過各種控件組建各種儀器。 2GPIB總線型是IEEE-488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段.它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展. GPIB技術可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制,替代傳統(tǒng)的人工操作方式,可以很方便地把多臺儀器組合起來形成自動測量系統(tǒng). 3串口總線型是可連接到計算機串行口的測試裝置。它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)，儀器軟件裝在計算機上,通�？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能,可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀等儀器. 4VXI總線型是一種高速計算機總線VME總線在虛擬儀器領域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源、強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽. 5PXI總線型是PCI總線內(nèi)核技術增加了成熟的技術規(guī)范和要求。以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI具有的高度可擴展性,與PCI總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。 2.1.2虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構成 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心。用戶可以根據(jù)不同的測試任務，編制不同的測試軟件，實現(xiàn)復雜的測試任務。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，由計算機的軟硬件資源來完成傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件包括應用軟件、儀器驅動軟件和通用I/O接口軟件3部分。應用軟件根據(jù)其功能又分為儀器面板控制軟件和數(shù)據(jù)分析處理軟件。 3.虛擬儀器系統(tǒng)的設計過程 虛擬儀器系統(tǒng)的設計過程主要包括測試需求分析、系統(tǒng)總體方案設計、系統(tǒng)硬件設計、系統(tǒng)軟件設計、系統(tǒng)集成 及系統(tǒng)調(diào)試等。 4.虛擬儀器技術的應用 虛擬儀器的發(fā)展是信息技術的一個主要領域。對科學技術的發(fā)展和國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)有著不可估量的影響。可廣泛應用于電子測量、振動分析、聲學分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機械工程、建筑工程、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、教學及科研等諸多方面。 4.1機械工程測試技術中虛擬儀器的應用 在機械工程領域的日常工作中，常常要對機械 傳動的性能、參數(shù)進行測試與分析。傳統(tǒng)的測試一般要借助體積龐大、價格昂貴、功能相對簡單的儀器完成，加之傳統(tǒng)工程測試系統(tǒng)不能兼容和共享相關的軟硬件資源，加大了測試成本，降低了測試數(shù)據(jù)的準確性。隨著計算機技術、微電子和信息技術的發(fā)展，借助計算機可使傳統(tǒng)儀器的功能更強大，不僅能改善傳統(tǒng)儀器的性能，也可提升儀器系統(tǒng)與計算機的集成度。 軟件部分主要是運用計算機將傳統(tǒng)測試儀器的檢測功能軟件化，也就是將測試功能實施軟件化設計。硬件部分是依據(jù)具體的測試要求把所用到的模塊化硬件接口卡插入計算機總線槽中，再借助傳感器和測量電路把測試對象與模塊接口卡進行連接。這樣一套完善的虛擬儀器測試系統(tǒng)方可形成。為充分展現(xiàn)虛擬儀器技術的優(yōu)勢，可以采用集成測試手段把多種傳統(tǒng)儀器測試功能、面板控件等集成于同一軟件平臺上，使一臺計算機成為多功能的工程檢測儀器。由于部分硬加工轉變?yōu)檐浖庸�，大大減少了資源、能源消耗，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點。 4.2分析儀器虛擬仿真教學平臺建設 建立分析儀器的虛擬實驗平臺，使用者可以在理論知識的基礎上，可以按照自己的想法在虛擬實驗室平臺上動手操作，而無需擔心由于操作失誤造成的儀器設備的損壞，或者由于操作 失誤造成的安全事故。分析儀器虛擬實驗室平臺的建立，有利于培養(yǎng)和提高使用者的實踐操作能力，分析判斷能力、設計創(chuàng)作能力和創(chuàng)新意識。 將虛擬仿真所需要的相關資料，分析儀器標準操作示范圖片，分析儀器實驗室設備圖片，動畫素材，專家微課視頻，等所有相關教學資源均上傳到虛擬實驗平臺上，此平臺對公眾開放，使用者可以隨時以自己的ＩＤ身份登錄虛擬平臺，在虛擬平臺上進行操作演練，虛擬平臺會使用者的操作演練進行評判打分，使用者可以實時的指導自己操作過程中的錯誤，并及時糾正。另外，通過互聯(lián)網(wǎng)，使用者和專家可以通過此虛擬平臺進行跨越時空的交流，方便涉及分析儀器不同行業(yè)的人士相互傳授經(jīng)驗，解決問題。 4.3虛擬儀器在智能機器人實踐課程中的應用 虛擬儀器的應用將復雜的電路、傳感器等的設置問題轉換成只需要懂得基本的算法設計思想和編程技能就可以操作機器人的問題，有效地降低了課程的入門門檻，增加了學生的學習信心。利用LabVIEW 平臺將對各種儀器進行調(diào)試和運行獲取數(shù)據(jù)的過程轉變?yōu)楦鞣N控制單元，包括運動控制單元、傳感器控制單元、語音控制單元以及視頻控制單元等參數(shù)輸入和結果獲取的過程；將各種儀器的電路控制的過程轉變?yōu)?/font>LabVIEW平臺結構化連線的功能。這種將復雜問題分步解決的方式有利于問題的簡化，大大提高學生實驗的效率。利用LabVIEW 平臺將各類信號的處理和識別轉變?yōu)閿?shù)據(jù)結構的設計和算法的優(yōu)化問題，大幅提高計算機科學與技術學科知識的應用面。 5.虛擬儀器技術的展望 虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術性能方面具有靈活性與經(jīng)濟性，因而特別適 應于當代科學技術迅速發(fā)展和科學研究不斷深化所提出的更高更新的測量課題和測量需求。 展望未來，虛擬儀器將會有以下發(fā)展趨勢： 5.1 標準化 目前，虛擬儀器的PCI、VXI、PXI 等技術規(guī)范已成功實現(xiàn)了標準化，但在觸發(fā)方式、延時、同步、不同通道的共用時基等方面還未實現(xiàn)標準化，這將影響其在不同平臺上的互換性和移植性，也將影響虛擬儀器軟件模塊的標準化。虛擬儀器的硬件結構將會繼續(xù)朝著標準化、模塊化的方向發(fā)展，模塊式結構使測試系統(tǒng)體積不斷減少、處理速度不斷提高，從而使測試系統(tǒng)的小型化和微型化成為可能。 5.2 網(wǎng)絡化 網(wǎng)絡化是虛擬儀器的另一發(fā)展趨勢。利用網(wǎng)絡傳輸技術，將分布于不同位置的虛擬儀器、外部設備、被測試點、數(shù)據(jù)庫等資源有效連接起來，克服了一般虛擬儀器將測試儀器的三大功能模塊都局限在單一的計算機上的缺點，從而實現(xiàn)資源共享功能，共同完成測試任務。 5.3 軟件開發(fā)平臺的智能化 虛擬儀器的研究已經(jīng)取得很多進展，但仍存在不少問題。首先，虛擬儀器的成功開發(fā)需要軟件設計經(jīng)驗和儀器專業(yè)知識的有機結合，因此對普通用戶來說，自己開發(fā)虛擬儀器還不太現(xiàn)實；其次，虛擬儀器的設計難度大、效率低，盡管ActiveX、COM 等技術可以在一定程度上提高了系統(tǒng)軟件的可重用性，但在儀器設計時仍然需要編寫大量代碼才能將這些部件組合成一個完整的系統(tǒng)。最后，虛擬儀器的可重構性很差，用戶若需要改變儀器的某些功能，必須要經(jīng)過代碼層次上的修改才能實現(xiàn)。采用人工智能技術提高虛擬儀器的可重構能力、降低虛擬儀器的設計難度，將會是虛擬儀器技術的又一發(fā)展方向。 結束語 虛擬儀器目前正在向功能綜合化的多功能虛擬儀器庫提高、精度和可靠性、方便操作、一鍵完成所需要的功能的方向發(fā)展。目前正蓬勃發(fā)展的新興技術也成為推動虛擬儀器技術發(fā)展的新動力！虛擬儀器的出現(xiàn)是科技界、教學界和測試儀器制造界的一次具有深遠意義的技術革命。
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