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摘要：虛擬儀器技術(shù)是電子測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)測(cè)控相結(jié)合的前沿技術(shù)，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。本文重點(diǎn)闡述了虛擬儀器的基本原理、主要結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和主要分類，比較分析了虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器性能特點(diǎn)上的異同，對(duì)虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)做出了簡(jiǎn)要介紹與分析。 關(guān)鍵字：虛擬儀器；軟件化； 軟硬件設(shè)計(jì); 應(yīng)用前景 1.虛擬儀器簡(jiǎn)介 虛擬儀器(簡(jiǎn)稱VI) 的概念最早是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(簡(jiǎn)稱NI) 于1986 年提出來(lái)的，這是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念上的重大突破。其基本原理是以計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，使原來(lái)需要硬件實(shí)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(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性，達(dá)到了 “軟件就是儀器”的目的。 2.虛擬儀器的特點(diǎn) 跟傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器也包括信號(hào)的采集與控制、信號(hào)的分析和處理、處理結(jié)果的表達(dá)和顯示三大基本功能。在傳統(tǒng)儀器中，這三大功能的實(shí)現(xiàn)都是應(yīng)用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而硬件都是廠家生產(chǎn)，用戶無(wú)法任意更改。因此，對(duì)傳統(tǒng)儀器來(lái)說(shuō)，其功能在出廠時(shí)就已經(jīng)固定了。然而，虛擬儀器技術(shù)可以讓用戶體驗(yàn)到完全自定義的測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)功能的靈活性，構(gòu)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(shù)具有以下特點(diǎn)：功能強(qiáng)、性價(jià)比高、開放性好、虛擬儀器豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能，用戶可以根據(jù)測(cè)量需要添加外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測(cè)量功能，也可以自定義便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器"。并且，虛擬儀器操作方便，通過(guò)圖形用戶界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，大大地提高工作效率。 2.1 虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu) 虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口，設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(gòu)成: 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件。計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類型的計(jì)算機(jī)。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展促進(jìn)了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。按照測(cè)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(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu).它們主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換，具體分類為： 1PC總線型：借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的虛擬儀器軟件相結(jié)合，它可以通過(guò)各種控件組建各種儀器。 2GPIB總線型是IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段.它的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展. GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)儀器組合起來(lái)形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng). 3串口總線型是可連接到計(jì)算機(jī)串行口的測(cè)試裝置。它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)，儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上,通常可以完成各種測(cè)量測(cè)試儀器的功能,可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀等儀器. 4VXI總線型是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME總線在虛擬儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源、強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽. 5PXI總線型是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)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(kuò)展性,與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將形成未來(lái)的虛擬儀器平臺(tái)。 2.1.2虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)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(cè)試任務(wù)，編制不同的測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析，由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來(lái)完成傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件包括應(yīng)用軟件、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和通用I/O接口軟件3部分。應(yīng)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(shè)計(jì)過(guò)程 虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括測(cè)試需求分析、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成 及系統(tǒng)調(diào)試等。 4.虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用 虛擬儀器的發(fā)展是信息技術(shù)的一個(gè)主要領(lǐng)域。對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)有著不可估量的影響�？蓮V泛應(yīng)用于電子測(cè)量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機(jī)械工程、建筑工程、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。 4.1機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中虛擬儀器的應(yīng)用 在機(jī)械工程領(lǐng)域的日常工作中，常常要對(duì)機(jī)械 傳動(dòng)的性能、參數(shù)進(jìn)行測(cè)試與分析。傳統(tǒng)的測(cè)試一般要借助體積龐大、價(jià)格昂貴、功能相對(duì)簡(jiǎn)單的儀器完成，加之傳統(tǒng)工程測(cè)試系統(tǒng)不能兼容和共享相關(guān)的軟硬件資源，加大了測(cè)試成本，降低了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和信息技術(shù)的發(fā)展，借助計(jì)算機(jī)可使傳統(tǒng)儀器的功能更強(qiáng)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(jì)算機(jī)的集成度。 軟件部分主要是運(yùn)用計(jì)算機(jī)將傳統(tǒng)測(cè)試儀器的檢測(cè)功能軟件化，也就是將測(cè)試功能實(shí)施軟件化設(shè)計(jì)。硬件部分是依據(jù)具體的測(cè)試要求把所用到的模塊化硬件接口卡插入計(jì)算機(jī)總線槽中，再借助傳感器和測(cè)量電路把測(cè)試對(duì)象與模塊接口卡進(jìn)行連接。這樣一套完善的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)方可形成。為充分展現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以采用集成測(cè)試手段把多種傳統(tǒng)儀器測(cè)試功能、面板控件等集成于同一軟件平臺(tái)上，使一臺(tái)計(jì)算機(jī)成為多功能的工程檢測(cè)儀器。由于部分硬加工轉(zhuǎn)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(diǎn)。 4.2分析儀器虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè) 建立分析儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用者可以在理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，可以按照自己的想法在虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上動(dòng)手操作，而無(wú)需擔(dān)心由于操作失誤造成的儀器設(shè)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(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的建立，有利于培養(yǎng)和提高使用者的實(shí)踐操作能力，分析判斷能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)作能力和創(chuàng)新意識(shí)。 將虛擬仿真所需要的相關(guān)資料，分析儀器標(biāo)準(zhǔn)操作示范圖片，分析儀器實(shí)驗(yàn)室設(shè)備圖片，動(dòng)畫素材，專家微課視頻，等所有相關(guān)教學(xué)資源均上傳到虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，此平臺(tái)對(duì)公眾開放，使用者可以隨時(shí)以自己的ＩＤ身份登錄虛擬平臺(tái)，在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行操作演練，虛擬平臺(tái)會(huì)使用者的操作演練進(jìn)行評(píng)判打分，使用者可以實(shí)時(shí)的指導(dǎo)自己操作過(guò)程中的錯(cuò)誤，并及時(shí)糾正。另外，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，使用者和專家可以通過(guò)此虛擬平臺(tái)進(jìn)行跨越時(shí)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(yàn)，解決問(wèn)題。 4.3虛擬儀器在智能機(jī)器人實(shí)踐課程中的應(yīng)用 虛擬儀器的應(yīng)用將復(fù)雜的電路、傳感器等的設(shè)置問(wèn)題轉(zhuǎn)換成只需要懂得基本的算法設(shè)計(jì)思想和編程技能就可以操作機(jī)器人的問(wèn)題，有效地降低了課程的入門門檻，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)信心。利用LabVIEW 平臺(tái)將對(duì)各種儀器進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N控制單元，包括運(yùn)動(dòng)控制單元、傳感器控制單元、語(yǔ)音控制單元以及視頻控制單元等參數(shù)輸入和結(jié)果獲取的過(guò)程；將各種儀器的電路控制的過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)?/font>LabVIEW平臺(tái)結(jié)構(gòu)化連線的功能。這種將復(fù)雜問(wèn)題分步解決的方式有利于問(wèn)題的簡(jiǎn)化，大大提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效率。利用LabVIEW 平臺(tái)將各類信號(hào)的處理和識(shí)別轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和算法的優(yōu)化問(wèn)題，大幅提高計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用面。 5.虛擬儀器技術(shù)的展望 虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟(jì)性，因而特別適 應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高更新的測(cè)量課題和測(cè)量需求。 展望未來(lái)，虛擬儀器將會(huì)有以下發(fā)展趨勢(shì)： 5.1 標(biāo)準(zhǔn)化 目前，虛擬儀器的PCI、VXI、PXI 等技術(shù)規(guī)范已成功實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，但在觸發(fā)方式、延時(shí)、同步、不同通道的共用時(shí)基等方面還未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這將影響其在不同平臺(tái)上的互換性和移植性，也將影響虛擬儀器軟件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化。虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)將會(huì)繼續(xù)朝著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的方向發(fā)展，模塊式結(jié)構(gòu)使測(cè)試系統(tǒng)體積不斷減少、處理速度不斷提高，從而使測(cè)試系統(tǒng)的小型化和微型化成為可能。 5.2 網(wǎng)絡(luò)化 網(wǎng)絡(luò)化是虛擬儀器的另一發(fā)展趨勢(shì)。利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，將分布于不同位置的虛擬儀器、外部設(shè)備、被測(cè)試點(diǎn)、數(shù)據(jù)庫(kù)等資源有效連接起來(lái)，克服了一般虛擬儀器將測(cè)試儀器的三大功能模塊都局限在單一的計(jì)算機(jī)上的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)資源共享功能，共同完成測(cè)試任務(wù)。 5.3 軟件開發(fā)平臺(tái)的智能化 虛擬儀器的研究已經(jīng)取得很多進(jìn)展，但仍存在不少問(wèn)題。首先，虛擬儀器的成功開發(fā)需要軟件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和儀器專業(yè)知識(shí)的有機(jī)結(jié)合，因此對(duì)普通用戶來(lái)說(shuō)，自己開發(fā)虛擬儀器還不太現(xiàn)實(shí)；其次，虛擬儀器的設(shè)計(jì)難度大、效率低，盡管ActiveX、COM 等技術(shù)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(shè)計(jì)時(shí)仍然需要編寫大量代碼才能將這些部件組合成一個(gè)完整的系統(tǒng)。最后，虛擬儀器的可重構(gòu)性很差，用戶若需要改變儀器的某些功能，必須要經(jīng)過(guò)代碼層次上的修改才能實(shí)現(xiàn)。采用人工智能技術(shù)提高虛擬儀器的可重構(gòu)能力、降低虛擬儀器的設(shè)計(jì)難度，將會(huì)是虛擬儀器技術(shù)的又一發(fā)展方向。 結(jié)束語(yǔ) 虛擬儀器目前正在向功能綜合化的多功能虛擬儀器庫(kù)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(shù)也成為推動(dòng)虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)力！虛擬儀器的出現(xiàn)是科技界、教學(xué)界和測(cè)試儀器制造界的一次具有深遠(yuǎn)意義的技術(shù)革命。
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