虚拟仪器浅析

第２３卷第４期（总第１０３期）　Ｖｏ１．２３　Ｎｏ．４（ＳＵＭ　Ｎｏ．１０３）　机械管理开发　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ　ＡＮＤ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ　２００８年８月　Ａｕｇ．２００８　虚拟仪器浅析六　柴慧霞，程珩，薛　松　太原０３００２４）　（太原理工大学机械电子工程研究所，山西【摘　要】　虚拟仪器的出现是对传统仪器观念的一次变革。虚拟仪器目前已广泛应用于科研、生产、教学等领域．并　且随着科学技术的发展拥有广阔的发展前景。简要介绍了虚拟仪器的原理，对虚拟仪器的现状和优点进行了具体的　分析，并对虚拟仪器的发展趋势作了展望。　【关键词】虚拟仪器；Ｌａｂｖｉｅｗ；网络化　【中图分类号】　ＴＨ７２２　【文献标识码】　Ａ　【文章编号】１００３—７７３Ｘ（２００８）０４—０１６６—０２　Ｔａｌｋｉｎｇ　ａｂｏｕｔ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ＣＨＡＩ　Ｈｕｉ－ｘｉａ，ＣＨＥＮＧ　Ｈｅｎｇ。ＸＵＥ　Ｓｏｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｓｈａｎｘｉ）　（Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｉｓ　ａｎ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｆ　ｏｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｓｏ　ｆａｒ，Ｖｉｔｒｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｏｆ　ｓｃｉｅｎｃｅ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．Ａｎｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｗｉｌｌ　ｈａｖｅ　ａ　ｗｏｎｄｅｒｆｕｌ　ｔｏｍｏｒｒｏｗ．　Ｉｈｉ８　ｄｏｃｕｍｅｎｔ　ｗｉｌｌ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｒ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｉｔ．　Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｉｓ　ｄｏｃｕｍｅｎｔ　ｗｉｌ　ｏｖｅｒｌｏｏｋ　ｔｈｅ　ｔｒｅｎｄ　ａｎｄ　ｔｅｎｄｅｎｃｙ　ｏｆ　Ｖｉｔｒｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．　（Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ；Ｌａｂｖｉｅｗ；Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　０引　言　２虚拟仪器的组成　现今，无论在实验室、生产车间、户外现场，对机械　设备、电气设备、通讯设备、环境污染等对象动态测试　时，通常除传感器和信号调理器之外，还需多种多台　虚拟仪器的硬件系统，一般分为计算机硬件平台　和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的　计算机，计算机管理着虚拟仪器的软硬件资源，是虚　测试仪器；这就使得测试分析系统操作复杂、体积庞　大，而且价格十分昂贵。为了从根本上改善现行测试系　统的模式，必须从概念更新人手，建立新型的现代化　测试系统。２０世纪中期，美国国家仪器公司（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＮＩ）率先提出了虚拟仪器的概　拟仪器的硬件支撑。按测控功能硬件的不同，虚拟仪　器可分为ＧＰＩＢ、ＶＸＩ、ＰＸＩ、ＤＡＱ四种标准体系结构。　２．１　ＧＰＩＢ（ＧｅｎｅｒａｌＰｕｒｐｏｓｅＩｎｔｅｒｆａｃｅＢｕｓ）通用总线接口　ＧＰＩＢ接口总线是计算机和仪器间的标准通讯协　议。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了　ＩＥＥＥ－４８８的ＧＰＩＢ接口。每台ＧＰＩＢ仪器有单独的地址，　由计算机操作。系统中的仪器可以减少、增加、更换，　只需对计算机的软件做相应改动。但是ＧＢＩＰ的数据传　输速度比较低（一般低于５００　ｋｂｉｔ／ｓ），不适合系统速度　要求较高的系统。’　２．２　ＶＸＩ（ＶＭＥｂｕｓｅＸｔｅｎｓｉｏｎｆｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）总线系统　念。虚拟仪器的一大优点就是具有集成性，通过“测试　集成”可将多种仪器的功能集成在一个计算机和模块　化仪器硬件的基础上实现。虚拟仪器的出现是对传统　仪器观念的一次变革，是２１世纪测控仪器的重要发展　方向。　１　虚拟仪器的简要介绍　虚拟仪器是由计算机硬件资源［Ｉ】、模块化仪器硬　件和用于数据分析、过程通讯、图形用户界面软件组　成的测控系统，是以计算机作为仪器的统一硬件平　ＶＸＩ系统可以包含２５６个装置，由主机箱、零槽控　制器、具有多种功能的模块仪器、驱动软件和系统应　用软件等组成。系统中各个模块可以更换、即插即用　地组成新系统。　２．３　ＰＸＩ（ＰＣＩ　ｅＸｔｅｎｓｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）总线系统　台：实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系　统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件与仪器硬件有机　地融合为一体，从而把计算机的强大数据处理能力和　仪器硬件的测量、控制能力有机地结合在一起，从而　ＰＸＩ是ＮＩ公司１９９７年发布的一种新的开放性、模　块化仪器总线规范。　大大地缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实　２．４　ＤＡＱ（Ｄａｔａ　ＡｃＱｕｉｓｉｔｉｏｎ）数据采集系统　ＤＡＱ数据采集系统是基于ＰＣ计算机标准总线（如　现对数据的显示、存储及分析处理。　收稿日期：２０ｏ７一ｌ１—２９；修回日期：２００８一ｏ４＿２７　基金项目：山西省自然科学基金资助项目（２００５１０４７）　作者简介：柴慧霞（１９７８一），女，山西临汾人，太原理工大学在读硕士研究生，主要从事虚拟仪器及机械故障诊断研究。　・１７２・　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷第４期（总第１０３期）　柴慧霞．等：虚拟仪器浅析　２０ｏ８年８月　ＩＳＡ．ＰＣＩ　ＵＳＢ等）的数据采集功能模块。ＰＣ计算机挂接　统的对比发现，在现有分析手段下，发现其中的　Ｄ转　换和ＣＰＵ３￣作的时钟速率直接影响采样速度，对后续　ＤＡＱ功能模块，配合相应软件，就可构成一台具有若干　功能的ＰＣ仪器。现在ＤＡＱ的采样速率达到Ｇ　ｂｉｔ／ｓ，精度　高达２４位，并能任意结合Ｉ／Ｏ、计数器／定时器等通道。这　种基于计算机的仪器，既可享用ＰＣ机固有的智能资源，　又有高档仪器的测量品质，还能满足测量需求的多样　采用数字滤波降低噪声、提高信噪比和数据测量的准　确度有至关重要的影响。虚拟仪器的软件方面，主要　是评测其数学模型的建模、测量方法设置的参数、数　据分析算法等的准确度。专门对这方面进行评测的软　性，是一款特别适合我国国情的虚拟仪器方案。　２．５虚拟仪器的软件　软件是虚拟仪器系统的核心，“软件即仪器”正是　ＮＩ基于软件在虚拟仪器系统中的核心地位而提出的。　虚拟仪器的软件结构的主要组成是：ＶＩＳＡ（ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）虚拟仪器软件体系结　构、驱动程序、应用软件。　目前流行的虚拟仪器软件的开发环境有两类：一　类是图形化编程语言．如ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ：另一类　是文本式的编程语言，如Ｃ、ＶＢ、ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ等。截至　目前应用最为广泛的是ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ。　３虚拟仪器的优点　虚拟仪器显著优于传统仪器，但不否定传统仪　器，用它们相互交叉、相互补充。相得益彰。传统仪器　对设备进行动态测试时．通常除传感器和信号调理器　之外，还需多种多台测试仪器。这使测试分析系统的　价格昂贵、体积庞大、操作复杂，而且测控功能由厂家　定义，开发周期长、升级费用高。虚拟仪器通过“测试　集成”可将多种仪器的功能集成在一个计算机和模块　化仪器硬件的基础上实现。虚拟仪器的功能可由用户　根据自己的需要定义，一台虚拟仪器可将信号发生　器、数字示波器、信号分析仪等多台仪器的功能灵活　地组合在一起，形成用户需要的特定的应用设备。虚　拟仪器以软件为主进行开发，开发周期短，与计算机　同步发展，升级速度快，容易网络化，能实现数据共　享。虚拟仪器主要用于测控技术领域，数据的处理和　分析实际上是将被测试的动态信号当作动态数据加　以分析处理，这是目前测试分析仪器技术中重要的组　成部分。从发展的观点看．虚拟仪器实现网络化是必　然趋势，甚至已经开始成为现实。虚拟仪器实现网络　化不仅是虚拟仪器自身发展的需要，也是整个测试技　术发展的需要。　４虚拟仪器准确度的争议Ｉ２］　虚拟仪器的准确度主要决定于硬件系统准确度　和软件系统准确度。通过传统测试系统和虚拟仪器系　件还处于空白阶段。ＮＩ推出的测控仪器的总线标准　ＰＸＩ规范，其数据采样速率已达２Ｇ　Ｈｚ，测量准确度已　达７位数字，所以虚拟仪器和传统仪器的准确度正在逐　步拉近距离．随着计算机性能的提高，虚拟仪器的速率　会越来越快，准确度也会越来越高。　５　网络化虚拟仪器是发展趋势　网络化虚拟仪器是指具备网络功能的虚拟仪器，　它是仪器仪表领域一个新的发展方向，继承和发展了　虚拟仪器的概念，延伸和扩大了虚拟仪器的资源【３］。通　过网络技术，用户可以完成单机不能完成的工作，使　用远程数据库的强大功能和海量存储，对数据进行存　取、共享；重要数据实现了多机备份，提高了系统的稳　定性；进一步将共享数据扩展为远程参与和控制测试　过程，不必亲临现场就可对异地情况了如指掌，这种　方式将测试现场与监测控制现场分开，避免了传统仪　器的地域限制。对于有危险的、环境恶劣的不适合人　员操作的数据采集可以远程采集，解决了恶劣环境下　的测试问题；对连续的检测任务也非常有效，通过在被　控对象和控制者之间安装远程控制软件．配置相应参　数，能够远程监测、远程操作、远程维护，而且实时性　非常好；可以利用网络的分布式特性，使用网络上其　它计算机的资源．打破了单机功能和性能上的局限　性，能够远程检测多个过程，而且多个用户也可同时　对同一过程进行监控；网络还可共享各种资源，有利　于交流和沟通。　６结束语　随着科学技术的发展，计算机技术和信息技术的　日臻完善，以及网络的日益普及，可以预见虚拟仪器将　在科研、生产、教学等领域得到日益广泛的应用和发　展；网络化虚拟仪器的出现和发展，必将使虚拟仪器　的应用又前进一步。　参考文献　［１］秦树人虚拟仪器【Ｍ］．北京：中国计量出版社，２００４：３－６．　【２］冯可荣．虚拟仪器的准确度及其测试［Ｊ］．中国计量，２００４：　（２）１７—１８．　【３］美国国家仪器（ＮＩ）有限公司．虚拟仪器（白皮书）【Ｓ］．２００３．　・１７３・