现代制造技术与装备 ２０１０第１期总第１９４期 虚拟仪器的开发和应用 方淑萍 （甘肃省技术监督局，兰州７３００７０） 摘 要：本文论述了虚拟仪器的概念、组成，并与传统仪器进行了对比，并利用ＬａｂＶＩＥＷ软件讨论了虚拟 仪器的开发，从高校实验教学的角度论述了虚拟仪器的应用，得出了虚拟仪器在野外测量及大专院校实验教学 中具有明显的优点和广阔的发展前景的结论。 关键词：虚拟仪器ＬａｂＶＩＥＷ 仿真试验 １虚拟仪器 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２１世纪科学技术中的三大 核心技术『１１。虚拟技术包括虚拟加工、虚拟测试、虚拟控制 及虚拟环境模拟。 虚拟仪器（ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，简称为ＶＩ）是虚拟技术的 一个重要组成部分。它是由计算机技术、测量技术和微电 子技术高速发展而孕育出的一项革命性技术。这一创新 使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不象传 统仪器那样受到仪器厂家的限制。虚拟仪器的出现彻底 改变了传统的仪器方法，开辟了测控技术的新纪元。 虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，通过配 置Ｉ／Ｏ接口设备，将采集到的信号送往计算机，利用计算机 显示器来模拟传统仪器的控制面板，通过用户编写不同测 试功能的软件，对采集到的信号进行处理分析并输出、显 示。２０世纪８０年代中期，美国国家仪器公司（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，简称为ＮＩ）首先提出了“软件就是仪器”（Ｔｈｅ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）这一虚拟仪器概念。这个概念为用 户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。 虚拟仪器由硬件和软件两部分构成。硬件由计算机和 Ｉ／Ｏ接口设备组成，按功能可分为３个主要部分：①信号 输入：完成信号的采集、放大和Ａ／Ｄ转换，将被测信号变 成标准信号（一般用电压信号）以利于计算机处理。对于 多量程采集卡，只需根据传感器输出选择量程即可。②信 号输出：将计算机产生的数字信号经过信号调理转换成 适合于被测系统的激励信号。这两部分由Ｉ／Ｏ接口设备 （如：数据采集卡、ＧＰＩＢ总线仪器、ＶＸＩ总线仪器、ＰＸＩ总 线仪器和串口系统等）完成。③信号处理：利用计算机对 所采集的信号进行分析、显示和存储等，Ｐｃ机是硬件平台 的核心。软件是虚拟仪器的核心，仪器的功能由用户在软 件平台上编程实现。 目前最常用的软件开发工具是美国ＮＩ公司的 ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ １２１和ＬａｂＶＩＥＷ。ＮＩ公司的虚拟仪器平 台——ＬａｂｖＩＥｗ简化了虚拟仪器系统的开发过程，缩短了 系统开发和调试的周期。即使是个编程的新手，也能用全 图形化方式编程的ＬａｂＶＩＥＷ很快地”画”出程序来。因为 ＬａｂＶＩＥＷ是真正面向科学家和工程师的编程语言。 ２虚拟仪器的特点［３】［ １ 与传统仪器相比，虚拟仪器具有下面一些特点。 （１）虚拟仪器的软硬件都具有开放性、模块化、互换性、 可重复使用等特点。一般运行于Ｗｉｎｄｏｗｓ环境，可以同时启 用多个应用，而且用户可以根据需要灵活组合，大大提高了 使用效率，克服了传统仪器功能专一限制很死的缺点。 （２）大大地降低了测试成本。传统测量多采用硬件设备 或仪器，这些设备本身的制造成本就很高，在实验室或研究 所内使用还可以。但是，在野外、工作现场，设备的搬运、维 护费用很高，使测试成本大大地提高，有时甚至无法实现。 而虚拟仪器是借助于计算机以软件为核心，随着计算机的 微型化，携带非常方便，有人形象地说“把实验室拎着走”。 由于所有信号有一个公用的量化、分析和处理通道，减少了 复杂的开关矩阵和信号电缆。因此，采用虚拟仪器既省去了 大量设备硬件的制造成本，也减少了搬运维护等费用，对于 经济条件较紧张的我国来说更具有现实意义。 （３）使用效率高。传统仪器都是自成系统、功能单一、 体积庞大、仪器繁多，而虚拟仪器只需要一台计算机，其 它必须的硬件如Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ等都是固定在计算机插槽上 的，体积小，使用起来非常方便。 虚拟仪器是一种软件化的测量装置，软件的灵活性与 复用性使用户可以根据自己的需要定义测量装置，也可以 灵活地组合仪器。模块化和规范化的设计为虚拟仪器组建 自动测试系统提供了极大的方便。资源可重复使用，做完实 验后，Ｐｃ机又可转入它用，不仅虚拟仪器工作台的Ｐｃ机可 以一机多用，而且即使实验室也可以一室多用，节约了设备 资源，提高了利用率，可缓解高校实验室空间不足的局面。 （４）功能更强大，处理能力更强。信号处理理论的不 断完善和计算机运算能力的大大提高，使虚拟仪器具有 强大的数据处理能力。这就是通常所说的“一台有采集卡 的计算机加上用户自己开发的ｖＩ，就具有了几个实验室 仪器的测试能力”。 （５）远程访问和交互式操作。通过ＩｎｔｅｒＮＥＴ真正实现 软硬件资源的共享。这样研究人员可不到现场就能高效地 进行实验，而把工作重点放在实验结果的处理分析上，大 设计与研究 ２３ 大提高了科技人员的工作效率，降低了劳动强度。将多种 测试集于一体的方法缩短了测试时间，提高了测试速度。 （６）测量精度更高。传统仪器的操作件都是物理实 体，操作次数多了可能会出现滑丝、指示不准等机械故 障，导致测量误差大。而虚拟仪器主要是软件完成，操作 简单，受电缆长度、阻抗和仪器修正因素的影响较小，提 高了测量的准确性和可重复性，测量精度也会相应提高。 ３虚拟仪器的开发和应用 基于虚拟仪器的众多优点，上世纪末我国也掀起了虚 拟仪器的开发热。下面以作者开发的“机械工程测试技 术”课程的部分虚拟仪器实例分析其特点。 ３．１虚拟仪器的开发 在机械测试实验中，有很多装置可以用软件来代替， 信号的分析与处理等传统试验都可以通过开发的虚拟仪 器来实现。比如，测量装置的动态特性是测试课程的常规 实验，主要演示零阶、一阶和二阶测量装置的动态特性。 可以利用ＬａｂＶＩＥＷ软件进行检测系统开发，借助软件平 台进行开发。图１为设计的实验装置的前面板，图２为二 阶测量装置的动态特性演示实验过程图。可以看出，该虚 拟仪器除了可以方便地完成图１所示的功能外，还可以 进行动态参数的调试，使试验效果既逼真又方便，收到传 统仪器无法想像的效果。另外，由于软件不受时间和空问 的限制，学生可以根据自己的需要，随时随地在网上做试 验。大大地节约人力物力。 苎 墼 氅 逊＿ 墼 ～ ¨ ｜ ％ ｝ ＊ § 鼯一 蓖０ｌ蚕醛藏囊 ４ 弧Ｅ臻强 麓强 毒嚣Ｈ强｜ｔ％麴 鲤 强强 啦罐强壤馥毪棼强 簪ｌ ｔ≤ ≯誊 蘩｜蘩 蘩强萋 ＿ ＿ 罨霉毫 鬻囊囊蘩强叠鬻 鬟 ｌｌ— 塑堡 ■毳一～一ｇ誊警ｉ强甏镶鬣 塞坠～一 黎 强蠹 嘉 ｉ 一差妻翌 一 蘩｜鼍～～～墼 ｉ 琵蔓 矗馥簿毫誊∞｜臻髓辫 薯ｉ趣强§薯鬈曩 骛魏豢蘩嚣ｌ 图１测量装置的动态特性实验的前面板 圈２测量装置的动态特性实验之一（二阶系统） ３．２虚拟仪器在计量室建设中的优势 从上述实例可以看出：（１）降低了检测成本。按传统 检测来说，完成上面实验需要传感器、示波器、信号处理 装置、转换装置等多个仪器和设备；而在本演示检测中仅 仅在Ｐｃ机上就可以方便地实现，检测可以在网上进行，可 以实现企业间资源共享，大大提高了设备的利用率，降低 了检测成本。（２）动态演示直观逼真，效果更好。可以通过 选择信号、改变固有频率和阻尼比的值进行动态演示，反 映各因素的影响，这种直观的动态演示是传统实验无法实 现的。并在软件中加入了在线辅导，检测总结等项目，减小 了工作人员的劳动强度。（３）几乎不需要仪器的维护，人为 因素减少，检测精度更高。虚拟仪器演示实验是由软件完 成的，不存在设备损坏、磨损，几乎不用维护，可以无限次 地进行演示检测，而且只要有上网的ＰＣ机，可不受时间和 空间的限制，实现真正意义上的实时在线服务，这正好适 应了企业建立开放式实验室的需要。同时消除了人为造成 的各种误差，提高了测试精度。（４）虚拟仪器检测更灵活， 可以很方便地实现该检测软件的外扩、延伸以及与其它软 件的链接，从而实现其它功能，这正是虚拟仪器软件（如 ＬａｂＶＩＥＷ）的一大特点。（５）特别是ＰＣ机平台的虚拟仪器 具有强大的软件开发资源，造价低，性能优越，非常适合于 各大专院校进行实验室的开发与建设。 另外，由于虚拟仪器主要是由软件组成的，因此，特别 适合于野外检测。比如，进行野外桥梁振动检测、野外探 矿，最忌讳的就是设备笨重携带不便，有了虚拟仪器就方 便多了。现在，由于手提电脑的发展，可以将很多野外检 测、信号分析和处理的设备用软件存入电脑，方便地实现 野外检测、信号分析和处理，免去了很多笨重的检测设 备，节省了大量的搬运成本。 ４结论 虚拟仪器作为虚拟技术的一个重要组成部分具有传 统仪器无法比拟的优势，特别是接近于零成本的经济价值 正好解决了我国企业资金紧张的难题，在实验室建设中具 有广阔的发展前景。同时对于野外探测具有传统仪器无法 比拟的优势。随着计算机技术的不断发展和虚拟仪器软件 的日趋完善，虚拟仪器将会越来越受到人们的重视。 参考文献 ［１］汪敏生等译著．ＬａｂＶＩＥＷ基础教程【Ｍ］．北京：电子工业出版 社，２００２．１．第１版． ［２］刘君华．虚拟仪器编程语言Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ｃｖＩ教程【Ｍ］．北京： 电子工业出版社，２００１． ［３］张艾萍等．基于虚拟仪器的实验教学系统及其应用ｌＪＪ．振动、 测试与诊断，２００２．９．第２２卷增刊． ［４］周荃，张小栋等．虚拟仪器教学实验室的建立［Ｊ】．振动、测试 与诊断，２００２．９．２２卷增刊． Ａｐｐｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｌｌｅｇｅｓ‘ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｔｅａｃｈｉｎｇ ＦＡＮＧ ＳｈｕＥｉｎｇ （Ｇａｎｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ， Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｔｒｕｅｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ Ｖ１ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｔｒｕｅｓ ａｒｅ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ’Ｓ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｏｎ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＶＩ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＶＩ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ ｉｎ ｃｏｌｌｅｇｅｓ’ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ＬａｂＶＩＥＷ，ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ