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虛擬儀器是80年代末出現的新的儀器概念，它是計算機技術(shù)、測量?jì)x器技術(shù)和軟件技術(shù)的高速發(fā)展共同孕育出的一項革命性新技術(shù)。虛擬儀器的出現，徹底改變了傳統的儀器觀(guān)，開(kāi)辟了測量測試技術(shù)的新紀元。 1 虛擬儀器的概念 微機及DSP提供了強大的計算能力使得在一定的實(shí)時(shí)性要求下代替了許多原來(lái)由硬件完成的功能，這標志著(zhù)“軟件即儀器（The software is the instrument）”時(shí)代的到來(lái)。人們給這樣的測試儀器起了一個(gè)形象的名字——虛擬儀器。 從1987年以專(zhuān)用集成電路(ASIC)和計算機技術(shù)為基礎的總線(xiàn)儀器——虛擬儀器的雛形問(wèn)世，到1993年虛擬儀器已發(fā)展到三百多家廠(chǎng)商、一千多種虛擬儀器產(chǎn)品，1995年廠(chǎng)商更達一千余家，產(chǎn)品達數千種。據預測，到2000年將有50%的儀器儀表是虛擬儀器。 1．1 虛擬儀器的概念 虛擬儀器指具有虛擬儀器面板的個(gè)人計算機儀器，它可利用軟件在微型機屏幕上構成虛擬儀器面板，在有足夠的硬件支持下對信號進(jìn)行采樣，在離線(xiàn)條件下，經(jīng)軟件處理而得到測量結果。它具有結構簡(jiǎn)單、一機多用、測量精度高等特點(diǎn)，使用者自己操作這臺計算機，就象是在操作一臺自己專(zhuān)門(mén)設計的傳統電子儀器。 虛擬儀器的基本思想是利用計算機來(lái)管理儀器、組織儀器系統，進(jìn)而逐步代替儀器完成某些功能，最終達到取代傳統電子儀器的目的。虛擬儀器實(shí)質(zhì)上是軟硬結合、虛實(shí)結合的產(chǎn)物，是充分利用最新的計算機技術(shù)來(lái)實(shí)現和擴展傳統儀器的功能。在虛擬儀器系統中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統的關(guān)鍵。任何使用者都可通過(guò)修改軟件的方法方便地改變、增減儀器系統的功能和規模。 1．2 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) 我們知道，任何儀器都基本上分三部分組成，即數據采集與控制、數據處理與分析、數據的顯示。傳統儀器是將這三部分放在一個(gè)儀表機箱內，而虛擬儀器則是一種功能意義上的儀器，是具有儀器功能的軟硬件組合，它并不強調物理上的實(shí)現形式。虛擬儀器相對傳統儀器的優(yōu)勢是顯而易見(jiàn)的，概括起來(lái)有以下幾個(gè)方面： （1） 傳統儀器功能由儀器廠(chǎng)商定義；虛擬儀器功能由用戶(hù)自己定義。儀器制造廠(chǎng)僅需提供基本的軟硬件，如信號調節器、信號轉換器等硬件和儀器應用軟件生成環(huán)境等軟件，真正需要什么樣的儀器功能則是用戶(hù)自己的事情。 （2） 傳統儀器與其它儀器設備的連接受限制；而虛擬儀器則是面向應用的系統結構，可方便地與網(wǎng)絡(luò )、外設及其它應用連接。 （3） 傳統儀器圖形界面小，人工讀數，信息量少；虛擬儀器則展現圖形界面，計算機直接讀數、分析處理。 （4） 硬件是傳統儀器的關(guān)鍵部分；而虛擬儀器中硬件僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器的關(guān)鍵部分，其測試功能均由軟件來(lái)實(shí)現。 （5） 傳統儀器系統封閉，功能固定；虛擬儀器則是基于計算機技術(shù)的開(kāi)放靈活的功能模塊，可構成多種儀器。 （6） 傳統儀器擴展性差，數據無(wú)法編輯；虛擬儀器數據可編輯、存儲、打印。 （7） 信號每經(jīng)過(guò)一次硬件處理都會(huì )引起誤差；由于虛擬儀器減少了硬件的使用，因而減少了測量誤差。 （8） 傳統儀器價(jià)格高，技術(shù)更新慢（周期為5～10 a），開(kāi)發(fā)和維護費用亦高；虛擬儀器價(jià)格低（是傳統儀器的五至十分之一），而且可重復利用，技術(shù)更新也快（周期為1～2 a），基于軟件的體系結構大大節省了開(kāi)發(fā)和維護費用。 虛擬儀器在國際上早已進(jìn)入實(shí)用階段，在我國雖剛起步，但發(fā)展迅速，已在電子測量、物理探傷、電子工程、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、物礦勘探、故障分析及教學(xué)科研等方面的數據采集和分析中廣泛應用。 2 虛擬儀器的系統構成 虛擬儀器的基本框圖如圖1所示。 圖1 虛擬儀器構成的基本框圖 2．1 虛擬儀器的硬件構成 如圖1，虛擬儀器的硬件構成有多種方案，通常采用以下幾種： （1） 基于通用接口總線(xiàn)GPIB接口的儀器系統 GPIB（General Purpose Interface Bus）儀器系統的構成是邁向虛擬儀器的第一步，即利用GPIB接口卡將若干GPIB儀器連接起來(lái)，用計算機增強傳統儀器的功能，組織大型柔性自動(dòng)測試系統，技術(shù)易于升級，維護方便，儀器功能和面板自定義，開(kāi)發(fā)和使用容易。它可高效靈活地完成各種不同規模的測試測量任務(wù)。 利用GPIB技術(shù)，可用計算機實(shí)現對儀器的操作和控制，替代傳統的人工操作方式，排除人為因素造成的測試測量誤差。同時(shí)，由于可預先編制好測試程序，實(shí)現自動(dòng)測試，提高了測試效率。 （2） 基于數據采集的虛擬儀器系統 通過(guò)A/D變換將模擬、數字信號采集入計算機進(jìn)行分析、處理、顯示等，并可通過(guò)D/A轉換實(shí)現反饋控制。根據需要還可加入信號調理和實(shí)時(shí)DSP等硬件模塊。 （3） 利用VXI總線(xiàn)儀器實(shí)現虛擬儀器系統 VXI（VME bus extension for Instrumention）總線(xiàn)為虛擬儀器系統提供了一個(gè)更為廣闊的發(fā)展空間。VXI總線(xiàn)是一種高速計算機總線(xiàn)——VME（Versa Module Eurocard）總線(xiàn)在儀器領(lǐng)域的擴展。由于其標準開(kāi)放，傳輸速率高，數據吞吐能力強，定時(shí)和同步精確，模塊化設計，結構緊湊，使用方便靈活，已越來(lái)越受人們的重視。它便于組織大規模、集成化系統，是儀器發(fā)展的一個(gè)方向。 （4） 基于串行口或其它工業(yè)標準總線(xiàn)的系統 將某些串行口儀器和工業(yè)控制模塊連接起來(lái)，組成實(shí)時(shí)監控系統。 2．2 虛擬儀器的軟件構成 構成一個(gè)虛擬儀器系統，基本硬件確定以后，就可通過(guò)不同的軟件實(shí)現不同的功能。軟件是虛擬儀器系統的關(guān)鍵。沒(méi)有一個(gè)優(yōu)秀的控制分析軟件，很難想象可以構成一臺理想的虛擬儀器系統。 以VXI虛擬儀器系統為例（圖2），從圖可以看到，VXI虛擬儀器系統至少需要儀器、通信和驅動(dòng)程序三種接口軟件。其中儀器接口為儀器與計算機之間的通信協(xié)議和方法。通信接口按標準方式將儀器連接起來(lái)，它是儀器與儀器驅動(dòng)程序之間的通信接口，實(shí)際上就是VXI系統的I/O接口軟件。儀器驅動(dòng)程序接口將通信接口與應用開(kāi)發(fā)環(huán)境（ADE）連接起來(lái)。 圖2 VXI虛擬儀器系統軟件結構框架 儀器驅動(dòng)器是完成對某一特定儀器控制與通信的一段程序。它作為用戶(hù)應用程序的一部分在計算機上運行。儀器驅動(dòng)器是VXI虛擬儀器系統的核心，是完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。應用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境將計算機的數據分析、顯示能力與儀器驅動(dòng)器融合在一起，為用戶(hù)開(kāi)發(fā)虛擬儀器提供了必要的軟件工具和環(huán)境。目前有兩種較流行的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境：一是用傳統的編程語(yǔ)言設計虛擬儀器，如HPITGII、Labwindows等；一是用圖形編程語(yǔ)言設計虛擬儀器，如HPVEE，LabVIEW等。 特別指出LabVIEW是美國國家儀器公司（National Instruments Co．）推出的圖形化軟件編程平臺。在這個(gè)平臺上，各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的工程師、科學(xué)家們通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標來(lái)方便迅速地建立高水平的應用程序。在這個(gè)軟件環(huán)境中，提供了一種象數據流一樣的編程模式，用戶(hù)只要連接各個(gè)邏輯框即可構成程序。同時(shí)，還以圖形方式提供了大量的顯示和分析程序庫，利用軟件平臺可大大縮短虛擬儀器控制軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且在這個(gè)平臺上用戶(hù)可以建立自己的測試方案。 3 虛擬儀器的應用 3．1 電力參數測試裝置 該裝置由武漢水利電力大學(xué)電力工程學(xué)院研究。虛擬儀器下的電力參數測試充分利用了微型機的硬件資源，并盡可能以軟件代替硬件，使儀表的硬件結構簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低廉。 該裝置以微型機為核心，將電力參數采集卡插入微型機總線(xiàn)插槽中，直接與微型機內總線(xiàn)連接，以實(shí)現對電力參數的測試。其硬件結構框圖見(jiàn)圖3。 圖3 電力參數測試裝置結構框圖 圖中，三相電壓、電流信號由電力線(xiàn)經(jīng)電壓互感器、電流互感器引入，經(jīng)變壓器和霍爾電流傳感器后，6路輸入Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic均為交流信號；同時(shí)，根據采樣原理，使6路信號分別經(jīng)6個(gè)采樣保持器，在同一采樣脈沖信號控制下，對這6路信號同時(shí)采樣。為了實(shí)現對每一信號的頻率跟蹤，該系統采用鎖相環(huán)跟蹤技術(shù)：將一路被測信號經(jīng)零檢測電路變成方波信號（此方波信號的頻率與電網(wǎng)基頻相同），同時(shí)對它進(jìn)行跟蹤、鎖相和倍頻。這樣就能使采樣脈沖的頻率fs嚴格地跟蹤電網(wǎng)基頻f1，且每一周期內的采樣點(diǎn)數N＝fs/f1為恒定常數。采樣的6路模擬量經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)后依次送到A/D轉換器。測頻采用測周方式：假如在一個(gè)周期內，計數脈沖數為m，則被測信號頻率為fx＝fc/m，其中fc為計數脈沖的頻率。 應用軟件采用Borland C＋＋和Visual Basic編寫(xiě)。由于C語(yǔ)言具有直接操作硬件的功能，故采用其編寫(xiě)儀器的驅動(dòng)程序，以便完成儀器的接口。虛擬儀器的軟面板采用VB制作，它由4個(gè)互不重合的窗口組成：控制窗口、狀態(tài)窗口、繪圖窗口和數據顯示窗口。 3．2 內燃機試驗測試系統 清華大學(xué)汽車(chē)工程系利用虛擬儀器技術(shù)構建的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機檢測系統，用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的出廠(chǎng)檢測，主要檢測發(fā)動(dòng)機的功率性、負荷性等。 過(guò)去采用DOS下的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)程序，開(kāi)發(fā)出來(lái)的檢驗系統的功能、操作界面及使用的方便程度都不很理想。利用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW后，使整個(gè)系統移植到LabVIEW下，并大大增強了功能，操作界面也更加美觀(guān)，檢測時(shí)間大大減少，使用更加方便。檢測后還能打印出完整的測試報告。 |
