（分析化学专业论文）虚拟仪器技术的研究及其在分析化学中的应用.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 本文比较详细的介绍了虚拟仪器技术概念、特点、组成，并论述 了基于虚拟仪器系统的实现方案。分别使用l a b v i e w 和v i s u a lb a s i c 两种软件开发环境，对数据采集系统中信号的传输、处理与显示，以 及基于单片机的控制系统进行研究，对流动注射、自动电位滴定和循 环伏安法等实验的进行测定、分析和显示，实现由用户定制的专用实 验系统。虚拟仪器的特点，使得本系统具有很好的通用性和灵活性。 通过编写l a b v i e w 和v b 程序，实现对数据采集模块的控制， 对数据进行采集、显示、分析以及存储，讨论了这些实现过程中的关 键技术；同时通过对a t 8 9 c 5 1 单片机的开发，完成计算机对蠕动泵、 电磁阀等硬件的控制。 建立了基于虚拟仪器技术的流动注射分析系统，采用流动注射停 流硫酸咔唑分光光度法测定烟叶中果胶，确立了最佳实验条件：采样 环体积为2 0 4ul ；测定波长为5 4 0a n l ；采用浓度0 1 5 的咔唑作显 色剂；停留加热时间为5m i n 。建立了基于虚拟仪器技术的自动电位 滴定分析系统，利用酸碱滴定法表征p a m a m 中伯胺和叔胺的平均 个数。实验测得的结果与理论值基本一致，能比较准确地表征 p a m a m 合成产物缺陷及纯度。建立了基于虚拟仪器技术的循环伏安 测定系统，使用循环伏安法的测定铁氰化钾。由计算机记录的伏安曲 线可方便地进行特殊点数值输出，较x - y 记录仪记录后手工测量判读 精确度高且方便。 通过虚拟仪器这一新技术在分析化学研究领域的应用，探索了适 应研究需要的通用、专用系统的开发的有效模式。 关键词：虚拟仪器，l a b v l e w ，v i s u a lb a s i c ，单片机 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n c e p t s c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p o n e n t so fv i s u a li n s t r u m e n t s ( ) w e r ei n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l ya n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fs y s t e mb a s e d o nv ii sd i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i t h l a b v i e wa n dv i s u a lb a s i cr e s p e c t i v e l ya n dt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n s i n g l e - c h i pw e r es t u d i e d ，a n dt h e yw e r ea p p l i e di nf l o wi n j e c t i o na n a l y s i s ， a u t o m a t i ce l e c t r i cp o t e n t i a lt i t r a t i o na n dc y c l i cv o l t a m m e t r ys ot h a tu s e r c u s t o m i z a t i o nw a sr e a l i z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv id e t e r m i n et h a tt h e s y s t e mi sm o r ef l e x i b l ea n dh a sw i d e ra p p l i c a t i o nf i e l d s w i t hl a b v i e wa n dv bp r o g r a m s t h ec o n t r o lo fd a t aa c q u i s i t i o n m o d u l e ，a n ds i g n a l ss a m p l i n g ，d a t ad i s p l a y ，d a t aa n a l y s i s ，d a t as a v i n gi n p cw a r er e a l i z e d t h e i rk e yt e c h n i q u e si n r e a l i z i n gp r o c e s s e s a r e d i s c u s s e d a tt h es a m et i m e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa t 8 9 c 51s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , t h ec o n t r o l so fp e r i s t a l t i cp u m p e l e c t r o m a g n e t i c v a l v ea n do t h e rh a r d w a r eb yp cw e r er e a l i z e d af l o wi n j e c t i o na n a l y s i ss y s t e mb a s e do nv 1 w a sd e v e l o p e d e m p l o y e df l o wi n j e c t i o ns u l f u r i ca c i da n dc a r b a z o l es p e c t r o p h o t o m e t r i c d e t e r m i n a t i o no f p e c t i ni nt o b a c c ol e a f u s i n gs t o p p e d - f l o wt e c h n i q u e 1 1 1 e b e s tc o n d i t i o nw a sg a i n e d ：t h ev o l u m eo ft u b ei s2 0 4ul ：t h e d e t e r m i n a t i o nw a v e l e n g t hi s5 4 0n l n ：t h ec o n t e n to fc a r b a z o l ei s0 15 ： t h et i m eo fl i q u i dc a l e f a c t i o ni s5r a i n a na u t o m a t i ce l e c t r i cp o t e n t i a l t i t r a t i o ns y s t e mb a s e do nv 1w a sd e v e l o p e d e m p l o y e da c i d b a s et i t r a t i o n t om e a s u r ea v e r a g en u m b e r so fp r i m a r ya n dt e r t i a r ya m i n eg r o u p si n p a d a 4 ，t h ed e t e r m i n a t i o nr e s u l tr e a c h e sa g r e e m e n tw i t ht h e o r e t i cv a l u e 。 a n dt h e d i s f i g u r e m e n t a n dp u r i t yo fs y n t h e t i c a lp a i a 1w e r e c h a r a c t e r i z e da c c u r a t e l y ac y c l i cv o l t a m m e t r ys y s t e mb a s e do nv iw a s d e v e l o p e d c y c l i cv o l t a m m e t r yd e t e r m i n a t i o no fp o t a s s i u mf e r r i c y a n i d e w a se m p l o y e d t h eo u t p u to fc y c l i cv o l t a m m e t r yc u r v e sr e c o r d e db yp c i sm o r ea c c u r a t ea n dc o n v e n i e n ti na p p l i c a t i o nt h a nb yx - yr e c o r d e r b e s i d e s b yt h ea p p l i c a t i o no fv it e c h n o l o g y , t h ea u t h o rp r o b e di n t o t h ee f f i c i e n ta p p r o a c ho fd e v e l o p i n gc o m p u t e r i z e dm e a s u r i n gi n s t r u m e n t l i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s y s t e m si na n a l y t i c a lc h e m i s t r y k e yw o r d s ：v i s u a li n s t r u m e n t s ，l a b v i e w , v i s u a lb a s i c ，s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r i l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名日期：年- 月一日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 在科学实验和工业生产过程中，为了及时了解工艺过程、生产过程的情况及 其结果，需要对被控对象特征的某些参数进行测量或检测，其目的是为了准确获 得表征它们的定量信息，为生产过程的自动化及科研提供可靠的数据。 测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。在该过程中常借助一些专 门的设备，即测量仪器，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取 得用数值和单位共同表示的测量结果。 测量是一种揭示客观世界规律，用数字语言描述周围世界，进而改造世界的 重要手段。现代科学技术、生产和国防的重要特点之一，就是要进行大量的观测 和统计。提高测量水平，降低测量成本，减小测量误差，提高测量效率，对国民 经济各个领域都是至关重要的。因此，测量手段的现代化，己被公认为是科学技 术和生产现代化的重要条件和明显标志之一【啦】。 1 1 测量仪器的发展及其面临的问题 1 1 1 电子测量技术的发展状况 从狭义上讲，电子测量是在电子学中测量有关电的量值，通常包括以下几个 方面：电量的测量，如电流、电压、功率、电能等；信号特性及所受干扰的测量， 如信号波形、失真度、频率、相位、信噪比等；元件和电路参数的测量，如电 阻、电感、电容、电路频率响应、通带宽度、相位移等。 随着科学技术的发展，对许多物理量，如距离、质量、速度、温度等，传统 测量方法已经不能满足现代化科学研究和生产的需要。因此都设法将它们通过一 定的传感器转换成电信号，然后再用一整套比较成熟的电子学方法进行测量。这 也就使得电子测量技术在很多领域得到了应用，在现代科学技术中具有不可替代 的重要作用。 电子测量与其他测量相比，具有以下几个明显的特点： l 、测量频率范围极宽 电子测量的测量频率范围极宽，因此它的应用范围很广泛。但也正由于频率 范围宽，在不同的频段测量所依据的原理、采用的方法、使用的元器件等可能相 差很远，所以通常把被测电量或供给同一电量的仪器分为较小的频段，例如超低 频信号发生器、音频信号发生器、高频信号发生器等等。当然，这也给使用带来 很多不便。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 、量程很广 由于所测电量的大小相差极大，所以要求测量仪器的量程也极宽。一台电子 测量仪器，通常可以具有很宽的量程。例如一台高灵敏度的数字电压表，可以测 出1 0 纳伏至1 千伏的电压，量程高达1 1 个数量级。量程宽，正是电子测量仪器 的突出优点。 3 、测量准确度高 电子测量仪器的准确度通常可以比其他测量仪器高很多。特别是对频率和时 间的测量，由于采用了原子频标和原子秒作为基准，使误差减小到1 0 。1 3 1 0 d 4 数量级。人们常常把其他参数转换成频率再进行测量，以提高测量的准确程度。 电子测量准确度高，正是它在现代科技领域得到广泛应用的重要原因之一。 4 、测量速度快 电子测量由于是通过电子运动和电磁波的传播而进行工作的，因此具有其他 测量方法无法比拟的高速度，这也是它被广泛应用的一个重要原因。随着科学技 术的发展，对测量过程和测量数据处理的速度都提出了越来越高的要求。因此， 不断提高测量速度也是电子测量发展的一个重要方向。 5 、易于实现遥测和长期不问断测量 由于可以把电子测量仪器或与它相连接的传感器放到人类不便停留或无法 到达的地区去进行遥测，而且可以在被测对象正常工作的情况下进行现场测量， 这就扩大了人类用测量的方法定量的认识世界的范围。 6 、易于利用计算机，形成电子测量与计算技术的紧密结合这一特点决定了 电子测量技术成为当今测量技术中的主流。由于电子测量的结果和它所需的控制 信号都是电信号，这非常有利于直接或通过户以a d 、d a 变换与计算机连接。 电子测量和计算机技术的紧密结合，特别是自7 0 年代以来，超大规模集成电路 和微处理器的出现，更使电子测量领域发生了重大变化。现在随着微计算机功能 的不断提高和成本的不断降低，就可以在不增加仪器体积和不明显增加成本的情 况下，使仪器的性能发生很大的飞跃，使它具有高性能、多功能、智能的特点。 例如在测量中能够实现程控、遥控、自动调节、自动校准，自动诊断故障甚至自 动修复，对测量结果可以进行自动记录，自动完成数据的运算、分析和处理，从 而使测量的速度和准确度也有很大的提高p 卅。 由于具有以上一系列特点。电子测量技术被广泛应用于自然科学的一切领 域。大到天文观测、宇宙航天，小到物质结构、基本粒子，从复杂深奥的生命、 细胞、遗传问题到日常的工农业生产、医学、商业各部门，都越来越多的采用了 电子侧量技术和设备。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 电子测量仪器所面临的问题 当今我们正处在一个高度发展的信息社会，要在有限的时空上实现大量的信 息交换，必然带来信息密度的急剧增大。要求电子系统对信息的处理速度越来越 高，功能越来越强，这使得系统结构日趋复杂。对体积、耗电和价格的要求促使 系统及i c 的集成度越来越高。同时激烈竞争的市场又要求产品的价格不断下降 以及研制和产周期缩短。传统的测试仪器已越来越不能满足时代的要求，这主要 表现在如下几个方面： l 、要求测试仪器不仅能单独测量某个电量，而且各个测试仪器之间必须具 备控制通道和数据交换通道，以便同时完成对几个被测量的自动分析、信息综合 及准确判断，这是电子行业本身给测试设备提出的任务。而传统测试仪器在这方 面存在较大的限制。 2 、微处理器和d s p 技术的飞速发展以及它们价格的不断降低，改变了传统 的电子设计概念，原来许多由硬件完成的功能现在逐步由运行在微处理器或d s p 芯片上的软件来实现。这给产品带来了巨大的好处：自动化程度高、可靠性高、。 价格低、升级容易、系统具有宽适应范围的柔性结构、可维护性好等等。硬件软 化的设计方法对当今测试仪器的设计产生了深刻的影响。 3 、良好的人机界面的要求促进了传统测试仪器的改造。对于越来越复杂的 被测系统，如果仍然使用传统的测试仪器必然会需要众多的仪器设备，面对各个 生产厂家的不同设备，使用者需要学习不同设备的使用方法后方可使用。这样的 测试仪器不仅使用效率和利用率都很低，而且硬件存在巨大的冗余。 4 、微计算机的广泛使用，给基于微计算机的测试仪器提供了巨大的市场。 人们在使用计算机及测试仪器时越来越明显地感到，测试仪器的许多功能不仅可 以由已经拥有的计算机来完成，而且需要增加某种测试功能时，只需增加少量的 模块化功能硬件即可，同时基于微计算机的测试仪器具有更多的优点。 可见，一方面电子技术的迅速发展从客观上要求测试仪器向自动化及柔性化 方向发展；另一方面，电子技术及市场的发展也给测试仪器的自动化发展提供了 可能。在这种情况下，基于微计算机的测试仪器逐步变得现实，它的出现和广泛 使用，将对测试仪器产生极为深刻的影响r ”。 1 1 3 实验仪器面临的问题 目前，我国实验仪器产业虽然从整体来看有了较大的发展，但还远远不能满 足国民经济、科学研究、国防建设以及社会发展等各个方面日益增长的迫切需求。 我国实验仪器产品大部分属于中低端产品，技术水平相当于2 0 世纪9 0 年代初中 中南大学硕士学位论文第一章绪论 期国际水平，高端大型仪器几乎全部依赖进口。 我国实验仪器落后于国际先进水平的因素是多方面的，其中包括测量与控制 的精度不高，品种短缺，外观不美等因素，而最致命的差距表现在产品的可靠性 和稳定性上。使用国产实验仪器，一次开机成功率不高，而使用中维修率却不低。 可靠性和稳定性问题长期得不到根本性解决，成为我国实验仪器发展中的“瓶 颈”，严重地阻碍了国产实验仪器的应用。我国每年都要在实验仪器进口上投入 大量资金，并且年年大幅度增加。除了部分用户确实购置我国短缺的高端大型精 密仪器外，不少用户购进的是我国可自行生产的实验仪器。究其原因，主要是可 靠性和稳定性不高影响到了国产实验仪器的可信度。 制约国产仪器仪表的可靠性和稳定性的主要原因有：l 、忽视了基础技术的 研究和开发；2 、国产通用件和基础件质量不符合标准；3 、企业对产品的质量管 理和培训能力。值得关注的是，近年来我国仪器仪表的可靠性和稳定性问题得到 了很高的重视，状况有了改善，一批可靠性和稳定性较高的产品不断问世。 1 1 4 分析仪器软件研发的现状和解决方法 我国分析仪器的软件研发相对比仪器制造更加落后，如我国引进的某些分析 仪器存的至今还采用十几年前的系统软件。我国至今没有建立分析仪器数据的格 式标准；近年来在中国软件版权登记中心登记具有知识产权的软件主要是( 财务、 企业等) 管理软件与游戏软件，没有见到具有独立知识产权的分析仪器系统软件， 更没有开发工具软件。 1 1 4 1 分析仪器在软件的研发上存在很多困难 l 、分析仪器的软件开发需要多方面的人才和知识基础。如开发一个近红外 分析软件除了需要较高水平的软件工程人员外，还需要光谱学、光谱仪器学、化 学计量学算法、化学分析等专业人员。软件提供给用户后还需要软件维护、模型 的转移、修改的专业人员，这是我国目前分析仪器厂家所难以承受的。 2 、由于我国软件的价值逐步提高，软件开发人员缺乏。此外，我国现有的 知识产权保护办法不够完善，软件人员的价值不能充分体现。一般分析仪器厂家 无法稳定软件专业人员，人员流失严重。 3 、我国分析仪器的软件基础相当薄弱，缺乏相应的开发工具软件，所有的 编程几乎都要从头做起。 4 、对分析仪器中软件的作用的认识还不统一，甚至还有认为“搞软件不花 钱”，软件开发经费不足。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 4 2 分析仪器的软件研发的解决方法 l 、应注意支持分析仪器的软件研发和产业化。 鉴于软件在现代分析仪器中的作用与目前分析仪器软件开发基础薄弱，现有 的企业难以完成高水平分析仪器的软件开发。国家应在二十一世纪重点支持分析 仪器基础软件的研发和产业化，由此产生的经济效益将是巨大的。并由此可能开 发具有我国特点的小型智能分析仪器，这将对我国一些产业部门如农业部门产生 重要的作用。 2 、国家对分析仪器软件开发的支持。 首先，国家组织力量，联合攻关，建立我国分析仪器软件的标准，如数据的 格式标准、分析仪器数据库的标准、分析仪器通讯协议的标准等。作为发展我国 分析仪器软件的基础。 其次，国家须投资支持“产、学、研”组织力量，联合攻关，研究、开发分 析仪器的基础软件，包括基础数据库、分析仪器软件基础组件库( 包括分析仪器 基础硬件的驱动程序、基础的数学算法包括矩阵运算、统计运算等，以及仪器分 析的化学计量学算法、分析数据的前处理算法、分析结果的报表生成、图谱输出 等分析仪器通用的基础组件) ；此外国家应支持开发建立适合我国仪器行业进行 软件二次开发的平台。各分析仪器企业可以充分利用国家应投资支持开发的分析 仪器基础软件，可以根据需要按一定的方式方便地得到开发平台，作为软件开发 工具，应用基础数据库和组件库的有关组件，只要另行开发一些专用的组件，进 行系统集成，就可完成企业自己软件的开发。由于企业的软件开发人员可以利用 软件开发工具与大量基础组件，可以大大降低软件开发的工作量与开发成本，开 发出高水平的软件，提高仪器的水平。按这样的运作方式：国家投资，分析仪器 全行业得益，提高仪器分折行业的整体水平。 此外，应成立一些非盈利为目标的开发服务中心，运用网络技术，通过远程 分析、远程教学、远程诊断等远程服务方式，提供必要的数据、技术、模型，帮 助企业开发分析仪器软件、帮助仪器软件的用户用好仪器与软件。软件的竞争主 要是人才的竞争，在软件人才的引入与稳定方面各单位应给予支持。 1 2 虚拟仪器技术 1 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是计算机技术与电子仪器相结合的智能仪器，是利用通用微机加上 必要的接口板，配合各种软件实现的可编程仪器及仪器系统。传统仪器是由生产 中南大学硕士学位论文第一章绪论 厂家定义了所有的仪器功能，其白成体系用户难以改变。虚拟仪器则不同，该仪 器最大的特点是由用户而不是生产厂家定义仪器的功能。与传统仪器相比，虚拟 仪器其主要优点在于：一机多用，可实现多种功能测试，显著降低了仪器成本。 在虚拟仪器中，硬件只是为了解决信号的输入、输出，基本硬件确定后，可通过 不同的软件实现不同的功能，组建自己专用的仪器系统。故而，功能更强、也更 灵活，更能满足用户不断变化的需求。 虚拟仪器概念是对传统仪器的重大突破，是计算机与现代仪器测控技术相结 合的产物。与传统仪器一样，它同样可以分为：1 、数据采集；2 、数据测试和分 析；3 、结果输出显示三大功能块。其中数据分析和输出完全由基于计算机的软 件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，利用计算机强大的图形 环境，在计算机屏幕上建立图形化的软件面板来替代常规的仪器控制面板，用户 通过鼠标或键盘操作面板，进行仪器的检测和操作，对被测对象进行数据采集、 处理、分析、存储、显示，从而实现测试的自动化、智能化，这便是虚拟仪器所 有达到的。 1 2 2 虚拟仪器的演变与发展 传统的电子测量仪器、测试系统由“信号采集”、“数据处理与分析”和“处 理结果的最终显示”三部分组成放在一个仪表机箱内，这三部分都是用电子线路 来实现的，即都是采用硬件来实现的。传统仪器经历了从模拟仪器到数字化仪器 的变革，随着现代科学技术和生产的不断发展，测试项目日益增多，测量范围日 渐扩大，对测试系统在精度、速度及功能方面有了更高的要求，这就促使我们要 不断地改进和完善测量仪器和测试方法，组建自动测试系统，使测试仪器逐步向 智能化、自动化和虚拟化发展演变。 智能仪器是将微处理器置入测试仪器，使其能进行自动测量，并具有一定的 数据处理能力。它的全部功能都是以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，并通过 键盘和鼠标来实现。近年来的一些智能仪器由于语音技术的应用实现了测量结果 的自报功能，有的增加了触摸屏功能，但无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 随着计算机技术、数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件 算法精度越来越高，速度越来越快，在仪器的岵女据处理与分析部分”，用软件代 替硬件成为可能，即：用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能。 同时，“处理结果的最终显示”原本就是计算机的“长项”。这样，把传统仪器 的后两部分用计算机软件来实现。而不再采用硬件来实现，就形成了所谓的虚拟 仪器。但是，虚拟仪器的“面板”显示在p c 的屏幕上，仪器的操作是通过鼠标选 中不同的按键和旋钮来完成的。根据实际生产的需要，采用不同的软硬件组合， 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 用户就能在屏幕上定义自己的仪器，生成各种不同的“仪器面板”。“传统的独 立仪器由制造商来定义它的功能，而虚拟仪器完全由用户自己来定义仪器的功 能”，n i 国际销售经理n o n n a ny e t 用这简明扼要的一句话，透彻地说明了虚拟 仪器与传统仪器的根本区别。虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，是传统仪器观 念的一次巨大变革，将代表仪器未来发展的一个重要方向8 9 1 。 1 2 3 虚拟仪器的特点 l ，使用方便，易于维护。软件是虚拟仪器的核心，硬件仅仅是为了解决信 号的采集和输出。正如美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 所提出的：软件 就是仪器( 1 ks o f t w a r ei st h ei n s m m 1 e n t ) 。 2 、虚拟仪器的性价比高。不仅可以同时对多个参数进行定时高效的测量， 还可以大大降低环境干扰和系统误差的影响。 3 、虚拟仪器具有良好的人机界面。用户完全可以根据自己的风格来定义软 面板进行分析测试工作。 4 、虚拟仪器可与其他设备互联，也可以接入互联网，以实现对现场生成的 监控和管理。 5 、个人可以拥有一个实验室。一台p c 机就可集多台仪器于一身。 虚拟仪器与传统仪器的比较【1 0 1 如表1 1 所示。 表1 - 1 传统仪器与虚拟仪器的比较 1 2 4 虚拟仪器的组成 虚拟仪器一般由计算、模块化的数据调理电路及总线技术等组成。虚拟仪器 7 中南大学硕士学位论文第章绪论 通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在 计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。在这些控件中预 先集成了对应仪器的程控信息，所以用户使用鼠标操作虚拟仪器的板就如同操作 真实仪器一样真实与方便。 图1 - 1 为虚拟仪器系统框图i l ”。从图1 - 1 可以看出，虚拟仪器主要由硬件和 软件来组成。 分析仪器 现场总 线设备 v x i 仪 器 串行口 仪器 p l c g p i b 接 口仪器 g p i b 接 口卡 信号调 理 采集卡 d a q 图形 采集 d s p 工业自动化软件 b r i d g ev i e w l o o k o i l t + c o m p o n e n tw o r k s 1 2 5 虚拟仪器的硬件 测量与分析软件 + l a b e w 或v e e + l a b w i n d o w s c v i 。c o m p o n e n tw o r k sh i q v i s u a lb e n c hi v i p c 工作站 固1 - 1 虚拟仪器系统体系 其 它 虚拟仪器的硬件主要由计算机和信号采集调理部件组成，它是虚拟仪器工作 的基础，主要功能是完成对被测信号的采集、传输和结果的显示。其中计算机包 括微处理器、存储器和显示器等，主要用来数据的处理1 1 2 】。而信号采集调理部 件可以是g p i b 仪器模块、v x i 仪器模块、p x i 仪器模块或数据采集卡等，它主要 进行信号的采集或传输。就化学中的虚拟仪器而言，其硬件主要是各类传感器或 各类数据采集卡等，其硬件的作用( 或功能) 就是将化学实验信号转变为电信号， 经放大或衰减后，再由a d 转换器变为数字信号然后输入计算机进行数据和图形 的处理【1 3 1 。 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 6 虚拟仪器的软件 软件是虚拟仪器的关键，一套完整的虚拟仪器软件系统一般分为四层( 如图 卜2 所示) 。 测试管理层 应用程序开发层 仪器驱动层 i 0 总线驱动层 图1 - 2 虚拟仪器软件系统分层 作为虚拟仪器系统的应用软件不仅应当包含系统内的仪器模块的操作控制、 数据的采集与显示，同时必须具有良好的开放性和可扩展性。 常用的仪器软件有l a b v m w 、l a b w i n d o w s c n i 、v b 、v e e 等，其中h p 公 司的v e e ( v i s u a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ) 和n i 公司的l a b v i e w 是目前比较流 行的面向仪器控制的可视化编程环境，比较而言，l a b v i e w 的数据处理能力较 强，而v e e 在仪器控制方面比较灵活、方便。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yx r m u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚 拟仪器集成环境) 是美国n i 公司提供的图形开发调试和运行程序的集成化编程 环境。它是基于g 语言( g r a p h i cl a n g u a g e ) 用来进行数据采集和控制、数据分 析和数据表达。它有三个版本：基本系统、全开发系统和专家开发系统。 全开发系统增加了高级分析功能、用户图形和动画工具，以及报表生成工具。 专家开发系统进一步集成了l a b v i e w 的应用生成器、图形比较功能、源代码控 制、大型项目文本工具、软件工程文本、质量及编程标准文本等。 v e e 是h p 公司提供的功能强大的可编程语言，可用于管理仪器控制、测量 处理和测试报告等日常编程任务。所产生的类似于框图的程序运行质量，与用 c c h 或v i s u a lb a s i c 编写的程序一样好。 l a b w i n d o w s c a i 是n i 公司提供的另一套开发平台【1 4 1 。它是适用于c c + + 的 虚拟仪器工具。 另外，这些软件相当完善，但还在不断升级、提高。以l a b v i e w 为例，这 些基于图形化编程语言g 的开发环境，它整合了诸如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、g p i b 、v x i 、 p x i 及数据采集卡等硬件通信的全部功能，并内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数 t s - t 7 1 。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 7 虚拟仪器总线技术的分类 测试与测量的发展以测试总线的发展为标志。测试总线从g p i b 到v x i 、p x i 再到l x i ，测试仪器也由机架式发展到了插卡式。虽然虚拟仪器更多地强调软件 在仪器中的应用，但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过 硬件来实现【1 3 1 。从仪器与计算机采用的总线连接方式的不同，可分为内插卡式 和外接机箱式两大类。 内插卡式就是基于p c ，将各种数据采集卡或模块插入计算机扩展槽，再加 上必要的连接电缆或探头和相关测试软件就可形成一个仪器。采用这种结构能构 成基于p c 的示波器、任意波形发生器、函数发生器、逻辑分析仪、电压表和数 据采集产品。 外接机箱式采用背板总线结构，所有仪器都连接在总线上或采用外总线方 式，用外部主控计算机来实现控制。采用这种结构能构成用于生产测试的高性能 专用测试系统、数据采集系统和自动测试设备。 l 、插卡型虚拟仪器：p c 插卡式于上世纪8 0 年代初问世。 插卡类型有i s a 卡、p c m c i a 卡和p c i 卡等多种类型。利用通用计算机的硬件 组建灵活的虚拟仪器，借助于插入计算机或工控机内的数据采集卡与专用的软件 相结合，完成测试任务。它充分利用计算机的总线、机箱、电源及系统软件的便 利，其关键在于a d 转换技术。 随着计算机的发展，i s a 型插卡已经逐渐退出舞台。p c m c n 卡由于受到结 构连接强度太弱的限制影响了它的工程应用。而p c i 总线正在广泛使用，已经成 为p c 的事实标准。它是一种同步的独立于c p u 的3 2 位或6 4 位局部总线，时钟频 率为3 3 m h z ，数据传输率高达1 3 2 2 6 4 m b s ，p c i 总线技术的无限读写突发方式， 可在一瞬间发送大量数据。p c i 总线上的外围设备可与c p u 并发工作，从而提高 了整体性能。p c i 总线还有自动配置功能，从而使所有与p c i 兼容的设备实现真 正的“即插即用”。 由于基于p c i 总线的虚拟仪器在插入d a q 时都需要打开机箱等，操作不便。 插卡型仪器多数没有抗混滤波器且分时采样，特别要注意混叠现象和通道间相位 差，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响。又存在电源功率 不足，插槽数目有限、尺寸较小等缺点。再加上测试信号直接进入计算机，各种 现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁，但因个人计算机数量非常庞 大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛。 2 、外挂型虚拟仪器：u s b ( u n i v e r s a ls c r i a lb u s ，通用串行总线) 方式于1 9 9 9 年问世【埘。 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 外挂型虚拟仪器总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、u s b 通用串行总线和i e e e 1 3 9 4 总线。r s 2 3 2 总线是p c 机早期采用的串行总线。技术成熟，应用广泛，近年 来，u s b 总线得到广泛的支持，能连接1 2 7 个装置，需要一对信号线及电源线。 u s b 2 0 标准的数据传输速率能达至l j 4 8 0 m b p s 。更有前途的是采用i e e e l 3 9 4 串行 总线，因为i e e e l 3 9 4 总线能够以1 0 0 、2 0 0 或4 0 0 m b s 的速率传送数据，将来可达 3 2 g b s ，这种总线需要两对信号线及一对电源线，可以用任意方式连接6 3 个装 置。目前国际上虚拟仪器所用i e e e l 3 9 4 具有总线的传输速率已经达n 1 0 0 m b s 。 u s b 及i e e e l 3 9 4 总线均传输速度快、可以热插拔、联机使用方便的特点，很有 发展前途团】。 利用p c 机的各种串口通讯，可把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上， 软件装在p c 机上，通常可以完成各种虚拟仪器的功能。可与笔记本电脑相连， 方便野外作业。通过各种不同的接口总线，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子 仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。 3 、高精度集成系统：g p i b 于1 9 7 9 年问世，v x i 于1 9 8 7 年问世，p 于1 9 9 7 年问世，l x i 于2 0 0 4 年问世。 除了利用通用计算机或工控机开发虚拟仪器外，专用的仪器总线系统也在不 断发展，成为构建高精度、集成化仪器系统的专用平台。 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线技术即m e e 4 8 8 总线，是一种数 字式并行总线，主要用于连接测试仪器和计算机。作为早期虚拟仪器发展的产物， 目前已经逐步退出市场。 、， 【i ( 咂e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t s ) 总线即i e e e l1 5 5 总线，是一种高速 计算机总线v m e 总线在仪器领域的扩展1 2 “。目前这种类型也有逐渐退出市场的 趋势。 p x i ( p c ie x t e n s i o n s f o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是n i 公司在1 9 9 7 年9 月1 日推出 的全新的开放性、模块化仪器总线规范。是以c o m p a c tp c i 为基础的，由具有开 放性的p c i 总线面向仪器领域的扩展而来。p x i 总线符合工业标准，在机械、电 气和软件特性方面充分发挥t p c i 总线的全部优点。p x i 总线的传输速率已经达 到1 3 2 m b s ( 最高为5 0 0 m b p s ) 。 l x i ( ne x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是2 0 0 4 年9 月1 4 日由v x i 科技 公司和a g i l e n t i 联合推出的一种基于工业以太网的新的总线规范，是继g p i b 仪器、 v x i 、p x i 虚拟仪器之后的新一代基于以太网络l a n 的自动测试系统模块化构架 平台标准圈。它的推出被称为是“自1 9 7 2 年推出h p i b 总线以来的3 0 多年里，测 试和测控领域业界最大的新闻”。以太网的错误检测、故障定位、长距离互联以 及树状拓扑结构都比现有的总线结构优越，网络速度也由最初的1 0 m b s 到现在的 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 0 g b s 。l x i 联盟于2 0 0 5 年l o 月通过了m e e l 5 8 8 协议，为l x i 的网络化虚拟仪器 设计和实现提供了标准，l x i 将可能成为今后的市场主流总线技术。 1 2 8 虚拟仪器的前景展望 目前，虚拟仪器的应用受到了一定的限制。这是因为面向微波、通信等领域 的专用测试仪器，包括通用仪器的高端产品一直以来是台式仪器垄断着市场，相 应的模块化仪器产品为数不多。不过，近年来已有多家仪器厂商正在研制、开发 面向测试高端领域的宽带、高速、复杂的模块化仪器。从目前计算机、微电子和 软件行业发展情况来看，基于计算机的虚拟仪器已将单台仪器所具备的高品质测 量功能完全嵌入到计算机中。这种新型的、可直接编程的仪器，随着计算机的功 能与灵活性的不断改进而进步田。j 。它在保持高档仪器测量品质的同时，还可 以满足目前各种应用的多样性要求；同时又具有进一步扩展其功能一定的灵活 性，更直接地解决使用过程中所遇到的各种难题。 虚拟仪器技术采用通用计算机平台，用软件算法代替硬件实现仪器功能，这 使得我们可以绕过复杂的工艺问题和传统仪器的知识产权，与国外公司在一个全 新的领域，展开竞争，大力发展虚拟仪器。近些年，虽然有很多v x i 产品在国内 推广，但能够大面积应用的不多，过高的价格限制了v x i 产品的推广应用。发达 国家在传统仪器市场已有相当规模，如果退出太快，就会造成巨大的退出成本。 作为发展中国家的我们，在传统仪器领域尚未形成优势，如果我们集中力量，迅 速进入下一代虚拟仪器市场，由于不存在退出成本的问题，能够迅速形成后发优 势，从而略过传统仪器的发展阶段，迅速进入虚拟仪器发展阶段，形成跨跃式发 展态势。目前，整个虚拟仪器市场都在增长，p x i 总线市场增长的速度远远超过 了v x i 总线，平均年增长率为3 7 9 。可以预测，未来几年虚拟仪器领域将会是 p x i 总线的天下。这是就全球虚拟仪器市场而言，就国内市场，我们可以大力发 展p x i 总线。2 0 0 5 年l x i 技术发展已经起步，我国的陕西海泰电子有限责任公司 已经率先加盟l x i 联盟。 为了便于用户使用，仪器制造商同时对硬件和软件标准化，将虚拟仪器、虚 拟仪器测试系统细分为硬件模块、驱动程序和软件开发平台等若干层，对各层与 相邻层之间的接口都加以规范；软硬件厂商都按标准的规范开发各自的软硬件产 品，使其具有最佳的互换性能。标准化的结果将使不同厂商生产的产品或不同体 系结构( 如g p i b 、v x i 、u s b 、p c i 等) 的产品相互兼容，开放性进一步增强。 虚拟仪器的另一个方向是各种标准仪器的互连及与计算机的连接，未来的仪 器也应当是网络化的。虚拟仪器技术将p c 技术及以太网络相结合，利用实时控 制与嵌入式控制器技术革新，促进测量和自动化技术的发展。虚拟仪器技术可利 1 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 用以太网络的功能，将来自测量或控制设备中的资料直接传送到w e b 网页上，甚 至将数据传输到手机上读取资料。使用虚拟仪器技术，您可以使用以太网络的强 大功能远程控制仪器设备，或是与远在其他办公地点甚至其它国家的同事合作处 理一个项目1 2 6 2 7 1 。 由于虚拟仪器本身是以计算机为平台，具有方便、灵活的互联能力，随着通 信技术、总线技术和网络技术的发展与应用，虚拟仪器向网络方向发展，网络化 虚拟仪器的出现是一种必然。它除了必要的硬件接口支持，虚拟仪器软件开发平 台使用户可以借助于w i n d o w s 系统的远程桌面、l a b v i e w 的网络通信功能、网络 协议等，用户能很快在w e b 上发布虚拟仪器的面板，直接在本地打开并操控虚拟 仪器，以实现远程测试、诊断和维修。利用d a t a s o e k e t 技术，用户可以和其他有 i n t e m e t 功能的程序迅速建立连接并共享数据，而无需担心网络协议和数据格式 等问题。 1 2 9 虚拟仪器在实验室中的应用 在实验室中，虚拟仪器可连接或替代原实验室许多分立的分析仪器，并具有 更强的分析和处理能力。利用虚拟仪器概念将许多化学分析仪器融为一台虚拟仪 器，或将一台分析仪器虚拟仪器化为多功能分析仪器，用户只需购置或自制不同 板卡和相应软件就相当购置了一套新仪器，即可形成“个人实验室”。在实验教 学中虚拟仪器可以代替常规得仪器。如函数发生器，其波形，频率，幅