虚拟仪器技术

1、虚拟仪器简介虚拟仪器的相关介绍2.1虚拟仪器技术虚拟仪器技术是以计算机软硬件技术为核心，以自动控制技术、传感器 技术、现代信号处理技术、现代网络技术、数值分析技术为支撑，以各专业学科为应用背景 的现代测试技术。它利用高性能的模块化集成概念和方法，结合软件设计平台高效、简便的 程序编译功能，依据用户各类特殊需求创建出人机对话界面，实现并取代各类特殊、昂贵的 测试仪器的功能，目前已经成为测试理论和应用实验研究的重要支撑。传统电子仪器存在 的诸多弱点使传统仪器已渐渐不能满足工业自动化和测量领域的需要。随着计算机技术日新 月异的飞速发展，计算机强大的数据处理能力使得它的应用范围越来越广。1986年，美

2、国 NI公司(National Instruments)提出虚拟仪器的概念，以“软件即仪器”为口号，彻底打破了 传统电子仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一 场革命。简单地说，虚拟仪器技术就是利用计算机技术实现的对测控系统的抽象。平常使 用的示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪，以及传感器等传统仪器，都可使用通 用计算机和专用的控制器和显示器来模拟，实现向虚拟仪器的转变。用户在计算机屏幕上用鼠标和键盘就可设置参数、观察波形，取代以往的在传统仪器面板上调节旋钮、观察曲 线等操作，更为快捷方便。可见虚拟仪器反映的是一种“硬件软件化”的思想和趋势。虚拟 仪器

3、是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器的发展方向。而Labview是世界上最优 秀的虚拟软件开发平台。使用Labview的最开发虚拟仪器最大的好处是提高开发的效率。据 统计使用Labview开发虚拟仪器比使用基于文本的语言开发效率可以提高1015倍，程序 的执行速度去几乎不受影响;时时在信号处理等方面的强大功能方面是组态软件不可以比拟 的。2.2虚拟仪器的组成与分类虚拟仪器包括硬件和软件两大部分。硬件主要是获取现实 世界的被测信号，提供信号传输的通道。而软件是控制要实现的数据采集、分析、处理、显 示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。1.硬件获取测试对象的被测信号。虚 拟仪器的硬

4、件主体是电子计算机。为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信 号调理器、模拟数字/转换器(ADC)、数字/模拟转换器(DAC)、数据采集器(DAQ)等。电子计 算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。2.测试软件 控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。 软件开发平台为支撑。仪器驱动、接口软件和应用程序。图2-1虚拟仪器组成框图虚拟仪器的软件在基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的虚拟仪器系统功能。 软件是虚拟仪器系统的关键，没有一个优秀的控制分析软件，很难想象可以构成一台理想的 虚拟仪器系统。虚拟仪器通常

5、按虚拟仪器的接口总线不同，分为数据采集插卡式虚拟仪器、 并行接口虚拟仪器、USB虚拟仪器、GPIB虚拟仪器、VXI虚拟仪器、PXI虚拟仪器和最 新的IEEE1394接口虚拟仪器。2.3虚拟仪器的特点性能高。虚拟仪器技术是在PC技术 的基础上发展起来的，所以完全”继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优 点，包括功能卓越的处理器和文件I/O,使用户在数据高速导入磁盘的同时，就能实时进行 复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更 强大的优势。二、扩展性强。得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件

6、上的升级即可改进用户的整个系统。在利用最 新科技的时候，用户还可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加快产品上市 时间。三、开发时间少。在驱动和应用两个层面上，高效的软件构架能与计算机、仪器仪 表和通信方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件架构的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性 能、低成本的测量和控制解决方案。四、用户化：传统仪器用户界面小且简单，用户操作 起来不够方便，提示信息也较少。而虚拟仪器通过软件技术可实现丰富、快捷、方便的用户 界面，通过多种数据显示方式能够提供更为全面丰富的信息，用户使用时一目了然

7、。即便是 有特殊要求的复杂界面，也可以借助更深入的编程技术得以实现。五、集成。虚拟仪器技 术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断趋于复杂，工程师们通常需 要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的 时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量 设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。六、使测试效率的提高集成虚拟仪器常采用总线仪器模块构建，计算机可方便地直接通过总线控制仪器模块，这将为实现自动测试 提供很大的方便。所有的虚拟仪器系统都是自动测试系统，所有测试工作都是在计算机控制 下自动完成的，这样大大提

8、高了测试工作的效率。由于虚拟仪器系统采用通用的软件操作系 统，例如：indows9X;windows2000;windows NT;windowsXP等，可利用大量的现有软件资源， 为测试数据的进一步处理、存贮和传输提供了方便。七、远程测试虚拟仪器充分利用了计算机技术，也包括计算机网络技术，因此，虚拟仪器能够方便地利用互联网实现远程测试。 军事装备越来越复杂，对测试工作的要求也越来越高，为了保证作战装备的正常工作，有时， 需要远程战场支援，当然也包括远程测试，虚拟仪器与传统仪器相比，能够更方便有效地支 持远程测试或网络测试。2.4虚拟仪器在各领域中的应用由于虚拟仪器技术的强有力支持，科学家和工

9、程师们可以方便地建立适合自己需要的测控系统，再也不必将自己封闭在固 定传统仪器的狭窄天地中。在电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、 故障诊断及教学科研等诸多领域中都有极为广泛的应用。在电子和通信工程中，虚拟仪器 可用于电子测量和信号分析；在自动化检测领域内，虚拟仪器可用于数据采集和控制；在航 天航空学科里，虚拟仪器可用于监测和分析火箭或卫星传递来的复杂数据，已被美国航天航 空局（NASA）用于火星探险；在基础学科的研究中，虚拟仪器可用于设计实验系统，例如 用于生化领域中监测薄膜分子的相互作用，以及医学领域中研究嗅觉和视觉。虚拟仪器诞 生以来的爆炸性发展令人惊叹，许多最新的大

10、规模高精尖工程中都有它的用武之地。太空光 谱有限公司（Spectrum Astro, Inc.）的 Roger Jellum 和 Tom Arnold 开发的 AstroRT，是一种 基于LabVIEW的数据采集和控制系统，用于航天器的制造测试和轨道姿态控制，可收集、 处理和分配从航天器传来的遥感探测信息。整个软件包包括2000多个VIs，花费7个工作 年度开发。再如由Honeywell-Measurex公司开发的Proline,应用于生产片装产品（例如纸张 和薄膜塑料）的过程控制，由5000个以上VIs组成，处理超过10万个变量，是目前为止基 于LabVIEW的最大规模的系统。2.5 Lab

11、VIEW编程语言的特点LabVIEW是一个基于G（Graphic）语言的图形编程开发环境，在工业界和学术界中广泛用作开发数据采集系统、 仪器控制软件和分析软件的标准语言，对于科学研究和工程应用来说是很理想的语言。它含 有种类丰富的函数库，科学家和工程师们利用它可以方便灵活地搭建功能强大的测试系统。 LabVIEW编程语言最主要的两个特点是图形化编程和数据流驱动：图形化编程LabVIEW 与Visual C+、Visual Basic LabWindows/CVI等编程语言不同，后几种都是基于文本的语 言，而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G语言，用框图代替了传统的程序代码，编 程的过程

12、即是使用图形符号表达程序行为的过程，源代码不是文本而是框图。一个VI有三 个主要部分组成：框图、前面板和图标/连接器。LabVIEW的框图中使用了丰富的设备和 模块图标，与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非 常的相似。多样化的图标和丰富的色彩也给用户带来不一样的体验和乐趣。前面板是VI 的交互式用户界面，外观和功能都类似于传统仪器面板，用户的输入数据通过前面板传递给 框图，计算和分析结果也在前面板上以数字、图形、表格等各种不同方式显示出来。既一2虚拟仪器图形化编程对话框图标是VI的图形符号，连接器则用来定义输入和输出，每 一个VI都有图标和连接器。用户要做的工

13、作就是恰当地设置参数，并连接各个子VIo编程 一般步骤就是使用鼠标选取合适的模块、连线和设置参数的过程，与烦琐枯燥的文本编程相 比更为简单、生动和直观。如果将虚拟仪器与传统仪器作一类比，前面板就像是仪器的操 作和显示面板，提供各种参数的设置和数据的显示，框图就像是仪器内部的印刷电路板，是 仪器的核心部分，对用户来讲是透明的，而图标和连接器可以比作电路板上的电子元器件和 集成电路，保证了仪器正常的逻辑和运算功能。数据流驱动宏观上讲，LabVIEW的运行 机制已不再是传统上的冯诺伊曼式计算机体系结构的执行方式了。传统计算机语言（如C 语言）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替。本质上

14、讲它是一种带有图形控 制流结构的数据流模式，程序中的每一个函数节点只有在获得它的全部输入数据后才能够被 执行。既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所 有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。于是 LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序那样 受到行顺序执行的约束。我们可以通过相互连接函数节点简洁高效地开发应用程序，还可以 有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程。在LabVIEW中单击加亮执行（HighlightExecution）按钮，即可以动画方式演示框图的执行过程，可以观察到数据流

15、流动的方式， 数据以有色小圆点表示，在各种不同颜色（代表不同数据类型）的连线上流动。LabVIEW是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，它是美国National Instruments（简称NI）公司推 出的一个图形化软件开发环境。Labview最大的优势在于测控系统的开发。它不仅提供了几 乎所有经典的信号处理函数和大理现代的高级信号分析工具，而且Labview程序还非常容易 和各种数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的实 时数据库链接。在Labview中使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示 功能模块，使用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。同时LabVIEW继承了高级编程 语言的结构化和模块化编程的优点，支持模块化与层次化设计，这种设计增强了程序的可读 性。LabVIEW使得不熟悉文本式语言编程的设计者能在测控领域建立计算机仪器系一 虚拟仪器。2.6 21世纪的虚拟仪器技术展望虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量 技术传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与 经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测 量课题和测量需求。未来的这种连通水平将会更高，届时将赋予模块化新的定义。随着网 际网络和无线技