虛擬儀器及其應用

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、測量儀器技術和軟件技術的高速發展共同孕育出的一項革命性新技術。虛擬儀器的出現，徹底改變了傳統的儀器觀，開辟了測量測試技術的新紀元。

　　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時性要求下代替了許多原來由硬件完成的功能，這標志著“軟件即儀器（The software is the instrument）”時代的到來。人們給這樣的測試儀器起了一個形象的名字——虛擬儀器。

　　從1987年以專用集成電路(ASIC)和計算機技術為基礎的總線儀器——虛擬儀器的雛形問世，到1993年虛擬儀器已發展到三百多家廠商、一千多種虛擬儀器產品，1995年廠商更達一千余家，產品達數千種。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行采樣，在離線條件下，經軟件處理而得到測量結果。它具有結構簡單、一機多用、測量精度高等特點，使用者自己操作這臺計算機，就象是在操作一臺自己專門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管理儀器、組織儀器系統，進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。虛擬儀器實質上是軟硬結合、虛實結合的產物，是充分利用最新的計算機技術來實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，軟件才是整個儀器系統的關鍵。任何使用者都可通過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　虛擬儀器的優點

　　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現形式。虛擬儀器相對傳統儀器的優勢是顯而易見的，概括起來有以下幾個方面：

　　（1）　傳統儀器功能由儀器廠商定義；虛擬儀器功能由用戶自己定義。儀器制造廠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境等軟件，真正需要什么樣的儀器功能則是用戶自己的事情。

　　（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，可方便地與網絡、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，軟件才是整個儀器的關鍵部分，其測試功能均由軟件來實現。

　　（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的開放靈活的功能模塊，可構成多種儀器。

　　（6）　傳統儀器擴展性差，數據無法編輯；虛擬儀器數據可編輯、存儲、打印。

　　（7）　信號每經過一次硬件處理都會引起誤差；由于虛擬儀器減少了硬件的使用，因而減少了測量誤差。

　　（8）　傳統儀器價格高，技術更新慢（周期為5～10 a），開發和維護費用亦高；虛擬儀器價格低（是傳統儀器的五至十分之一），而且可重復利用，技術更新也快（周期為1～2 a），基于軟件的體系結構大大節省了開發和維護費用。

　　虛擬儀器在國際上早已進入實用階段，在我國雖剛起步，但發展迅速，已在電子測量、物理探傷、電子工程、振動分析、聲學分析、物礦勘探、故障分析及教學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，用計算機增強傳統儀器的功能，組織大型柔性自動測試系統，技術易于升級，維護方便，儀器功能和面板自定義，開發和使用容易。它可高效靈活地完成各種不同規模的測試測量任務。

　　利用GPIB技術，可用計算機實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，由于可預先編制好測試程序，實現自動測試，提高了測試效率。

　　（2）　基于數據采集的虛擬儀器系統

　　通過A/D變換將模擬、數字信號采集入計算機進行分析、處理、顯示等，并可通過D/A轉換實現反饋控制。根據需要還可加入信號調理和實時DSP等硬件模塊。

　　（3）　利用VXI總線儀器實現虛擬儀器系統

　　VXI（VME bus extension for Instrumention）總線為虛擬儀器系統提供了一個更為廣闊的發展空間。VXI總線是一種高速計算機總線——VME（Versa Module Eurocard）總線在儀器領域的擴展。由于其標準開放，傳輸速率高，數據吞吐能力強，定時和同步精確，模塊化設計，結構緊湊，使用方便靈活，已越來越受人們的重視。它便于組織大規模、集成化系統，是儀器發展的一個方向。

　　（4）　基于串行口或其它工業標準總線的系統

　　將某些串行口儀器和工業控制模塊連接起來，組成實時監控系統。

　　2．2　虛擬儀器的軟件構成

　　構成一個虛擬儀器系統，基本硬件確定以后，就可通過不同的軟件實現不同的功能。軟件是虛擬儀器系統的關鍵。沒有一個優秀的控制分析軟件，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議和方法。通信接口按標準方式將儀器連接起來，它是儀器與儀器驅動程序之間的通信接口，實際上就是VXI系統的I/O接口軟件。儀器驅動程序接口將通信接口與應用開發環境（ADE）連接起來。

　　　　　　　　 圖2　VXI虛擬儀器系統軟件結構框架

　　儀器驅動器是完成對某一特定儀器控制與通信的一段程序。它作為用戶應用程序的一部分在計算機上運行。儀器驅動器是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。應用軟件開發環境將計算機的數據分析、顯示能力與儀器驅動器融合在一起，為用戶開發虛擬儀器提供了必要的軟件工具和環境。目前有兩種較流行的虛擬儀器開發環境：一是用傳統的編程語言設計虛擬儀器，如HPITGII、Labwindows等；一是用圖形編程語言設計虛擬儀器，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。在這個平臺上，各專業領域的工程師、科學家們通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標來方便迅速地建立高水平的應用程序。在這個軟件環境中，提供了一種象數據流一樣的編程模式，用戶只要連接各個邏輯框即可構成程序。同時，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發時間，而且在這個平臺上用戶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電力工程學院研究。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插槽中，直接與微型機內總線連接，以實現對電力參數的測試。其硬件結構框圖見圖3。　　　　 

　　　　　　　　　　圖3　電力參數測試裝置結構框圖

　　圖中，三相電壓、電流信號由電力線經電壓互感器、電流互感器引入，經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，根據采樣原理，使6路信號分別經6個采樣保持器，在同一采樣脈沖信號控制下，對這6路信號同時采樣。為了實現對每一信號的頻率跟蹤，該系統采用鎖相環跟蹤技術：將一路被測信號經零檢測電路變成方波信號（此方波信號的頻率與電網基頻相同），同時對它進行跟蹤、鎖相和倍頻。這樣就能使采樣脈沖的頻率fs嚴格地跟蹤電網基頻f1，且每一周期內的采樣點數N＝fs/f1為恒定常數。采樣的6路模擬量經多路模擬開關后依次送到A/D轉換器。測頻采用測周方式：假如在一個周期內，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。由于C語言具有直接操作硬件的功能，故采用其編寫儀器的驅動程序，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個互不重合的窗口組成：控制窗口、狀態窗口、繪圖窗口和數據顯示窗口。

　　3．2　內燃機試驗測試系統

　　清華大學汽車工程系利用虛擬儀器技術構建的汽車發動機檢測系統，用于汽車發動機的出廠檢測，主要檢測發動機的功率性、負荷性等。

　　過去采用DOS下的C語言開發程序，開發出來的檢驗系統的功能、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發平臺LabVIEW后，使整個系統移植到LabVIEW下，并大大增強了功能，操作界面也更加美觀，檢測時間大大減少，使用更加方便。檢測后還能打印出完整的測試報告。

參考文獻

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