虚拟仪器及其应用文献综述

虚拟仪器及其应用文献综述

摘要

随着当前经济和互联网的快速发展，虚拟仪器与人类生活的关系越来越紧密。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面显示的软件组成的测控系统，具有用户定义测量功能、便于组成自动测试系统强大的数据处理功能、系统组建时间短、便于扩展等特点，被广泛应用于测量、监控、工程处理、远程教育、报表生成技术等方面。

关键词：虚拟仪器，测试系统，特点，应用，互联网

引言

从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器这四个阶段。相较于前面三代的测量仪器，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面显示的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统[1]。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。此外，还有基于计算机总线和模块化仪器总线的各种主要用于完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换功能的测控功能硬件，如：利用PCI计算机总线的数据采集卡（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的软件系统主要包括I/O接口软件、仪器驱动程序、仪器开发软件、应用软件。

1 虚拟仪器系统构成

虚拟仪器由硬件系统和软件系统两部分组成，其中硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件；软件系统从底层到顶层，包括三部分：VISA 库、仪器驱动程序和应用软件，如图1、2。

图1-1 虚拟仪器的基本构成

图1-2 虚拟仪器的构成框图

1.1 硬件构成

（1）计算机硬件平台

计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。[2]

（2）测试功能硬件

通过A/D转换将模拟信号转化成数字信号，送入计算机进行分析、处理、显示等；再通过D/A转换把数字控制量转化成模拟控制量，送到执行器，从而实现反馈控制，如数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及它们之间的任意组合。所涉及到的硬件接口模块包括：插入式数据采集卡(DAQ)、串/并口、IEEE488接口(GPIB)卡、VXI控制器以及其它接口卡。

1.2 软件系统

计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。虚拟仪器是一种主要靠软件实现的仪器,软件才是整个系统的关键.因为虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据

分析、结果输出和用户界面等功能,使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。[3]-[5]

（1）I/O 接口软件

I/O 接口是系统正常工作不可或缺的重要一环，主要实现以下三方面的功能：1)速度的匹配；2)信息格式的变换，包括串并转换，A/D、D/A 转换，电平转换等；3)提供主机和外设间数据所必需的状态和控制信息。在虚拟仪器系统中，硬件接口软件驱动化，已经经历了VISA 和IVI 两种规范。

（2）仪器驱动程序

驱动程序是一种将硬件与操作系统相互连接的软件。

（3）仪器开发软件

仪器开发软件是设计虚拟仪器所必须的软件工具。目前，存在两类虚拟仪器开发软件：一类是通用开发软件，如VC++，VB等；另一类是专用开发软件，专门面向用户的编程软件，如LabVIEW、Lab Windows/CVI、HP公司的VEE等。（4）应用软件

应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能等，完成自动测试任务。应用软件应完成3个主要功能：提供1个集成的开发环境,1个与仪器硬件的高级接口和1个图形

用户接口。

2 虚拟仪器发展前景及应用

2.1 发展前景

（1）虚拟仪器沿总线技术的发展过程有两条：1.GPIB → VXI → PXI总线方式（适合大型高精度集成系统）；2.PC 插卡式→ 并口式→ USB口→ IEEE1394 →eSATA（适合于普及型的廉价系统）。

（2）网络化发展：随着计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，高性能、高可靠性、低成本的网关、路由器、中继器、网络接口芯片等网络互联设备的不断进步。通过虚拟仪器，用户不仅能够远程监测/控制过程和实验数据，

而且还可以在网络上实时发布信息，同时监控多个过程，实现资源共享，增强了用户的工作能力。目前，国内外网络化虚拟仪器的发展主要有三种模式:远程示教与监测，仿真实验，远程控制实测。

2.2 应用

虚拟仪器经过十几年的发展，其应用涉及到与人们生活息息相关的多个领域，得到了国际上越来越多国家的重视。

（1）虚拟仪器在测量方面的应用。其在测量方面不仅能提高精确度，降低成本，还能节省用户的开发时间，如在电力系统中对谐波的测量。

（2）虚拟仪器在监控方面的应用。用虚拟仪器可以随时采集和记录从传感器传来的数据，并进行统计、数字滤波、频域分析等处理，从而实现监控功能。如可以利用采集卡和计算机通信对企业中水泵站进行动态监控。

（3）虚拟仪器在工程处理中的应用。在工程处理的每一个阶段，虚拟仪器均能提供出色的服务：从研发、设计到生产测试。比较典型的是基于LabVIEW的虚拟仪器，它集报警管理、历史数据追踪、安全、网络、工业I/O、企业内部连

网等功能于一身。在生产过程中，这些功能可以轻松地将多种工业设备集成在一起使用，减少传统仪器设备的数目。

（4）虚拟仪器在远程教育方面的应用。由于虚拟仪器系统具有灵活、可重复利用性强等优点，使得教学方法也更加灵活了。如可利用虚拟仪器构建基于CAN总线的传感器虚拟仪器实验室，为高校师生和研究人员提供一个专业实验教学及科研平台，同时通过PC与Internet互联构成真正意义上的远程共享从而构成网络教学体系。

（5）虚拟仪器报表生成技术的应用。LabVIEW生成的计量检定报表及访问Access测试信息数据库可以方便快捷的完成出具记录、鉴定报告这一任务。使得工程技术人员以一定格式的报表形式输出测试结果和测试信息更为方便

结论

经过对相关文献的查阅和学习基本上对虚拟仪器的硬件和软件部分有了大致的了解。硬件部分包括计算机硬件平台和测试功能硬件；软件部分包括I/O 接口软件、仪器驱动程序、仪器开发软件、应用软件。虚拟仪器的专用软件开发平