虚拟仪器及其应用

虚拟仪器是80年代末出现的新的仪器概念，它是计算机技术、测量仪器技术和软件技术的高速发展共同孕育出的一项革命性新技术。虚拟仪器的出现，彻底改变了传统的仪器观，开辟了测量测试技术的新纪元。

　　1　虚拟仪器的概念

　　微机及DSP提供了强大的计算能力使得在一定的实时性要求下代替了许多原来由硬件完成的功能，这标志着“软件即仪器（The software is the instrument）”时代的到来。人们给这样的测试仪器起了一个形象的名字——虚拟仪器。

　　从1987年以专用集成电路(ASIC)和计算机技术为基础的总线仪器——虚拟仪器的雏形问世，到1993年虚拟仪器已发展到三百多家厂商、一千多种虚拟仪器产品，1995年厂商更达一千余家，产品达数千种。据预测，到2000年将有50%的仪器仪表是虚拟仪器。

　　 1．1　虚拟仪器的概念

　　虚拟仪器指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，它可利用软件在微型机屏幕上构成虚拟仪器面板，在有足够的硬件支持下对信号进行采样，在离线条件下，经软件处理而得到测量结果。它具有结构简单、一机多用、测量精度高等特点，使用者自己操作这台计算机，就象是在操作一台自己专门设计的传统电子仪器。

　　虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合的产物，是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何使用者都可通过修改软件的方法方便地改变、增减仪器系统的功能和规模。

　　 1．2　虚拟仪器的优点

　　我们知道，任何仪器都基本上分三部分组成，即数据采集与控制、数据处理与分析、数据的显示。传统仪器是将这三部分放在一个仪表机箱内，而虚拟仪器则是一种功能意义上的仪器，是具有仪器功能的软硬件组合，它并不强调物理上的实现形式。虚拟仪器相对传统仪器的优势是显而易见的，概括起来有以下几个方面：

　　（1）　传统仪器功能由仪器厂商定义；虚拟仪器功能由用户自己定义。仪器制造厂仅需提供基本的软硬件，如信号调节器、信号转换器等硬件和仪器应用软件生成环境等软件，真正需要什么样的仪器功能则是用户自己的事情。

　　（2）　传统仪器与其它仪器设备的连接受限制；而虚拟仪器则是面向应用的系统结构，可方便地与网络、外设及其它应用连接。

　　（3）　传统仪器图形界面小，人工读数，信息量少；虚拟仪器则展现图形界面，计算机直接读数、分析处理。

　　（4）　硬件是传统仪器的关键部分；而虚拟仪器中硬件仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器的关键部分，其测试功能均由软件来实现。

　　（5）　传统仪器系统封闭，功能固定；虚拟仪器则是基于计算机技术的开放灵活的功能模块，可构成多种仪器。

　　（6）　传统仪器扩展性差，数据无法编辑；虚拟仪器数据可编辑、存储、打印。

　　（7）　信号每经过一次硬件处理都会引起误差；由于虚拟仪器减少了硬件的使用，因而减少了测量误差。

　　（8）　传统仪器价格高，技术更新慢（周期为5～10 a），开发和维护费用亦高；虚拟仪器价格低（是传统仪器的五至十分之一），而且可重复利用，技术更新也快（周期为1～2 a），基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用。

　　虚拟仪器在国际上早已进入实用阶段，在我国虽刚起步，但发展迅速，已在电子测量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析、物矿勘探、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中广泛应用。

　　 2　虚拟仪器的系统构成

　　虚拟仪器的基本框图如图1所示

　　　　　　　　　　图1　虚拟仪器构成的基本框图

　　 2．1　虚拟仪器的硬件构成

　　如图1，虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种：

　　（1）　基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统

　　GPIB（General Purpose Interface Bus）仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用GPIB接口卡将若干GPIB仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易。它可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。

　　利用GPIB技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可预先编制好测试程序，实现自动测试，提高了测试效率。

　　（2）　基于数据采集的虚拟仪器系统

　　通过A/D变换将模拟、数字信号采集入计算机进行分析、处理、显示等，并可通过D/A转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。

　　（3）　利用VXI总线仪器实现虚拟仪器系统

　　VXI（VME bus extension for Instrumention）总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。VXI总线是一种高速计算机总线——VME（Versa Module Eurocard）总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放，传输速率高，数据吞吐能力强，定时和同步精确，模块化设计，结构紧凑，使用方便灵活，已越来越受人们的重视。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。

　　（4）　基于串行口或其它工业标准总线的系统

　　将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。

　　2．2　虚拟仪器的软件构成

　　构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能。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。

　　以VXI虚拟仪器系统为例（图2），从图可以看到，VXI虚拟仪器系统至少需要仪器、通信和驱动程序三种接口软件。其中仪器接口为仪器与计算机之间的通信协议和方法。通信接口按标准方式将仪器连接起来，它是仪器与仪器驱动程序之间的通信接口，实际上就是VXI系统的I/O接口软件。仪器驱动程序接口将通信接口与应用开发环境（ADE）连接起来。

　　　　　　　　 图2　VXI虚拟仪器系统软件结构框架

　　仪器驱动器是完成对某一特定仪器控制与通信的一段程序。它作为用户应用程序的一部分在计算机上运行。仪器驱动器是VXI虚拟仪器系统的核心，是完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。应用软件开发环境将计算机的数据分析、显示能力与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必要的软件工具和环境。目前有两种较流行的虚拟仪器开发环境：一是用传统的编程语言设计虚拟仪器，如HPITGII、Labwindows等；一是用图形编程语言设计虚拟仪器，如HPVEE，LabVIEW等。

　　特别指出LabVIEW是美国国家仪器公司（National Instruments Co．）推出的图形化软件编程平台。在这个平台上，各专业领域的工程师、科学家们通过定义和连接代表各种功能模块的图标来方便迅速地建立高水平的应用程序。在这个软件环境中，提供了一种象数据流一样的编程模式，用户只要连接各个逻辑框即可构成程序。同时，还以图形方式提供了大量的显示和分析程序库，利用软件平台可大大缩短虚拟仪器控制软件的开发时间，而且在这个平台上用户可以建立自己的测试方案。

　　 3　虚拟仪器的应用

　　3．1　电力参数测试装置

　　该装置由武汉水利电力大学电力工程学院研究。虚拟仪器下的电力参数测试充分利用了微型机的硬件资源，并尽可能以软件代替硬件，使仪表的硬件结构简单，可靠性高，成本低廉。

　　该装置以微型机为核心，将电力参数采集卡插入微型机总线插槽中，直接与微型机内总线连接，以实现对电力参数的测试。其硬件结构框图见图3。　　　　 

　　　　　　　　　　图3　电力参数测试装置结构框图

　　图中，三相电压、电流信号由电力线经电压互感器、电流互感器引入，经变压器和霍尔电流传感器后，6路输入Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic均为交流信号；同时，根据采样原理，使6路信号分别经6个采样保持器，在同一采样脉冲信号控制下，对这6路信号同时采样。为了实现对每一信号的频率跟踪，该系统采用锁相环跟踪技术：将一路被测信号经零检测电路变成方波信号（此方波信号的频率与电网基频相同），同时对它进行跟踪、锁相和倍频。这样就能使采样脉冲的频率fs严格地跟踪电网基频f1，且每一周期内的采样点数N＝fs/f1为恒定常数。采样的6路模拟量经多路模拟开关后依次送到A/D转换器。测频采用测周方式：假如在一个周期内，计数脉冲数为m，则被测信号频率为fx＝fc/m，其中fc为计数脉冲的频率。

　　应用软件采用Borland C＋＋和Visual Basic编写。由于C语言具有直接操作硬件的功能，故采用其编写仪器的驱动程序，以便完成仪器的接口。虚拟仪器的软面板采用VB制作，它由4个互不重合的窗口组成：控制窗口、状态窗口、绘图窗口和数据显示窗口。

　　3．2　内燃机试验测试系统

　　清华大学汽车工程系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检测，主要检测发动机的功率性、负荷性等。

　　过去采用DOS下的C语言开发程序，开发出来的检验系统的功能、操作界面及使用的方便程度都不很理想。利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW后，使整个系统移植到LabVIEW下，并大大增强了功能，操作界面也更加美观，检测时间大大减少，使用更加方便。检测后还能打印出完整的测试报告。

参考文献

1　孙续．软件是VXI系统的灵魂.VXI世界，1996（2）
2　林正盛．谈谈虚拟仪器技术的演化与发展．微计算机信息，1997（3）；1997(4)；1997(5)
3　黄义雄，戚丽丽．虚拟仪器下的电力参数测试．自动化与仪表，1998（1）
4　朱守云，王春皓．虚拟技术及其在电气上的应用．电世界，1997（8）