摘 要：本文介紹了虛擬儀器的發(fā)展及概念。從虛擬儀器的組成、數(shù)據(jù)采集構(gòu)成以及軟件開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)都進(jìn)行了詳細(xì)的說明。并給出了與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別，以溫度校準(zhǔn)的實(shí)例解釋了虛擬儀器Lab VIEW軟件的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器 數(shù)據(jù)采集 Lab VIEW 前言 　　隨著控制理論及電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，為適應(yīng)科研和生產(chǎn)中的需求，在檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的理論、新的技術(shù)和新的概念，虛擬儀器由此而生。 　　虛擬儀器（VIRTUAL INSTRUMENT）是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能硬件（完成信號(hào)獲取、轉(zhuǎn)換和調(diào)理的專用硬件）結(jié)合起來從而把計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算存儲(chǔ)和通信能力與功能硬件的測(cè)量和轉(zhuǎn)換能力融為一體，形成一種多功能，高精度，可靈活組合并帶有通信功能的測(cè)試技術(shù)平臺(tái)。 　　在電子測(cè)量中它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的示波器，邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀等，在工業(yè)控制系統(tǒng)中所有以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化裝置也都可以歸納到虛擬儀器的范圍內(nèi)，哪它可以代替通常安裝在控制室中的常規(guī)調(diào)節(jié)器、手操器、指示儀和報(bào)警器等。在使用虛擬儀器時(shí)，用戶可通過顯示屏上的友好界面來操作計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義的一臺(tái)臺(tái)傳統(tǒng)的儀器儀表一樣，從而完成對(duì)被測(cè)量的采集、分析、判斷、調(diào)節(jié)和存儲(chǔ)等功能。 一、 虛擬儀器的發(fā)展歷史 　　虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用起源于1986年美國(guó)車家儀器公司（NI）設(shè)計(jì)的Lab VIEW軟件，這是一種基于圖形的開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行的軟件平臺(tái)。它實(shí)現(xiàn)了NI公司提出的“軟件即儀器”的理念。虛擬儀器的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段，第一階段是利用計(jì)算機(jī)來增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能，由于通用接口總線GPIB標(biāo)準(zhǔn)的確立，計(jì)算機(jī)與外部?jī)x器通信成為可能，因此把傳統(tǒng)的儀器通過串行口和計(jì)算機(jī)連接起來后就可以用計(jì)算機(jī)控制儀器了。第二階段主要在功能硬件上實(shí)現(xiàn)了了大技術(shù)進(jìn)步，其一是插入計(jì)算機(jī)總線槽上的數(shù)據(jù)采集（PLUG-IN PC-DAQ）的出現(xiàn)，其二是VXI儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立，這些新技術(shù)的應(yīng)用奠定了虛擬儀器硬件的基礎(chǔ)。第三階段形成了虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)的基本框架，這主要是由于采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)構(gòu)筑起了幾種虛擬儀器的平臺(tái)，并逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)工具，由于虛擬儀器技術(shù)的飛速發(fā)展，這三個(gè)發(fā)展階段幾乎是同步進(jìn)行的。 二、 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)和硬件 　　虛擬儀器一般由計(jì)算機(jī)、功能硬件模塊和應(yīng)用軟件三大功能部件組成，它們之間通過標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，虛擬儀器的構(gòu)成如圖1所示： [align=center] 圖1：虛擬儀器的組成[/align] 　　較常用的虛擬儀器系統(tǒng)通常是經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);帶有通用儀器總線（GPIB）的測(cè)試系統(tǒng);VXI儀器測(cè)試系統(tǒng)以及它們?nèi)咧g的任意組合。 　　一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集虛擬儀器系統(tǒng)由信號(hào)獲取、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理四部分組成，如圖2所示。 [align=center] 圖2：數(shù)據(jù)采集虛擬儀器系統(tǒng)方塊圖[/align] 　　一個(gè)好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅應(yīng)具備高性能和高可靠性，還應(yīng)提供完善的驅(qū)動(dòng)程序以及通用的高級(jí)語言接口只有這樣才能為用戶快速建立自己的應(yīng)用系統(tǒng)提供最大的便利。目前由于多層電路板技術(shù)，可編程放大器技術(shù)，系統(tǒng)定時(shí)控制器技術(shù)，高速數(shù)據(jù)采集的雙緩沖技術(shù)以及為數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)闹袛?、DMA等高新技術(shù)的應(yīng)用，使得新型的數(shù)據(jù)采集卡在各項(xiàng)性能指標(biāo)上都達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)。 三、虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái) 　　軟件是虛擬儀器的核心，而目前軟件開發(fā)平臺(tái)主有以下幾種：美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的LAB VIEW，LAB WINDOWS/CVI，HP公司的VEE等。虛擬儀器完全符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的趨勢(shì)，因而也被稱為“軟件儀器”。 　　NI公司不僅能向用戶提供構(gòu)成虛擬儀器系統(tǒng)的各種硬件如數(shù)據(jù)采集板卡、各種GPIB儀器和VXI儀器產(chǎn)品，而且還可提供一種編譯型圖形化編程軟件LAB VIEW。它把復(fù)雜、繁瑣的語言編程簡(jiǎn)化為用菜單或圖標(biāo)提示的方法進(jìn)行圖形功能的選擇，然后用線條把功能圖連接起來即可完成編程工作。 　　具有C語言編程經(jīng)驗(yàn)的用戶可以使用NI公司另一種虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)語言LAB WINDOWS/CVI，使用它可以簡(jiǎn)化程序開發(fā)，提高編程速度。 　　在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入、輸出，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)所有的功能主要是由軟件來實(shí)現(xiàn)的，任何一個(gè)用戶都可以用修改軟件的方法很方便地改變、增減系統(tǒng)的功能與規(guī)模，構(gòu)筑自己需要的通用的或有特色的測(cè)試平臺(tái)。 四、與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別 　　虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別在于，傳統(tǒng)儀器功能單一，并由制造廠定義，因此它系統(tǒng)封閉、功能固定、擴(kuò)展性低，由于信息量少，因此一般都是人工讀數(shù)、手工生成測(cè)試報(bào)告。而虛擬儀器則相反，它的功能完全可由用戶自己編程加以定義和組態(tài)，并形成適合用戶需要的專用測(cè)試系統(tǒng)。此外它還可以實(shí)現(xiàn)多媒體操作符指令;時(shí)間標(biāo)記和測(cè)量注釋;測(cè)量關(guān)聯(lián)和趨勢(shì)分析等多種功能，最重要的是它可以實(shí)現(xiàn)可編程全自動(dòng)測(cè)試和結(jié)果自動(dòng)分析等功能。在性能價(jià)格比方面它也具有優(yōu)勢(shì)。虛擬儀器可以廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、物礦勘探、生物醫(yī)學(xué)、振動(dòng)分析和故障診斷等科研和工程領(lǐng)域，目前在過程工業(yè)中大量使用的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等也可以認(rèn)為是虛擬儀器。 五、基于虛擬儀器的溫度校準(zhǔn)系統(tǒng) 　　與常規(guī)的溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)不同，虛擬儀器系統(tǒng)的核心是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它的功能硬件是一臺(tái)帶有GPIB接口的高精度數(shù)字多用表和一臺(tái)溫度調(diào)節(jié)器。加熱控制順路是強(qiáng)電的可控硅元件及觸發(fā)電路，它接收溫度調(diào)節(jié)器的指令信號(hào)去調(diào)節(jié)檢定爐中加熱元件的電壓值。如果增加電子自動(dòng)切換開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)同爐中多支熱電偶溫度計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)工作。 　　虛擬儀器的軟件采用Lab VIEW，它采用數(shù)據(jù)流程的圖形化C語言編程技術(shù)，把復(fù)雜費(fèi)時(shí)的軟件編程簡(jiǎn)化為菜單提示和圖標(biāo)連接調(diào)用，虛擬儀器要完成的工作是： 　　Ø 檢定爐的溫度場(chǎng)所控制與校準(zhǔn)平衡點(diǎn)的確認(rèn)。計(jì)算機(jī)通過與數(shù)字多用表和溫度調(diào)節(jié)器的數(shù)據(jù)通信，接收溫度場(chǎng)信號(hào)，輸出控制指令，按不同的要求在顯示屏上的用戶界面中設(shè)定恒溫控制給定值、超限報(bào)警值等，并對(duì)平衡溫度點(diǎn)的穩(wěn)定判據(jù)給出指標(biāo)。計(jì)算機(jī)則按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律和判別算式進(jìn)行工作。 　　Ø 在溫度平衡點(diǎn)，通過電子自動(dòng)切換開關(guān)和數(shù)字多用表采集有效的溫度數(shù)據(jù)。計(jì)算計(jì)算機(jī)通過總線取得這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行前置處理，即去除數(shù)據(jù)中的具有疏忽誤差和系統(tǒng)誤差的數(shù)值。 　　Ø 實(shí)時(shí)顯示控溫曲線和校準(zhǔn)比對(duì)曲線。對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和不確定度的評(píng)定，最后輸出檢定報(bào)告。所有的原始數(shù)據(jù)和最后結(jié)果都輸入數(shù)據(jù)庫中加以存儲(chǔ)。 　　基于虛擬儀器的溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)完全能滿足在溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中對(duì)不同溫度計(jì)使用不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)檢定的要求。它利用一套硬件設(shè)備，使用不同的軟件就可以滿足各種溫度和各個(gè)溫度段對(duì)校準(zhǔn)的要求，并具有高精度、高效率和全自動(dòng)的特點(diǎn)，它是現(xiàn)代溫度計(jì)量室校驗(yàn)設(shè)備發(fā)展的方向。 六、小結(jié) 　　虛擬儀器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，它能夠完成傳統(tǒng)儀器的所有功能，在人機(jī)界面和操作方式上保持了傳統(tǒng)儀器的模式，只不過儀器的面板是在顯示屏上看到的，儀器的按鈕操作是通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊完成的，顯示屏上的報(bào)警燈也同樣可以閃爍。但虛擬儀器更加靈活方便，功能更加強(qiáng)大，并可按需要構(gòu)成任意的測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化也是它的一個(gè)發(fā)展方向測(cè)量信號(hào)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的傳輸可實(shí)現(xiàn)資源共享、異地或遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集和故障監(jiān)測(cè)等功能。