虛擬儀器的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

摘 要:虛擬儀器是未來儀表儀器發(fā)展的一個主要方向，有廣闊的發(fā)展空間。介紹了虛擬儀器的概念及與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別，并對虛擬儀表的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢作了詳細的論述。

關鍵詞:虛擬儀器 儀表 總線

中圖分類號:TH7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)10(c)-0108-01

計算機技術(shù)的發(fā)展，尤其80年代初微機出現(xiàn)以來，以及近些年來的PC機和工作站的性能不斷提高，價格不斷降低，給各個行業(yè)帶來了新的機遇和活力。虛擬儀器就是一個典型的例子。隨著信息時代和網(wǎng)絡時代的來臨，傳統(tǒng)儀器已不能滿足科技以及社會生產(chǎn)的需要。儀器已不再是簡單的機械或電子設備，而是融合了機械、電子、光學、計算機、材料化學、物理學、化學、生物學、系統(tǒng)工程等學科和先進制造技術(shù)的一門綜合性技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)是把計算機技術(shù)和儀表儀器技術(shù)完美地結(jié)合起來，利用現(xiàn)有計算機資源，配以獨特設計的軟硬件，實現(xiàn)普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無法實現(xiàn)的功能。

1 虛擬儀器的現(xiàn)狀

進入新世紀以來網(wǎng)絡化，智能化，虛擬化等高科技技術(shù)已成為現(xiàn)代儀器最主要的特征和發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)儀器工作時，我們有時為了完成某項測試和維修任務，需要許多儀器。如:信號源，示波器，頻率計，電壓表，頻譜分析儀等許多儀器來測量。這么多的儀器不但價格昂貴、體積大、占用空間，而且各種儀器互聯(lián)性差，不能相互之間交換數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)。造成儀器的利用率低，協(xié)同效果不能很好的發(fā)揮出來。虛擬儀器的產(chǎn)生，徹底改變了這樣的狀況，只需要PC機或者工作站、儀器插件、計算機應用程序就可以完成上述的功能。虛擬儀器在某種程度上能夠替代現(xiàn)有的多數(shù)設備。虛擬儀器是以計算機為核心，充分利用計算機強大的顯示、處理、存儲能力來模擬物理儀器的處理過程。虛擬儀器的關鍵是軟件的開發(fā)，通過應用軟件，根據(jù)不同的需要，可以實現(xiàn)不同測量儀器的功能。目前，虛擬儀器軟件開發(fā)以美國國家儀器公司(NI)開發(fā)的軟件產(chǎn)品LabView圖形編程環(huán)境和Lavwindows/CVI面向儀器的交互式C語言最為著名。現(xiàn)在流行的虛擬儀器軟件的主要特點是:用戶自定義性能強、功能規(guī)范、用戶界面非常友好而實現(xiàn)的功能和實際的儀器不相上下，而且能夠增加傳統(tǒng)儀器無法實現(xiàn)的其他的功能。通過虛擬儀器，工業(yè)設備變得越來越簡單，但是功能越來越強，這個趨勢將在未來的工業(yè)發(fā)展中起到主導的作用。

2 虛擬儀器的發(fā)展趨勢

隨著計算機技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向以下五個方向發(fā)展。

2.1 與計算機的結(jié)合更加緊密，集成化程度更高

儀器的發(fā)展經(jīng)歷了由模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器到可編程的虛擬儀器的發(fā)展歷程。其中每一次飛躍無不以高性能計算機的發(fā)展為動力。近年來，計算機的處理能力一直按指數(shù)率提高，發(fā)展之快已把傳統(tǒng)儀器遠遠拋在了后面。計算機具有儀器所需要的、最先進及性能價格比最好的顯示與存儲能力，尤其是計算機總線技術(shù)的發(fā)展，在提高總線速度和推廣標準化等方面都取得了很大的成就，計算機生產(chǎn)廠商之間的激烈競爭保證了計算機在顯示、存儲能力與處理性能等方面仍將繼續(xù)高速發(fā)展。

2.2 儀器接口更加靈活，可組建不同接口總線的系統(tǒng)

虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的系統(tǒng)。如GPIB儀器通過GPIB接口卡與計算機組成GPIB系統(tǒng)，并行總線儀器組成并行總線系統(tǒng)等。一般來說GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測試系統(tǒng);PC-DAQ、并行口式、串行口式系統(tǒng)適合普及型的廉價系統(tǒng);現(xiàn)場總線系統(tǒng)主要用于大規(guī)模的網(wǎng)絡測試。有時，可以根據(jù)不同需要組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)，也可以將上述幾種方案結(jié)合起來組成混合測試系統(tǒng)。

2.3 網(wǎng)絡化將是虛擬儀器發(fā)展的趨勢

基于Internet的網(wǎng)絡儀器是計算機技術(shù)、虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)的完美結(jié)合，代表了當前和今后儀器儀表領域的發(fā)展潮流，已在測量與測控領域內(nèi)顯現(xiàn)。如網(wǎng)絡化流量計、網(wǎng)絡化分析儀、網(wǎng)絡化計量表等，都成為人們的新寵。網(wǎng)絡化儀器可實現(xiàn)任意時間、任何地點對系統(tǒng)的遠程訪問，實時獲得儀器的工作狀態(tài);通過友好的用戶界面，不僅可對遠程儀器進行功能控制和狀態(tài)檢測，還能將遠程儀器測得的數(shù)據(jù)快速傳遞給本地計算機。與傳統(tǒng)的儀器相比，網(wǎng)絡儀器具有無可比擬的優(yōu)勢，如功能分散、危險分散、地理分散、管理集中、通信功能強、網(wǎng)絡隔離度高、分布廣泛;系統(tǒng)操作簡單，人機界面友好，便于擴展和維護等。

2.4 組件化趨勢-硬件和軟件

“軟件就是儀器”，表明軟件是構(gòu)成虛擬儀器的核心，是虛擬儀器的靈魂。隨著測量和控制應用領域?qū)ο到y(tǒng)性能和靈活性要求的不斷提高，軟件的設計功能也逐漸重要。用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，功能強大、現(xiàn)成即用的軟件使整個過程自動進行。為了便于用戶使用，儀器制造商同時對硬件和軟件標準化，將虛擬儀器、虛擬儀器測試系統(tǒng)細分為硬件模塊、驅(qū)動程序和軟件開發(fā)平臺等若干層，對各層與相鄰層之間的接口都加以規(guī)范;軟硬件廠商都按標準的規(guī)范開發(fā)各自的軟硬件產(chǎn)品，使其具有最佳的互換性能。

2.5 合成儀器將大量出現(xiàn)

虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，而今正沿著總線與驅(qū)動程序標準化、硬/軟件模塊化、編程平臺的圖形化和硬件模塊的即插即用方向進步。以開放式模塊化儀器標準為基礎的虛擬儀器標準正日趨完善，建立在虛擬儀器技術(shù)上的各種先進儀器將會層出不窮。

3 小結(jié)

虛擬儀器技術(shù)在發(fā)達國家的應用已非常普及，而我國發(fā)展還比較緩慢。虛擬儀器作為一種以計算機軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，它具有功能強、測試精度高、測試速度快、自動化程度高、人機界面優(yōu)異、靈活性強等優(yōu)點。它作為一個全新的、有朝氣的領域，具有廣闊的發(fā)展空間。隨著計算機的軟硬件、通信技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)等相關技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器最終將會取代大量的傳統(tǒng)儀器，成為測量、分析處理、控制等儀器的核心技術(shù)。

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①作者簡介:王新波(1986-)，男，(漢)，陜西榆林人，在讀碩士研究生，研究生管理大隊軍事通信專業(yè)。

朱維杰(1971-)，男(漢)，武警工程學院副教授，碩士研究生導師，博士，陜西西安人，通信工程系水聲工程。