虛擬儀器及其應用

劉培培

（深圳第二職業技術學校 廣東 深圳 5180 00 ）

在科學實驗與生產實踐中，一項十分重要的工作就是進行各種測量，要用到各種儀器設備，隨著信息技術的發展，測量儀器越來越多地與計算機相融合，使測量儀器發生了翻天覆地的變化，虛擬儀器正是在這樣一個背景下應運而生的，它正以嶄新的面貌，無比的生命力，改變著測量儀器的現狀．

1 測量儀器的發展過程

測量早在原始社會后期就已經開始，當時由于生產、生活的需要，尤其是商品交換的需要，先民們開始對數和量有了認識，但當時的測量處在以人體器官或指定自然物為標準的初級階段，“手扎測長”、“邁步定畝”、“捧粟為升”而已，手扎步長因人而異，捧大捧小松緊不一，隨機性很強，難言標準統一．隨著社會的發展，技術的進步，經歷秦統一后的勘定度量衡，之后，經過漫長的演變，需要測量的內容越來越多，測量器具越來越豐富，對測量設備的要求越來越高，測量方法和手段也越來越完善，經歷了一個從定性到定量，從估測到精準，從單一測量到復合測量，從獨立儀器到儀器系統的發展過程．進入近代以后，隨著技術的進步與日益增多的世界性交流，計量單位進一步國際化、標準化，制定了通用的公制標準，新的測量儀器不斷涌現，大大促進了科學技術的發展．

隨著電子技術與傳感技術的發展，測量儀器進入“電子測量”時代，將非電學量通過傳感器轉換成電學量，再經過電子線路和數據處理得到測量結果，使測量變得更為直觀、方便，更便于信號的傳輸與控制，比如，激光測距、紅外測溫、電子稱重乃至衛星定位，都是電子測量的精彩案例．

電子測量儀器的發展，大體經歷了四個時代，第一代，是基于電磁效應機械指針式顯示的模擬測量儀器；第二代，是將模擬信號轉化為數字信號進行測量，并以數字方式作為輸出顯示的數字化儀器；第三代，是將微處理器內置嵌入儀器系統中，使之具有一定自動測試和數據處理功能的智能化測量儀器；第四代，是將儀器置于計算機中，以其強大的軟硬件功能，作為信號處理、儀器控制和結果表達的虛擬儀器．

虛擬儀器是計算機技術、通信技術乃至網絡技術飛速發展的產物，是全新測試理論和方法的結晶，使測量儀器從概念、結構到形式產生了突破性變化，是一種全新的與計算機融為一體的新型測量儀器．

2 虛擬儀器的基本組成與原理

虛擬儀器，充分利用計算機強大的軟硬件功能，把儀器做在計算機里，通過程序設計實現傳統儀器的功能．其虛擬的含義表現在兩個方面，一是儀器面板，不再像傳統儀器那樣，由各種具體的、獨立的實體器件所組成，而是通過計算機顯示器，由可視化組件構成，這些組件是相應軟件系統提供的，隨時即可調用與更換，完全虛擬替代了比如按鈕、開關、表頭、示波器等實體器件與儀表；其二是測量功能的實現，不再像傳統儀器那樣，通過一定的電子線路達到測量目的，而是通過編寫軟件程序來實現．虛擬儀器的功能指標、數據處理、顯示方式、信息控制等完全交由用戶自行定義，通過程序設計來實現，在一定意義上可以說“軟件就是儀器”，大大增強了測量儀器的多樣性、靈活性、易擴展性．虛擬儀器的基本結構如圖1所示．

圖1 虛擬儀器的基本組成

其中“被測對象”就是千變萬化的被測物理量，大多為非電學量；“信號調理”就是用傳感器將非電學量轉換成電學量被系統所感知，這些經調理轉換后的電學量一般為連續變化的模擬量；“數據采集卡”的作用是通過一定的電子線路，將模擬量轉換成計算機可以識別的數字量；“數據處理”既包括數值計算，也包括非數值數據的處理，數值計算就是通過一定的方法和手段（程序設計）將原始數據加工整理成系統需要的參量，這里要用到一些基本的物理原理和數學公式等，所謂非數值數據是指比如排序、分類、篩選、匯總、文字說明等非數值數據的處理；“虛擬儀器面板”是由可視化組件（控件）形成的在計算機屏幕上顯示的界面，相當于傳統儀器的面板．

在圖1所示的框圖中，“信號調理”和“數據采集”為外設模塊，一般稱為低端模塊，隨著傳感器技術與微電子技術的發展，這兩部分往往集成在一起，組成測試探頭．“數據處理”與“虛擬儀器面板”是由計算機編程來完成的，稱為高端模塊或上位機，用以實現虛擬儀器的主體功能．最終通過相應的接口，將測試探頭與計算機相連接，在一定驅動程序的支持下，便形成了虛擬儀器系統，與傳統儀器一樣用于實際測量．

3 虛擬儀器的主要特點

作為以計算機技術為基礎的虛擬儀器，相對于傳統儀器而言，具有如下主要顯著特點．

（1）性能好、功能強、便于集成．傳統儀器一般面板固定、功能單一、指標不變，對于復雜的測量，需要多臺不同的儀器才能組成測量系統．而虛擬儀器可以根據需要設計成不同的面板，多種功能，不同指標，在一臺計算機上，即可形成多層次、集成化的儀器系統，便于實現綜合測量．

（2）更新快、易擴展、靈活性強．傳統儀器如果要增加功能，提高指標，需要對面板、硬件模塊進行重新設計，工藝復雜，造價昂貴，更改周期長，而虛擬儀器的面板樣式、性能指標完全由用戶自行定義，通過編寫程序來實現，因此修改、更新周期短，升級改進方便快捷，便于功能拓展，具有很強的靈活性與可擴展性．

（3）具有強大的信息處理與控制功能．一般傳統測量儀器測量數據是一回事，對這些數據進行處理是另一回事，往往需要單獨進行，因此造成效率低下，而虛擬儀器由于與計算機合為一體，可以借助其強大的計算功能，進行即時處理與分析，做出相應判斷，進行相關控制．

表1列出了虛擬儀器與傳統儀器的區別．

表1 虛擬儀器與傳統儀器的區別

可以看出，虛擬儀器與傳統儀器相比，具有得天獨厚的優勢．

4 開發軟件與虛擬儀器設計

虛擬儀器盡管可以用傳統的編程軟件V B，V C，D e l p h i等進行設計，但畢竟不是虛擬儀器專用軟件，功能有限，難以構建．為了適應開發虛擬儀器的需要，許多專用軟件應運而生，比如LabWindows／CVI，Measurement Studio for VB，LabVIEW 等開發平臺，其中，尤以美國NI公司（National InstrumentsCorp）推出的實驗室虛擬儀器工作平臺LabVIEW，以其功能強大，可視化組件（控件）齊全，圖形化編程方便倍受人們青睞．

LabVIEW是一種圖形化的編程語言，又稱G語言，使用這種軟件編程時，基本上不用編寫程序代碼，取而代之的是程序框圖或流程圖，只需將代表各種功能的圖標、圖形進行邏輯組合即可構成相應虛擬儀器．系統由前面板和后面板兩部分構成，前面板用來擺放控件形成儀器界面，后面板通過框圖連線進行編程實現邏輯功能．

該軟件的主要功能是構造虛擬儀器的高端部分，其低端部分的被測數據，一般可先用程序虛擬產生，調試成功后再用低端模塊進行置換，形成實用測量系統，當然，這要安裝必要的驅動程序作支撐，通過相應的接口與微機相連接．下面通過溫度簡單測量到監測系統的實現，說明編程過程，體驗虛擬儀器的優勢所在．首先從簡單測溫開始，其儀器面板與程序框圖如圖2所示．

圖2 測溫儀的儀器面板、程序框圖與實測框圖

這是一個簡單的測溫儀，其儀器面板（前面板）形象逼真，但與實際溫度計相比較，其測溫范圍和精度可根據需要，通過修改溫度計控件相關屬性來設定，使測量更為精準，同時還增加了“當前溫度”數字顯示控件，使當前溫度值直觀顯示，并添加了“停止”測量按鈕，使用起來更加方便．其后面板的程序框圖，為一條件循環結構，由“停止”按鈕控制循環結束中斷程序，溫度值由隨機函數產生，“時間延遲”函數控制溫度測量的間隔．

如果將其功能擴展，改為溫度自動監測系統，實現每隔一定時間間隔檢測一個點，并描繪測溫曲線，設定越限溫度及記錄超標溫度點與時間，同時將這些數據轉存到電子表格以備日后查詢．如用傳統儀器，需要添加示波器、記錄儀、時鐘等，還要用復雜的電子線路作支撐，才能組合成一個實際的測量系統，對原始數據的記錄、整理與轉存，也并非易事．而用虛擬儀器，只需在圖2儀器面板的基礎上，添加相應控件，并在后面板進行程序框圖設計即可，修改后的儀器面板如圖3所示．

圖3 溫度監測系統儀器面板

由圖3所示的監測系統前面板可見，只在原來基礎上，添加用于描繪曲線的“波形圖表”，記錄“超標次數”的顯示控件，記錄“超標溫度”和“超標時刻”的數組控件，即形成了功能齊全的溫度監測系統．另外，還添加了用于方便控制和美化界面的“開始”按鈕、指示燈控件，以及顯示當前日期／時間的顯示控件，使系統功能更加豐富與完善．

其定時檢測、越限溫度與時間的記錄等功能的實現，只需在后面板引入相應函數節點，與前面板控件在后面板的相應框圖并進行必要連線，實現邏輯功能即可，如圖4所示．

圖4 溫度監測系統程序框圖

為了點擊“開始”按鈕使程序啟動運行，程序的主體內容放置在以對“開始”按鈕“按下鼠標”為觸發條件的事件過程中，數據暫由隨機函數模擬產生事后再由實測模塊進行，定時檢測的時間間隔由“時間延遲”函數給定，越限溫度的設定借助條件結構框圖限定，各種信息的顯示，對前面板控件在后面板的圖標，進行必要的邏輯連線形成．對相關數據轉存到Excel電子表格功能的實現，是通過“寫入電子表格文件”函數節點來實現的，由此對越限溫度及時間，逐點自動進行存儲，得以長期保留，大大方便了日后查閱與分析．程序框圖設計完成后，一臺虛擬儀器便告成功．如果必要，還可以進行信息傳遞并實現相關控制，也只需修改相應程序框圖即可．

如此功能齊全的溫度監測系統，只在簡單測溫程序的基礎上，幾經修改完成，使儀器性能按用戶意愿越做越好，功能越來越強，這完全得益于計算機軟硬件功能的強大，使虛擬儀器具有很強的靈活性和擴充性，這是傳統測量儀器所無法比擬的．

5 虛擬儀器在物理教學中的應用

虛擬儀器作為一種新型的測量儀器方興未艾，正改變著人們的傳統觀念和測試方法，它具有節省資金，便于遠程測量與控制，以及適應復雜惡劣測試環境的明顯優勢，具有很強的現實意義與發展前景．

筆者認為，虛擬儀器在物理教學中的應用具有兩個層面，一是對物理過程進行模擬，二是物理實驗的實際測量．所謂物理過程模擬，是指對目前因受條件限制或過于復雜難以進行的實驗，譬如，一些不可為實驗、危害性實驗、原理性實驗或方案設計性實驗等，尤其是抽象的物理過程，都可以借助計算機進行模擬，讓學生了解認知物理過程，加深對物理規律的理解．利用虛擬儀器有便于組合、更新快、易擴展、靈活性強的特點及強大的信息處理與控制功能，很容易實現，而且人機界面友好，操作方便，便于通過投影進行課堂演示與教學．對用于物理實驗的實際測量已不再遙遠，目前實驗室一些用計算機作顯示終端的儀器，大多具有虛擬儀器的影子，應該有意識地向學生介紹虛擬儀器的知識，使他們認識、了解、學會使用虛擬儀器，有條件的學校，完全可以根據需要自行設計虛擬儀器，尤其是設計性實驗，更適于虛擬儀器的開發與應用．

總之，虛擬儀器并不神秘，虛擬儀器就在身邊，讓我們共同努力，適應時代的發展，讓虛擬儀器為實驗教學服務，為生產實踐服務，設計開發出更多、更好、更方便實用的虛擬儀器．

1 胡仁喜，等．LabVIEW 8．2．1虛擬儀器實例指導教程．北京：機械工業出版社，2008 ．2～6

2 王磊．精通LabVIEW．北京：電子工業出版社，2007 ．4～8