淺談虛擬儀器技術(shù)的重點問題

賀頔昆

（湖南省師范大學(xué)附屬中學(xué) 410006）

淺談虛擬儀器技術(shù)的重點問題

賀頔昆

（湖南省師范大學(xué)附屬中學(xué) 410006）

目前虛擬儀器技術(shù)也是當(dāng)今的研究熱點之一，本文通過介紹虛擬儀器的概念和特點，分析其組成部分，總結(jié)虛擬儀器技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

虛擬儀器技術(shù)；研究現(xiàn)狀；分析

虛擬儀器技術(shù)是一種結(jié)合計算機和測量技術(shù)的系統(tǒng)儀器測量技術(shù)，其利用現(xiàn)行的計算機主流技術(shù)與高性能的硬件模塊取代價格昂貴、性能單一的傳統(tǒng)儀器。這一技術(shù)在近年來得到了迅速發(fā)展。

1 虛擬儀器技術(shù)的概念和特點

1.1 虛擬儀器技術(shù)的概念

虛擬儀器技術(shù)起源于1986年，NI公司提出了“軟件及儀器”的思路，開啟了虛擬儀器研究的先河，伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)從理論轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓪崿F(xiàn)的工程技術(shù)。虛擬儀器是指通過計算機應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化硬件結(jié)合，用戶可以通過友好的圖形界面來操作軟件，如同操作實際儀器一樣完成被測量的數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、顯示和存儲。其基本內(nèi)涵是利用計算機管理儀器，將傳統(tǒng)儀器中的某些電路用軟件實現(xiàn)，從而替代儀器的某些功能，最終取代傳統(tǒng)電子儀器。虛擬儀器技術(shù)中的“虛擬”有包含兩層含義。①虛擬的儀器面板；②由軟件實現(xiàn)儀器的測量功能。

1.2 虛擬儀器技術(shù)的特點

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬技術(shù)具有以下幾個特點：

（1）性能高。虛擬儀器技術(shù)依托于計算機技術(shù)，擁有功能強大的處理器和I/O，可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤同時還能進行分析。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，其性能會不斷提高。

（2）擴展性強。由于計算軟件非常靈活，只要進行軟件升級或者擴展，就可以對系統(tǒng)進行擴展和改進。

（3）容易集成。虛擬儀器技術(shù)軟件平臺提供了標(biāo)準(zhǔn)化的I/O設(shè)備接口，隨著功能的模塊化，很容易將功能模塊集成到整個系統(tǒng)當(dāng)中。

2 虛擬儀器系統(tǒng)的組成

虛擬儀器系統(tǒng)主要有硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及軟件開發(fā)平臺三部分組成。

2.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)一般由硬件平臺和測控功能硬件構(gòu)成。硬件平臺主要指計算機，用以管理虛擬儀器的軟件資源，是硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)。功能硬件與虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用需求有緊密的聯(lián)系，主要有五種類型，分別是PC總線型、串口總線型、GPIB總線型、VXI總線型以及PXI總線型。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是虛擬儀器技術(shù)的核心，用戶可以根據(jù)不同的測試需求，編制出不同的測試測試軟件，用以實現(xiàn)復(fù)雜的測試任務(wù)。軟件系統(tǒng)可直接參與測量信號的產(chǎn)生、存儲和分析，其包括應(yīng)用軟件、驅(qū)動軟件和接口軟件三部分。其中應(yīng)用軟件又分為儀器面板控制軟件、數(shù)據(jù)分析處理軟件兩部分。

2.3 軟件開發(fā)平臺

軟件開發(fā)平臺可完成數(shù)據(jù)分析與處理工作，同時輸出結(jié)果，在同一硬件平臺下，軟件不同，實現(xiàn)的功能則不同，可以利用軟件開發(fā)平臺開發(fā)出不同功能的軟件。

3 虛擬儀器技術(shù)的研究重點

3.1 多樣化的虛擬軟件開發(fā)平臺

NI公司推出的LABVIEW軟件開發(fā)平臺，適應(yīng)性強，操作簡單，為了兼顧其他高級語言編程者的習(xí)慣，還推出了LABWINDOWS/CVI等交互式平臺。美國HP公司的VEE、Tektronis公司的Ez Test以及美國HEM Data公司的Snap-Marter平臺軟件，都是目前應(yīng)用廣泛的虛擬軟件開發(fā)平臺。在中國，西交大也研制出可視化虛擬軟件開發(fā)平臺，重慶大學(xué)也提出了虛擬儀器產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)辦法。

3.2 將軟件工程的新理論和新方法應(yīng)用于設(shè)計當(dāng)中

目前軟件工程中的面向?qū)ο蠹夹g(shù)、ActiveX技術(shù)、組件技術(shù)等新技術(shù)都廣泛應(yīng)用于虛擬儀器技術(shù)的軟件設(shè)計當(dāng)中。利用這些新理論和新方法出現(xiàn)了大量的數(shù)據(jù)處理分析軟件和控件，為創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的條件。

3.3 虛擬儀器向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展

計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展也推動了虛擬儀器向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器的虛擬實驗室，應(yīng)用于科研和教學(xué)研究。人工智能的發(fā)展也使得研究者關(guān)注與虛擬儀器的智能化，通過一定智能的多功能部件可以提高虛擬儀器的靈活性和設(shè)計效率。

4 未來階段下虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用趨勢

在儀器技術(shù)、計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展下，虛擬儀器技術(shù)會朝著幾個方向發(fā)展：

4.1 外掛式虛擬儀器的應(yīng)用

傳統(tǒng)基于PCI總線虛擬儀器在插入DAQ式，需要將機箱打開，相對麻煩，也會出現(xiàn)電磁干擾的問題。而外掛式虛擬儀器可以直接對測量的物理信號進行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過USB線或者串口線進行傳遞，這就有效減少了板卡拆裝過程，最大限度的節(jié)約了計算機系統(tǒng)資源。

4.2 PXI型高精度集成虛擬儀器的應(yīng)用

目前，常用的測試系統(tǒng)就是PXI總線與VXI總線，后者可以應(yīng)用在高端自動化測試工作，但是需要使用VME總線，而很多計算機是不支持該種結(jié)構(gòu)的，因此，其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。PXI平臺是基于PCI產(chǎn)生而來，成本低廉，性能好，可以為用戶提供主流軟件模型，比VXI系統(tǒng)相比，性價比更高，會成為下一階段下主流虛擬儀器平臺。此外，隨著Internet技術(shù)的發(fā)展，一些公司已開發(fā)出通過Web瀏覽器觀測嵌入式智能儀器的產(chǎn)品，取得了良好的進展。

5 結(jié)語

虛擬儀器技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于通訊、自動化、半導(dǎo)體、航空、電子以及機械制造等領(lǐng)域，對國民經(jīng)濟和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展具有非常重大的現(xiàn)實意義。我國也應(yīng)該加大在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用推廣，制定相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，加快我國虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。

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2016-9-30