虛擬儀器在測控系統的應用探討

趙鑰

摘要：虛擬測量儀器概念的提出，為計算機、網絡技術涉及儀器領域設立了橋梁，廣泛用于工程應用、測控系統中應用，直觀化的圖形編程語言確保了程序開發人員的工作效率與質量。在測控系統中的應用，憑借著自身性能高、擴展性強、節約時間等優勢特征，成為了測試測量、控制領域不可或缺的技術，未來仍有很大的發展空間，對此加強此方面的研究尤為關鍵。

關鍵詞：虛擬儀器；測控系統；應用

虛擬儀器技術是指在模塊化硬件基礎上配以高性能的軟件開發平臺實現測試測量、自動化等領域的應用，是對傳統儀器系統的帶動及沖擊。隨著測試測量、控制領域對技術標準的逐漸提升，以及測試系統開發成本、質量等方面的要求，使得虛擬儀器技術在其領域的應用越發成熟，數據的采集處理及分析也更加便利與可靠，是現代測試儀器發展的重要方向。

一、虛擬儀器概述

（一）概念

虛擬儀器在測試系統中，實現軟件、硬件的替換，將其軟件在儀器領域的應用更加配套。借助計算機平臺，圍繞用戶需求，對儀器測試功能進行設計。在應用程序基礎上，借助計算機平臺，圍繞用戶需求，實現儀器硬件、計算機的結合，用戶借助直觀的圖形界面控制計算機，如同操控自身定義的傳統儀器。虛擬儀器將微處理器等計算機設施、數字I/O等儀器硬件的測量控制性能結合，軟件進行數據處理，并實現圖形用戶接口。應用程序展現模塊間定時通信等功能，主要借助VXl、GPIB等硬件，結合源碼庫函數軟件實現。虛擬儀器的開放性、模塊化等特征，輔以高性能軟件，通過系統配置、模塊增減即可滿足用戶各種測試要求。新型虛擬儀器構造簡單便利，為用戶項目轉換提供了幫助。虛擬儀器的開放性、靈活性、可操作性等優勢特征也是傳統儀器所不能比擬的。

（二）結構

虛擬儀器是各種軟件硬件資源輔以測控儀器等設備的結合體，如儀器測控硬件、界面軟件等。

基于硬件角度分析，計算機數據采集測試系統，是指現場總線、GPIB、現場總線等以硬件方式形成的各種系統，即指現場總線系統、GPIB系統、現場總線系統等。在計算機數據采集測試系統上的的虛擬測試系統，介于操作系統、應用軟件、數據采集板的優勢特征，成為了現代測試系統關鍵技術[1]。

基于軟件角度分析，除明確配置儀器硬件、計算機資源后，還需注重虛擬儀器的軟件資源配置。虛擬儀器開發環境多元，如C/C++、BasiC等編程語言，以及LabVIEW圖形編程環境等。采用流程圖型的程序設計，介于流程圖、傳統程序語言無交集，同時與數據流、方塊圖類似，使程序開發時間大大縮減，同時速度無干擾，對此是比較理想的開發環境。

二、虛擬儀器在測控系統中的應用

（一）應用關鍵技術

基于提升軟件測試時間的角度分析，在測試環節，繼電器時間的提高，可通過利用指定的計數器板，或是利用系統時鐘方法實現。對于秒級時間的測試誤差必須不能超過20%，計數器板或定時器通常都能達到標準，同時經濟性強，計算機無需安置多余插槽，空間不受影響。

基于數據庫管理技術的角度分析，LabWindows/CVI集成式開發環境、工程開發工具箱，憑借自身測量分析等豐富資源資源庫，與SQL 工具包結合可實現各種測試數據的儲存。在測控系統中應用可設置成各種儲存方式，如依據時間、測試結果等字段，使產品履歷檔案更加完善。根據各種保存的字段，如時間字段等，可以快速的查詢產品測試履歷，管理效率顯著提升，同時也避免了傳統人工管理的弊端。

（二）監測方面應用

虛擬儀器在西方發達國家的應用相對普及，在虛擬儀器基礎上設計的光學測微計，可微米級分辨率測量微機電系統中的硅晶片厚度。通過現代LabVIEW開發環境，與傳統Visual C++開發環境比較，在開發時間、開發經濟性方面的優勢相對明顯。在虛擬儀器基礎上設計的微電子氣敏傳感器，利用LabVIEW對基于計算機的數據采集板系統進行控制，傳感器溫度、氣相環境變化控制相對精準，對于后者變化的控制主要參照電阻值變化實現。基于LabVIEW的數據采集系統教學儀器不僅性能高、靈活性強，同時控制軟件可擴展[2]。

（三）檢測方面應用

虛擬儀器技術在汽車檢測中的應用相對普及。汽車檢測德目的主要為安全環保檢測、綜合性能檢測。傳感器為檢測系統輸入端，實現被測非電量、電量的轉換。借助信號調理電路，將傳感器測量的非電量、轉變為指定功率電壓電流、頻率信號等，對后級顯示電路數據處理電路、執行機構起到推動作用。數據處理、信號處理等裝置反饋的電壓、電流等信號，通過顯示器顯示。為檢測人員明確各種電氣設備的應用情況提供參照。在汽車儀表檢測中，利用NI PXI系列板卡、數據通訊轉換卡、LabVIEW軟件等資源，設計測試系統，檢測效率與產品質量得以保證。在車內測試系統中，借助LabVIEW、PXI/SCXI等資源，開發設計車內測試系統，利用LabVIEW程序負責信號收集、處理。運動控制、語音合成等功能升級，使其車內測試系統完全代替了以往的數據記錄儀。

（四）電子測控系統

虛擬儀器在航空機電子測控系統中也有涉獵，對測控系統精度、測試能力、飛機性能的優化起積極促進作用。在虛擬儀器技術基礎上，設計的新型開關盒測控系統、繼電器盒，借助LabWindows/CVI系統、數字采集板可實現對繼電器盒邏輯狀態、延時時間的檢測與控制。CVI系統具有豐富庫函數、豐富面板功能等優勢特征，可設計出虛擬實物界面、人機對話界面，優化了航空機電子測控系統的性能[3]。

總結

LabWindows/CVI圖形化編程語仍有較大的開發空間，對此可深入研究與推廣。虛擬儀器的應用，彌補了傳統儀器的不足，規避了傳統儀器電路設計等方面的弊端。使用儀器、設計科學性及可靠性顯著提升。軟件資源的利用，拓展了各種儀器的功能，通過修改程序即可實現各種功能的利用，經濟性、操作便利性顯著提升。

參考文獻：

[1] 鄧佳欣， 孟立飛， 肖琦，等. 基于LabVIEW的航天器磁試驗測控系統設計及應用[J]. 航天器環境工程， 2017， 34（5）：522-527

[2]王衛， 倪衛寧， 吳非. 基于虛擬儀器的測井地面測控系統研究[J]. 電子設計工程， 2016， 24（23）：125-126

[3]李玉豪. 基于虛擬儀器技術的四極桿質譜測控系統研究[J]. 中國科技縱橫， 2016（24）