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(diǎn)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(diǎn)之一，本文通過介紹虛擬儀器的概念和特點(diǎn)，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(shì)。

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(jì)算機(jī)和測(cè)量技術(shù)的系統(tǒng)儀器測(cè)量技術(shù)，其利用現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)主流技術(shù)與高性能的硬件模塊取代價(jià)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(diǎn)

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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)從理論轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓪?shí)現(xiàn)的工程技術(shù)。虛擬儀器是指通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)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(shí)際儀器一樣完成被測(cè)量的數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、顯示和存儲(chǔ)。其基本內(nèi)涵是利用計(jì)算機(jī)管理儀器，將傳統(tǒng)儀器中的某些電路用軟件實(shí)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(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能。

1.2 虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

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

（2）擴(kuò)展性強(qiáng)。由于計(jì)算軟件非常靈活，只要進(jìn)行軟件升級(jí)或者擴(kuò)展，就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)。

（3）容易集成。虛擬儀器技術(shù)軟件平臺(tái)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(gè)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(tái)三部分組成。

2.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)一般由硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件構(gòu)成。硬件平臺(tái)主要指計(jì)算機(jī)，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(cè)試需求，編制出不同的測(cè)試測(cè)試軟件，用以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。軟件系統(tǒng)可直接參與測(cè)量信號(hào)的產(chǎn)生、存儲(chǔ)和分析，其包括應(yīng)用軟件、驅(qū)動(dòng)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(tái)

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

3 虛擬儀器技術(shù)的研究重點(diǎn)

3.1 多樣化的虛擬軟件開發(fā)平臺(tái)

NI公司推出的LABVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)，適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡單，為了兼顧其他高級(jí)語言編程者的習(xí)慣，還推出了LABWINDOWS/CVI等交互式平臺(tái)。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(tái)軟件，都是目前應(yīng)用廣泛的虛擬軟件開發(fā)平臺(tái)。在中國，西交大也研制出可視化虛擬軟件開發(fā)平臺(tái)，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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展也推動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jì)效率。

4 未來階段下虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用趨勢(shì)

在儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(huì)朝著幾個(gè)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(jī)箱打開，相對(duì)麻煩，也會(huì)出現(xiàn)電磁干擾的問題。而外掛式虛擬儀器可以直接對(duì)測(cè)量的物理信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過USB線或者串口線進(jìn)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(jì)算機(jī)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(cè)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(dòng)化測(cè)試工作，但是需要使用VME總線，而很多計(jì)算機(jī)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(tái)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(jià)比更高，會(huì)成為下一階段下主流虛擬儀器平臺(tái)。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(cè)嵌入式智能儀器的產(chǎn)品，取得了良好的進(jìn)展。

5 結(jié)語

虛擬儀器技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于通訊、自動(dòng)化、半導(dǎo)體、航空、電子以及機(jī)械制造等領(lǐng)域，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展具有非常重大的現(xiàn)實(shí)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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