摘 要：本文介紹了虛擬儀器的發(fā)展及概念。從虛擬儀器的組成、數據采集構成以及軟件開發(fā)應用平臺都進行了詳細的說明。并給出了與傳統儀器的區(qū)別，以溫度校準的實例解釋了虛擬儀器Lab VIEW軟件的應用。 關鍵詞：虛擬儀器 數據采集 Lab VIEW 前言 　　隨著控制理論及電子和計算機技術的高速發(fā)展，為適應科研和生產中的需求，在檢測技術領域出現了許多新的理論、新的技術和新的概念，虛擬儀器由此而生。 　　虛擬儀器（VIRTUAL INSTRUMENT）是指通過應用程序將計算機與功能硬件（完成信號獲取、轉換和調理的專用硬件）結合起來從而把計算機的強大運算存儲和通信能力與功能硬件的測量和轉換能力融為一體，形成一種多功能，高精度，可靈活組合并帶有通信功能的測試技術平臺。 　　在電子測量中它可以代替?zhèn)鹘y的示波器，邏輯分析儀、信號發(fā)生器和頻譜分析儀等，在工業(yè)控制系統中所有以計算機為核心的自動化裝置也都可以歸納到虛擬儀器的范圍內，哪它可以代替通常安裝在控制室中的常規(guī)調節(jié)器、手操器、指示儀和報警器等。在使用虛擬儀器時，用戶可通過顯示屏上的友好界面來操作計算機，就像在操作自己定義的一臺臺傳統的儀器儀表一樣，從而完成對被測量的采集、分析、判斷、調節(jié)和存儲等功能。 一、 虛擬儀器的發(fā)展歷史 　　虛擬儀器技術的開發(fā)和應用起源于1986年美國車家儀器公司（NI）設計的Lab VIEW軟件，這是一種基于圖形的開發(fā)、調試和運行的軟件平臺。它實現了NI公司提出的“軟件即儀器”的理念。虛擬儀器的發(fā)展大致可分為三個階段，第一階段是利用計算機來增強傳統儀器的功能，由于通用接口總線GPIB標準的確立，計算機與外部儀器通信成為可能，因此把傳統的儀器通過串行口和計算機連接起來后就可以用計算機控制儀器了。第二階段主要在功能硬件上實現了了大技術進步，其一是插入計算機總線槽上的數據采集（PLUG-IN PC-DAQ）的出現，其二是VXI儀器總線標準的確立，這些新技術的應用奠定了虛擬儀器硬件的基礎。第三階段形成了虛擬儀器體系結構的基本框架，這主要是由于采用面向對象的編程技術構筑起了幾種虛擬儀器的平臺，并逐漸成為標準的軟件開發(fā)工具，由于虛擬儀器技術的飛速發(fā)展，這三個發(fā)展階段幾乎是同步進行的。 二、 虛擬儀器的結構和硬件 　　虛擬儀器一般由計算機、功能硬件模塊和應用軟件三大功能部件組成，它們之間通過標準總線進行數據交換，虛擬儀器的構成如圖1所示： [align=center] 圖1：虛擬儀器的組成[/align] 　　較常用的虛擬儀器系統通常是經過信號調理的數據采集系統;帶有通用儀器總線（GPIB）的測試系統;VXI儀器測試系統以及它們三者之間的任意組合。 　　一個典型的數據采集虛擬儀器系統由信號獲取、信號調理、數據采集和數據處理四部分組成，如圖2所示。 [align=center] 圖2：數據采集虛擬儀器系統方塊圖[/align] 　　一個好的數據采集系統不僅應具備高性能和高可靠性，還應提供完善的驅動程序以及通用的高級語言接口只有這樣才能為用戶快速建立自己的應用系統提供最大的便利。目前由于多層電路板技術，可編程放大器技術，系統定時控制器技術，高速數據采集的雙緩沖技術以及為數據高速傳輸的中斷、DMA等高新技術的應用，使得新型的數據采集卡在各項性能指標上都達到了很高的標準。 三、虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺 　　軟件是虛擬儀器的核心，而目前軟件開發(fā)平臺主有以下幾種：美國國家儀器公司（NI）的LAB VIEW，LAB WINDOWS/CVI，HP公司的VEE等。虛擬儀器完全符合國際上流行的“硬件軟件化”的趨勢，因而也被稱為“軟件儀器”。 　　NI公司不僅能向用戶提供構成虛擬儀器系統的各種硬件如數據采集板卡、各種GPIB儀器和VXI儀器產品，而且還可提供一種編譯型圖形化編程軟件LAB VIEW。它把復雜、繁瑣的語言編程簡化為用菜單或圖標提示的方法進行圖形功能的選擇，然后用線條把功能圖連接起來即可完成編程工作。 　　具有C語言編程經驗的用戶可以使用NI公司另一種虛擬儀器軟件開發(fā)平臺語言LAB WINDOWS/CVI，使用它可以簡化程序開發(fā)，提高編程速度。 　　在虛擬儀器系統中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入、輸出，軟件才是整個系統的關鍵，系統所有的功能主要是由軟件來實現的，任何一個用戶都可以用修改軟件的方法很方便地改變、增減系統的功能與規(guī)模，構筑自己需要的通用的或有特色的測試平臺。 四、與傳統儀器的區(qū)別 　　虛擬儀器與傳統儀器的區(qū)別在于，傳統儀器功能單一，并由制造廠定義，因此它系統封閉、功能固定、擴展性低，由于信息量少，因此一般都是人工讀數、手工生成測試報告。而虛擬儀器則相反，它的功能完全可由用戶自己編程加以定義和組態(tài)，并形成適合用戶需要的專用測試系統。此外它還可以實現多媒體操作符指令;時間標記和測量注釋;測量關聯和趨勢分析等多種功能，最重要的是它可以實現可編程全自動測試和結果自動分析等功能。在性能價格比方面它也具有優(yōu)勢。虛擬儀器可以廣泛應用于工程測量、物礦勘探、生物醫(yī)學、振動分析和故障診斷等科研和工程領域，目前在過程工業(yè)中大量使用的計算機監(jiān)控系統等也可以認為是虛擬儀器。 五、基于虛擬儀器的溫度校準系統 　　與常規(guī)的溫度校準系統不同，虛擬儀器系統的核心是一臺計算機，它的功能硬件是一臺帶有GPIB接口的高精度數字多用表和一臺溫度調節(jié)器。加熱控制順路是強電的可控硅元件及觸發(fā)電路，它接收溫度調節(jié)器的指令信號去調節(jié)檢定爐中加熱元件的電壓值。如果增加電子自動切換開關，可實現同爐中多支熱電偶溫度計的自動校準工作。 　　虛擬儀器的軟件采用Lab VIEW，它采用數據流程的圖形化C語言編程技術，把復雜費時的軟件編程簡化為菜單提示和圖標連接調用，虛擬儀器要完成的工作是： 　　Ø 檢定爐的溫度場所控制與校準平衡點的確認。計算機通過與數字多用表和溫度調節(jié)器的數據通信，接收溫度場信號，輸出控制指令，按不同的要求在顯示屏上的用戶界面中設定恒溫控制給定值、超限報警值等，并對平衡溫度點的穩(wěn)定判據給出指標。計算機則按一定的調節(jié)規(guī)律和判別算式進行工作。 　　Ø 在溫度平衡點，通過電子自動切換開關和數字多用表采集有效的溫度數據。計算計算機通過總線取得這些數據并進行前置處理，即去除數據中的具有疏忽誤差和系統誤差的數值。 　　Ø 實時顯示控溫曲線和校準比對曲線。對有效數據進行計算和不確定度的評定，最后輸出檢定報告。所有的原始數據和最后結果都輸入數據庫中加以存儲。 　　基于虛擬儀器的溫度校準系統完全能滿足在溫度校準實驗室中對不同溫度計使用不同標準設備進行校準檢定的要求。它利用一套硬件設備，使用不同的軟件就可以滿足各種溫度和各個溫度段對校準的要求，并具有高精度、高效率和全自動的特點，它是現代溫度計量室校驗設備發(fā)展的方向。 六、小結 　　虛擬儀器實質上是一個計算機測試系統，它能夠完成傳統儀器的所有功能，在人機界面和操作方式上保持了傳統儀器的模式，只不過儀器的面板是在顯示屏上看到的，儀器的按鈕操作是通過鼠標點擊完成的，顯示屏上的報警燈也同樣可以閃爍。但虛擬儀器更加靈活方便，功能更加強大，并可按需要構成任意的測試系統。虛擬儀器的遠程網絡化也是它的一個發(fā)展方向測量信號經過網絡的傳輸可實現資源共享、異地或遠程控制、數據采集和故障監(jiān)測等功能。