【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器的發(fā)展歷史，大體經(jīng)歷了以下的發(fā)展歷程： (1)第一代模擬儀器。是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬(wàn)用表、指針式電壓表、指針式電流表等。這類(lèi)指針式儀器借助指針來(lái)顯示最終結(jié)果。 (2)第二代分立元件式儀器。當(dāng) 20世紀(jì) 50 年代出現(xiàn)了電子管，隨后 60 年代出現(xiàn)了晶體管時(shí)，便產(chǎn)生了以電子管或晶體管電子電路為基礎(chǔ)的第二代儀器。 (3)第三代數(shù)字化儀器。 20世紀(jì) 70年代，隨著集成電路的出現(xiàn)，誕生了以集成電路芯片為基礎(chǔ)的第三代儀器。這類(lèi)儀器目前相當(dāng)普遍，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等。 (4)第四代智能儀器。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和微處理儀表的普及，以微處理器為核心的第四代儀器迅速普及。這類(lèi)儀器內(nèi)置微處理器，可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理功能，習(xí)慣上稱(chēng)其為智能儀器。其缺點(diǎn)是它的功能塊都以硬件 (或固化的軟件 )的形式存在，無(wú)論是針對(duì)開(kāi)發(fā)還是 針對(duì)應(yīng)用，都缺乏靈活性。 (5)虛擬儀器。由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域出現(xiàn)了一種全新的儀器 —— 虛擬儀器。虛擬儀器與智能儀器有點(diǎn)類(lèi)似，它是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的測(cè)試儀器，具有開(kāi)發(fā)效率高、可維護(hù)性強(qiáng)、測(cè)試精度高、穩(wěn)定性和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因此具有較高的性能價(jià)格比，便于節(jié)省投資、設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換與擴(kuò)充。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 虛擬儀器的組成 虛擬儀器一般由通用計(jì)算機(jī)（ PC 機(jī)）、數(shù)據(jù)采集卡及軟件 系統(tǒng)組成。一個(gè)由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，虛擬儀器的結(jié)構(gòu)如圖 所示。 虛 擬 儀 器 應(yīng) 用 程 序（ 軟 面 板 、 各 種 功 能 模 塊 ）虛 擬 儀 器 應(yīng) 用 程 序（ L a b V I E W , L a b W i n d o w s / C V I , V B , V C ）V I S A 庫(kù) D A Q I / O 庫(kù)操 作 系 統(tǒng)虛 擬 儀 器 驅(qū) 動(dòng) 程 序計(jì) 算 機(jī)V X I D A Q其 他P X I儀 器 接 口 儀 器 接 口儀 器 接 口 儀 器 接 口儀 器 驅(qū) 動(dòng) 接 口通 訊 接 口純軟件虛擬儀器虛擬軟結(jié)虛擬硬結(jié) 圖 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) 通用儀器硬件平臺(tái) 虛擬儀器的硬件平臺(tái)由通用計(jì)算機(jī)和 I/O 接口設(shè)備兩部分組成。 I/O 接口設(shè)備主要完成信號(hào)的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換等。根據(jù) I/O 接口設(shè)備總線類(lèi)型的不同，虛擬儀器可分為五類(lèi)： PCI 總線虛擬儀器、 GPIB 總線虛擬儀器、 VXI 總線虛擬儀器、 PXI 總線虛擬儀器 、 串口總線虛擬儀器。 (1) PCI 總線虛擬儀器：這種方式是借助于插入計(jì)算機(jī) 接口擴(kuò)展槽中的功能板卡與專(zhuān)用的軟件相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的具有特定功能的測(cè)試儀器。它充分利用了 PC 機(jī)總線、機(jī)箱和電源等硬件資源以及其豐富的軟件資源。 PCI 總線具有即插即用功能，能夠自動(dòng)配置參數(shù)并支持 PCI總線擴(kuò)展板，使用方便。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） (2) GPIB 總線虛擬儀器 ： GPIB 總線 (General Purpose Interface Bus)是 HP 公司在70年代推出的臺(tái)式儀器接口總線。它目前是儀器、儀表及測(cè)控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)互連的主流并行總線。 GPIB 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算 機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用 [9]。 (3)VXI 總線虛擬儀器 ： VXI(VME Bus Extensions for Instrumentation)總線支持即插即用，人機(jī)界面良好，資源利用率高，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，大大地縮短了研制周期，且便于升級(jí)和擴(kuò)展。不足的是 VXI 系統(tǒng)的成本相對(duì)較高。 VXI 總線虛擬儀器因其集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、快速的數(shù)據(jù)傳輸能力和良好的電磁兼容性而迅速發(fā)展， 將會(huì)成為未來(lái)計(jì)算機(jī)儀器發(fā)展的主流。 (4) PXI 總線虛擬儀器： PXI總線是 1997 年美國(guó) NI公司發(fā)布的一種高性能低價(jià)位的開(kāi)放性、模塊化儀器總線。 PXI 系統(tǒng)易于集成與使用，從而降低用戶的開(kāi)發(fā)費(fèi)用，所以在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和圖像處理等方面獲得了廣泛應(yīng)用。 PXI 體系結(jié)構(gòu)是以國(guó)內(nèi)最普及的 PCI 總線為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，其總線吞吐率高、硬件的價(jià)格較低，因此，比VXI總線方式更容易在近期內(nèi)搶占國(guó)內(nèi)的虛擬儀器市場(chǎng) [10]。 (5)串口總線虛擬儀器 :通用串行總線 (Universal Serial Bus， USB)具有傳輸速率高、支持異步和等時(shí)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。它可以通過(guò)與計(jì)算機(jī)的通信來(lái)獲得 USB設(shè)備的配置指令，從而靈活地改變自己的外部特性，實(shí)現(xiàn)了智能化的接口功能。另外 它可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的資源共享，減少了成本。 無(wú)論上述哪種 VI系統(tǒng)，都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合。其中，PCI總線虛擬儀器是構(gòu)成 VI的最基本的方式，也是最廉價(jià)的方式。 虛擬儀器的核心是軟件，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的水平在很大程度上代表了虛擬儀器的水平 [11]。虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成 :應(yīng)用程序和 1/0 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，各種專(zhuān)用儀器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的功能也越來(lái)越強(qiáng)大和完善。以美國(guó) NI 公司的軟件產(chǎn)品 LabVIEW內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 和 Lab Windows/CVI 為代表的虛擬儀器專(zhuān)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)是當(dāng)前流 行的集成開(kāi)發(fā)工具。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，最直觀的區(qū)別就是與用戶進(jìn)行交互的面板。傳統(tǒng)儀器面板只有一個(gè)，其上布置著種類(lèi)繁多的顯示與操作元件，容易導(dǎo)致許多識(shí)別與操作錯(cuò)誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡(jiǎn)潔化，從而提高操作的準(zhǔn)確性和便捷性。同時(shí)，虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類(lèi)與形式不受“標(biāo)準(zhǔn)件”和“加工工藝”的限制，他們是由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的認(rèn)知要求和操作要求，設(shè) 計(jì)儀器面板。 表 21虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低 開(kāi)發(fā)和維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)大 技術(shù)更新周期短（ 1~2 年） 技術(shù)更新周期長(zhǎng)（ 5~10） 軟件是關(guān)機(jī)，系統(tǒng)性能升級(jí)方便，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)即可 硬件是關(guān)鍵，升級(jí)成本高 價(jià)格低廉，儀器資源可重復(fù)利用率高 價(jià)格一般較昂貴， 儀器資源可重復(fù)利用率低 可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接其他儀器，實(shí)現(xiàn)資源共享或協(xié)同工作 功能一般比較單一，只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備 開(kāi)放性好，比較靈活， 可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展 開(kāi)放性差，利用新技術(shù)為自己服務(wù)速率低 用戶可自定義 功能，并且可以根據(jù)實(shí)際情況更改 只有廠商定義功能，并且一旦定義好了，就難以更改 從表 (21)可以看出與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。決定虛擬儀器具有內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 傳統(tǒng)儀器不可能具有的特點(diǎn)的根本原因在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件”。虛擬儀器在性價(jià)比、靈活性以及用戶使用方便方面，具有傳統(tǒng)儀器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。以一臺(tái)高性能儀器為例，用戶可以裝配一臺(tái)裝有基于硬件和軟件部分的個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)虛擬儀器 [12]。硬件部分可以是插入式主板、外圍儀器，或者兩者的結(jié)合。在任何一種情況下，軟件界面可按照用戶的需求進(jìn)行 設(shè)計(jì)，以使用戶操作方便和快捷。用戶可以通過(guò)虛擬儀器來(lái)簡(jiǎn)化一臺(tái)復(fù)雜的獨(dú)立儀器的操作，虛擬儀器也可以只作為集中控制儀器的一個(gè)部分，只實(shí)現(xiàn)其中的一部分功能，其使用是相當(dāng)靈活的。如今，許多插卡式的數(shù)據(jù)采集主板同時(shí)還設(shè)置了技術(shù)先進(jìn)的直接存儲(chǔ)器存取、定時(shí)以及兼容于多種主板的觸發(fā)功能，增強(qiáng)了主板之間的同步性和信號(hào)禍合性。這些技術(shù)上的進(jìn)步，再加上操作系統(tǒng)功能和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展，己經(jīng)使得個(gè)人電腦具有并行處理的能力，從而可以成為更加先進(jìn)的儀器和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的平臺(tái)。然而，技術(shù)的進(jìn)步是以復(fù)雜性的提高為代價(jià)的，比起使用具 有類(lèi)似功能的一臺(tái)獨(dú)立儀器 [13]，用戶必須具備更多有關(guān)硬件方面的知識(shí)。虛擬儀器軟件對(duì)于將這些技術(shù)尖端的硬件組成變成實(shí)際可用的儀器系統(tǒng)是必不可缺的。其技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶自己定義儀器系統(tǒng)功能，且定義的功能也比較靈活，也很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開(kāi)發(fā)、測(cè)量、檢測(cè)、計(jì)量、測(cè)控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱(chēng)作“軟件儀器”。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)校正器等多種普通儀器全部功能，配以專(zhuān)用探頭和軟件還可以 檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù) 。它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程 。它集成方便不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng) [14]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 虛擬儀器的廣泛應(yīng)用 虛擬儀器技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣泛。從總體上而言，虛擬儀器是測(cè)量測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新概念，改變了人們對(duì)儀器的傳統(tǒng)觀念，適應(yīng)了現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)。虛擬儀器技 術(shù)應(yīng)用方式多種多樣，下面主要針對(duì)虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化，儀器制造和實(shí)驗(yàn)室方面的應(yīng)用前景和效益進(jìn)行分析。 (1)工業(yè)自動(dòng)化 我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，工業(yè)自動(dòng)化程度遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的要求。制約工業(yè)自動(dòng)化水平提高的一個(gè)關(guān)鍵因素就是企業(yè)缺乏開(kāi)發(fā)自動(dòng)化控制和管理軟件的專(zhuān)業(yè)人才。許多生產(chǎn)第一線的工程師熟悉設(shè)備與工藝流程，但是不具備程序員的專(zhuān)門(mén)編程能力，往往控制系統(tǒng)軟件 是 交給研究人員或大學(xué)程序員編寫(xiě)的，軟件設(shè)計(jì)與使用脫節(jié)。傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法使得實(shí)際工程人員很難掌握和修改專(zhuān)業(yè)人員編寫(xiě)的軟件，工作積極性和創(chuàng)造力受到 影響，許多項(xiàng)目實(shí)際效果并不理想。虛擬儀器設(shè)計(jì)所采用的圖形化編程語(yǔ)言，十分適合工程師應(yīng)用，有利于提高企業(yè)自主開(kāi)發(fā)和管理項(xiàng)目的能力，降低工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)改造的成本。另一方面，采用虛擬儀器技術(shù)，根據(jù)實(shí)際工藝流程和控制要求，將分布在企業(yè)不同位置的各種測(cè)量?jī)x表和控制裝置連接成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)施集中控制和管理，可以改變采用傳統(tǒng)單元儀表分散時(shí)工作成本高，維護(hù)困難，資源配置重復(fù)等缺點(diǎn)，提高工業(yè)自動(dòng)化改造的經(jīng)濟(jì)效益，降低管理成本。 (2)儀器產(chǎn)業(yè)改造 儀器制造業(yè)是代表一個(gè)國(guó)家科技和工業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要領(lǐng)域。是否具 備各種先進(jìn)和高性能儀器，對(duì)整個(gè)國(guó)家的科技開(kāi)發(fā)能力，國(guó)防高科技技術(shù)水平和工業(yè)現(xiàn)代話水平都有直接或潛在的重要影響。由于工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，我國(guó)的儀器制造，尤其是高性能科學(xué)儀器的制造還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要。目前，像數(shù)字示波儀，頻內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 譜分析儀和邏輯分析儀等中高檔儀器還依賴于進(jìn)口。即使像數(shù)字萬(wàn)用表，發(fā)生器等基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，國(guó)產(chǎn)的與進(jìn)口的產(chǎn)品在功能上，易用性方面仍存在差距。傳統(tǒng)臺(tái)式儀器制造水平不僅取決于設(shè)計(jì)，還依賴于工藝和加工水平，因此短期內(nèi)提高是有一定困難的。采用虛擬儀器技術(shù)，將過(guò)去的儀器中許多靠硬件來(lái)完成實(shí) 現(xiàn)的功能用軟件來(lái)代替，利用商品化的數(shù)據(jù)采集和 PC技術(shù)，完全可以開(kāi)發(fā)出各行各業(yè)急需的各種測(cè)量?jī)x器，縮短我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)家在儀器領(lǐng)域的差距。這是采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)大有可為的領(lǐng)域 [15]。 (3)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用 電子儀器與測(cè)試實(shí)驗(yàn)室是高等工科院校必備的教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件。為了提供一定的實(shí)驗(yàn)規(guī)模，保證每個(gè)學(xué)生得到實(shí)際動(dòng)手能力的訓(xùn)練，傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般需要購(gòu)置大量的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，如示波器，萬(wàn)用表，信號(hào)源，投資大，技術(shù)更新快，維護(hù)困難。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以設(shè)計(jì)出與實(shí)際儀器在原理、功能和操作等方面完全一樣的全軟 件虛擬儀器。利用這些虛擬儀器，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上就可以學(xué)習(xí)和掌握儀器原理，功能與操作，并通過(guò)儀器與儀器，儀器與電路的相互配合，完成實(shí)際測(cè)試過(guò)程，達(dá)到與用實(shí)際儀器教學(xué)相同的目的。這種思想對(duì)從根本上改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理成本，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的參考價(jià)值 [16]。 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái) —— LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它是由美國(guó) NI 公司 (NATIONAL INSTRUMENT Company)推出的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 [17]。它把復(fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用圖形編程的方式，為編程的調(diào)試提供了簡(jiǎn)單方便的環(huán)境，同時(shí)集成了大量的生成圖形界面的模塊，豐富的數(shù)值分析與處理功能。 LabVIEW 是一個(gè)帶有擴(kuò)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 展功能庫(kù)和子程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其開(kāi)發(fā)環(huán)境下提供的應(yīng)用程序有 180 多種，除了具備其它語(yǔ)言所提供的常規(guī)函數(shù)功能和上述的生成圖形界面的大量模板外，內(nèi)部還包括許多特殊的功能庫(kù)函數(shù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)以及多種以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能。 LabVIEW 作為一種強(qiáng)大的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它集成了GPIB, VXI, PXI, RS232 和 RS485 協(xié)議以及數(shù)