浅谈虚拟仪器

浅谈虚拟仪器

摘要: 简要的介绍了测量仪器的发展历史及各个阶段仪器的特点；详细介绍了虚拟仪器的基本原理、结构和与传统仪器相比的性能优点。同时还介绍了虚拟仪器的应用状况及未来展望。

关键词: 仪器技术；虚拟仪器；标准化

Abstract: Briefly introduce the development history of measuring instrument, and the characteristic of the instrument in all stages. The basic principle, structure of the virtual instrument and the advantages of virtual instrument which are different from the traditional instrument are introduced in detail. At the same time, application and future expectations of the virtual instrument is introduced briefly.

Key words: Instrument technology; Virtual instrument; Standardization

0引言

随着中国经济技术的发展，中国制造取得了巨大的成就，到处可见“Made In China”的标签，已经被公认为“世界工厂”。然而这只是表明了我国现在是制造大国，而不是制造强国。21世纪是信息化的时代，处处充斥着“互联网+”，制造业也毫不例外的要跟互联网结合起来形成新的模式——“互联网+制造”，形成了新的制造理念——智能制造。智能制造的发展离不开测量仪器技术的发展，“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能进步”，可以这样说，人类制造技术的发展史书也可以看作是一部测量仪器的发展史书。现在仪器的发展可追溯到十九世纪二十年代，随着科学技术的发展，工业化程度的不断加深，测量仪器在各个行业中如雨后春笋般出现，并取得了巨大的发展，也使得智能制造成为了可能。

测量仪器的发展到今天，主要分为模拟仪器、数字化仪器、智能化仪器和虚拟化仪器这四个阶段：

第一阶段是模拟仪器，通常也被称为磁机械式仪器或者常规仪器，这类仪器我们在一些实验室和教学课堂上仍然可以看到，例如指针式万用表，晶体管电压表等等。基本结构都是电磁机械式的，并借助指针来显示测得的结果，是以电磁感应基本定理为基础的指针仪器仪表。

第二阶段是数字化仪器，它的核心部件是模拟信号和数字信号的转换器，这类仪器现在被广泛应用，例如数字电压表、数字频率等。这类仪器仪表主要是将模拟信号的测量转化为数字化新号测量，并最终以数字信号输出结果，特别适合用于快速相应和较高准确度的测量。

第三阶段是智能化仪器，它是以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术相结合组成的“智能化测量控制系统”。相对于传统的仪器仪表具有操作自动化、自测功能、数据处理功能、友好的人机对话能力、可编程操作能力等优点，然后它的这些功能块全部以硬件形式存在，无论是进行开发还是运用都缺乏灵活性，而且需要较大的投资。

第四阶段是虚拟化仪器，虚拟化仪器的出现具有划时代的非凡意义，是将来仪器发展的重要方向。它融合了现代计算机软、硬件技术、通信技术和测量技术，其核心部件是软件，利用软件来控制高性能的模块化硬件，完成各种测试、测量和自动化的应用。

1 虚拟仪器的产生及基本原理

虚拟仪器出现在上个世纪——计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与系统的结构不断推陈出新，电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化，功能与性能得到不断提高。计算机软件技术和仪器计算机（计算机 PC机处于核心地位）与测试系统更紧密结合成了一个有机整体成了一个有机整体。在上述的情况下提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。虚拟仪器技术最早是由美国国家仪器公司（简称NI）于1986年提出来的，这是对传统仪器概念上的重大突破。它的基本原理是以计算机为硬件平台，使原来需要硬件实现的各种仪器功能尽可能的软件化，利用高效灵活的软件控制高性能的硬件来完成各种测试、测量和自动化的应用，以便最大限度的降低系统成本，增强系统功能与灵活性。用形象语言来概括虚拟仪器的原理，即“软件就是仪器”。

所谓虚拟仪器，就是以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。它的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者利用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器和计算机的界限模糊了。

2 虚拟仪器的基本结构

虚拟仪器的基本结构包括计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件；是一中由计算机操纵的模块化仪器系统。它的结构如图中所示:

虚拟仪器硬件计算机标准总线I/O接口设备仪器面板控制软件软件信号分析处理软件硬件驱动软件通用I/O接口软件 其中硬件包括计算机或工作站、I/O 接口设备和用于连接计算机和接口设备的各种总线；软件包括用于操控接口设备进行数据采集与控制的驱动程序，数据采集后进行分析和运算的程序，以及用于以各种形式显示检测结果的虚拟面板程序。

3 虚拟仪器的特点

传统的测量仪器通常由三大功能模块组成，即信号采集与控制；信号分析与处理、测量结果的存储、显示与输出等。这些功能模块基本上是以硬件形式或固化的软件形式存在，测量仪器只能由制造商来定义和设计，因此其灵活性和适应性较差。

在实验室、生产车间和户外现场，为完成某项测试和维修任务，通常需要许多仪器，如信号源、示波器、磁带机、频谱分析仪等。由众多的仪器构成的测试系统，价格昂贵，体积庞大，连接和操作复杂，测试效率低。

虚拟测试仪器系统的概念是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的：采集数据，对采集来的数据进行分析处理，然后显示处理结果。它们之间的不同主要体现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义，这意味着用户可以自由组合计算机平台的硬件、软件以及各种完成应用系统所需要的附件，而这种灵活性是由供应商定义的，功能固定独立的传统仪器是不具备的。

与传统测量仪器相比，虚拟仪器的设计理念、系统结构和功能定位方面都发生了根本性的变化。概括地说，虚拟仪器主要有以下特点：

（1）软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软件来实现的，软件在虚拟仪器中具有重要的地位。美国国家仪器公司（NI）就曾提出一个著名的口号——“软件就是仪器”。

（2）虚拟仪器的性价比高。一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，同时，由于信号的传送和数据处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，所以还大大降低了环境干扰和系统误差的影响。另一方面，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，这缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期。此外，采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传统仪器更为经济。

（3）虚拟仪器的出现缩小了仪器厂商和用户之间的距离。虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样，受到仪器厂商的限制，出现厂商提供的仪器功能与用户要求不相符合的情况。利用虚拟仪器，用户可以组建更好的测试系统，并且更容易增强系统的功能。由于PC能提供远胜于仪器内部的处理能力，因此，借助于一台通用数据采集系统（或板卡），用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。

（4）扩展性强。NI的软、硬件工具使得工程师和科学家不再局限于当前的技术。由于NI软件的灵活性，只需更新用户的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无须软件上的升级即可改进用户的整个系统。在利用最新科技的时候，用户可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品的上市时间。

（5）虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果是通过软件在计算机显示器上生成的，与传统仪器面板相似的图形界面由软面板来实现。因此，用户可以根据自己的爱好，通过编制软件来定义所喜爱的面板形式。

（6）通过软、硬件的升级，可以方便地提升测试系统的能力和水平。更为可贵的是，用户可以运用通用的计算机语言和软件，诸如C++、Visual Basic、LabVIEW、LabWindows/CVI等，扩充、编写软件，从而使虚拟仪器技术更适应、更符合用户自己测试工作的特殊要求。

（7）虚拟仪器具有和其他设备互连的能力。如和VXI总线或现场总线等的接口能力。此外，还可以将虚拟仪器接入网络，如Internet等，以实现对现场生产的监控和管理。

（8）虚拟仪器的软、硬件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投资。

此外虚拟仪器还有很多传统仪器无法相比的优点，这也使得虚拟仪器的发展

了广阔的空间。

下表为传统仪器与虚拟仪器的主要区别。 传统仪器 虚拟仪器 硬件是关键，必须由专业厂家升软件是关键，升级方便，周期短 级 基于硬件体系，开发和维护费用基于软件体系，开发和维护费用低 高 数据无法编辑 数据可编辑、存储、打印 硬件技术更新周期长 软件技术更新周期短 通用性差，价格高 价格低，并且可重用性与可配置性强 厂商定义仪器功能 用户定义仪器功能 系统封闭、功能固定不可更改 系统开放、灵活，功能可更改，构成多种仪器 不易与其他设备连接 容易与网络、外设及其他设备连接 自己编程硬件，二次开发强 无法自己编程硬件，二次开发差 图形界面小，信息量小 图形界面大，信息量大 部分具有时间记录和测试说明 完整的时间记录和测试说明 信号电缆和开关多，操作复杂 信号电缆少，采用虚拟旋钮，故障率低，有操作保护 测试部分自动化 测试过程完全自动化 4 虚拟仪器的应用

虚拟仪器的功能和性能正在被不断地提高，而且在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大功能和灵活性。可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。现在国内应用主要集中在以下几个方面：

1) 对于传统仪器也能发挥作用的测量环境，虚拟仪器以其高效、自动化测量、成本低廉等优势正在逐步取代。如张玉存、李群基于虚拟仪器技术，设计了新型扭矩传感器，使仪器具有灵活、可自定义、具有强大数据处理和分析功能、易于嵌入数字补偿等优点；还有刘金清介绍了微机技术和虚拟仪器技术在谐波自动测量中的应用，介绍了系统的组成、测量原理和测量方法，该系统能实时动态测量电信号的各谐波含量并能实时显示分析的数据和波形等等。

2) 利用虚拟仪器的自动化检测和远程实时在线检测功能，将虚拟仪器应用于传统仪器难以胜任的测量环境，如有毒、危险、远程多参数测量环境下的实时

参数检测。如任稳柱等介绍了国内外虚拟仪器技术在高电压测量和和电力设备监测系统中的应用，并对基于虚拟仪器的检测技术在高电压测量领域中的发展方向进行了展望；还有岳文辉等介绍了虚拟仪器系统的软硬件组成，结合切削力测量在切削数据采集和分析以及切削机理研究和切削过程检测中的重要性，论述了虚拟仪器在切削力测量应用中的优越性，归纳了虚拟仪器在切削力测量中的研究现状等等。

3) 利用虚拟仪器的实时在线检测和网络化远程测控等功能，对设备运行故障进行诊断。如刘瑾等针对传统故障诊断方法存在知识获取困难、推理效率低下和自适应能力差等缺点，通过在 LabVIEW 平台上编制诊断程序，设计了一种采用 IEC 三比值法和 RBF 神经网络法进行变压器故障诊断的系统；以及杜鹏飞等结合电子装备维修保障的现实需求，以无线网络作为依托，采用虚拟仪器技术组建分布式远程测试诊断系统，对电子装备运行状态进行远程实时监控，实现装备维修资源的互联共享；此外还有杨斌 , 刘克诚以数控机床为对象，设计了一个基于网络技术和虚拟仪器技术的数控机床加工系统远程检测系统，重点研究了刀具状态的检测方法。

4) 利用虚拟仪器的仿真、通讯和信号网络化传输的优点，将虚拟仪器技术运用到实验室教学、远程教学中去。如魏宏波、刘笃喜将虚拟仪器技术应用与测控教学实验中，构建了基于虚拟仪器技术的测控教学实验系统，为测控实验教学改革提供了一种新思路；此外荣雅军等提出将虚拟仪器技术应用于电力系统继电保护实验教学中，设计了一套继电保护虚拟仪器系统，对零序保护和距离保护进行了仿真实验，结果表明，将虚拟仪器技术应用于电力系统实验教学中具有广泛的前景。

5 虚拟仪器的发展趋势

随着计算机技术和半导体技术的发展，虚拟仪器的性能和功能将得到进一步的提升，并将逐步替代各类传统仪器。而且虚拟仪器在组成功能和技术性能的灵活性与经济性，特别适合当今快速发展的科学技术对测量技术的要求。展望未来，虚拟仪器将会出现以下发展趋势：

1）将更加模块化、标准化，使得不同的虚拟仪器能够实现在不同平台上的互换性和移植性；2）更加网络化，将虚拟仪器与网络结合，实现远程测量监控，并实现资源的共享，共同完成测量任务；3）软件开发平台智能化，降低软件开发难度，能够使普通用户在现场对仪器随意拼搭出自己需要的虚拟仪器。

6 结束语

通过对虚拟仪器的原理、结构、应用及未来发展趋势的论述，使得我们对虚拟仪器有了更深的了解和认识。虚拟仪器是未来智能仪器发展的方向，智能检测和控制离不开虚拟仪器的发展，中国的智能制造，制造强国之梦也离不开虚拟仪器的发展。虚拟仪器是未来测量仪器的主流，将会在更多领域得到推广和应用。

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