Harbin Institute of Technology虛擬儀器技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析課程名稱： 電子測(cè)量原理 院 系： 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 班 級(jí)： 1101102班 姓 名： 李家誠(chéng) 學(xué) 號(hào)： 1110100418 完成時(shí)間： 2014.5.3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘 要全面介紹了虛擬儀器概念的提出,它的基本原理、主要結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)；回顧了虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展歷史,簡(jiǎn)要介紹了各階段虛擬儀器的基本特點(diǎn)；對(duì)國(guó)內(nèi)外虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀作了詳細(xì)闡述；最后,展望了未來(lái)虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用研究。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；測(cè)試。1、 虛擬儀器技術(shù)綜述1.1 虛擬儀器的概念 虛擬儀器 (Virtual Instrument,VI) 是20世紀(jì)80年代末由美國(guó)國(guó)家儀器公司 (National Instru-ments Corporation,NI)提出的新概念 , 是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念上的重大突破 。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。一個(gè)典型的倒子是在計(jì)算機(jī)上插數(shù)據(jù)采集卡，然后用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來(lái)進(jìn)行信號(hào)分析的處理，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能。靈活高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。這也正是NI近30年來(lái)始終引領(lǐng)測(cè)試測(cè)量行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的原因所在。只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)1。1.2 虛擬儀器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器相比，虛擬儀器技術(shù)有著許多自己獨(dú)特的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，以下列出其一部分特點(diǎn)：虛擬儀器具有開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn)。虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器所無(wú)法比擬的強(qiáng)大信號(hào)處理能力。因?yàn)樘摂M儀器可以充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件資源，對(duì)信號(hào)靈活地進(jìn)行計(jì)算、分析、判斷、處理、顯示或輸出等。虛擬儀器由用戶自定義儀器功能, 而傳統(tǒng)儀器一經(jīng)設(shè)計(jì)、制造完成后, 就很難改變。虛擬儀器具有技術(shù)更新周期短的特點(diǎn)，大約為1-2年。虛擬儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，可靈活地與網(wǎng)絡(luò)及其周邊設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)2。1.3 虛擬儀器的應(yīng)用目前虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)普遍被應(yīng)用于測(cè)試測(cè)量與工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，包括電子測(cè)控、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、震動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多方面3。二、虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展歷史虛擬儀器的起源可以追朔到20世紀(jì)70年代，PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)的計(jì)算機(jī)化成為可能，NI公司已經(jīng)在Macintosh計(jì)算機(jī)上推出了LabVIEW2.0以前的版本。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問(wèn)世以來(lái)，世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。根據(jù)虛擬儀器的發(fā)展過(guò)程，截至目前，大致可以分成三個(gè)發(fā)展階段：第一階段，利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能。由于GPIB總線標(biāo)準(zhǔn)的確立，計(jì)算機(jī)和外界通信成為可能，只需要把傳統(tǒng)儀器通過(guò)GPIB和RS-232同計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，用戶就可以從測(cè)量?jī)x器獲得數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)上通過(guò)各種軟件工具來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理與顯示。 第二階段，開放式儀器。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術(shù)進(jìn)步：一是插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡 ( plug-in PC-DAQ )；二是VXI儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立。第三階段，虛擬儀器框架得到了廣泛認(rèn)同和采用。軟件領(lǐng)域面向?qū)ο蠹夹g(shù)把任何用戶構(gòu)建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來(lái)。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件領(lǐng)域以產(chǎn)生，幾個(gè)虛擬儀器平臺(tái)已經(jīng)得到認(rèn)可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工具。三、虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀3.1 國(guó)外發(fā)展情況國(guó)外虛擬儀器技術(shù)自上世紀(jì)80年代由美國(guó)NI 公司提出以來(lái)，一直成為發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)測(cè)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用前沿。近年來(lái)，世界各國(guó)的許多大型自動(dòng)測(cè)控和儀器公司均相繼研制了為數(shù)不少的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，但最早和最具影響力的還是NI 公司的圖形化開發(fā)平臺(tái)LabVIEW。虛擬儀器在國(guó)外已發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。美國(guó)是虛擬儀器的誕生地，目前也是全球最大的虛擬儀器制造國(guó)。3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況 國(guó)內(nèi)虛擬儀器最早的研究也是從引進(jìn)消化NI 的產(chǎn)品開始。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)也曾將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機(jī)械工程科學(xué)前沿學(xué)科之一，列入為 “十五”期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。目前有些研究已取得可喜成績(jī)，如863項(xiàng)目“虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)的研究及其產(chǎn)業(yè)化”，所研制的“一體化虛擬儀器”就是一種不同于歐美虛擬儀器的技術(shù)。這項(xiàng)成果表明我國(guó)在虛擬儀器方面走出一條自主創(chuàng)新的路子，并成為國(guó)際上嵌入式一體化虛擬儀器研發(fā)的先行者4。我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，加快了企業(yè)的技術(shù)升級(jí)步伐，先進(jìn)儀器設(shè)備的需求更加強(qiáng)勁；虛擬儀器賴以生存的個(gè)人計(jì)算機(jī)最近幾年以極高的速度在中國(guó)發(fā)展，這些都為虛擬儀器在我國(guó)的普及奠定了良好的基礎(chǔ)。據(jù)專家預(yù)測(cè)，我國(guó)虛擬儀器行業(yè)的產(chǎn)值在未來(lái)若干年內(nèi)將超過(guò)儀器儀表行業(yè)總產(chǎn)值的 50，虛擬儀器技術(shù)代表了今后儀器儀表技術(shù)發(fā)展的先進(jìn)方向，我國(guó)的虛擬儀器技術(shù)存在巨大的發(fā)展?jié)摿Α?guó)內(nèi)許多高校，如清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、華中科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、暨南大學(xué)、四川大學(xué)等數(shù)十所高校已展開了虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域的研究、開發(fā)和教學(xué)，NI 公司也已 2006 年在中國(guó)高校廣泛推廣虛擬儀器技術(shù)列入了戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃（NI 中國(guó)高校推廣計(jì)劃），這標(biāo)志著自提出虛擬儀器的概念之后，虛擬儀器技術(shù)在我國(guó)也進(jìn)入了一個(gè)全新的快速發(fā)展時(shí)期5。以下將列舉一些中國(guó)當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)研究現(xiàn)狀的成果：唐山大學(xué)基于ComXactPCIV PYI研制的鍋爐供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)成功地應(yīng)用在唐山市熱力總公司項(xiàng)目上；清華大學(xué)基于ComXactPCIV PYI技術(shù)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)熱工水利學(xué)測(cè)控平臺(tái)研制成功了先進(jìn)的熱工測(cè)量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)成功地完成了海水淡化等重要課題研究；天津大學(xué)研制的原油管道泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在勝利油田和華東石油管理局集輸管線和長(zhǎng)輸管線得到應(yīng)用；北京航空航天大學(xué)完成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)管道聲模態(tài)及非定長(zhǎng)特性測(cè)量的數(shù)據(jù)采集和分析課題；國(guó)防科技大學(xué)基于NaOVIEP的分布式VYI儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制為VYI儀器廣泛進(jìn)入大學(xué)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了條件；重慶大學(xué)開發(fā)了虛擬實(shí)時(shí)噪聲倍頻程分析儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲總聲壓級(jí)各種計(jì)權(quán)聲壓級(jí)及相應(yīng)倍頻程的實(shí)時(shí)測(cè)量和分析；清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出廠前的自動(dòng)檢測(cè)6。四、虛擬儀器技術(shù)的展望 虛擬儀器技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器，有很大優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)換靈活。目前虛擬儀器已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用7，它已廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、機(jī)械建筑工程、鐵路交通、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等方面。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，給虛擬儀器的發(fā)展提供了廣闊的天地，國(guó)內(nèi)外儀器界正看中這塊大市場(chǎng)。測(cè)控儀器將會(huì)向高效、高速、高精度和高可靠性以及自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。開放式數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)將使虛擬儀器走上標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化和模塊化的道路。虛擬儀器作為教學(xué)的新手段，已慢慢地走進(jìn)了電子技術(shù)的課堂和實(shí)驗(yàn)室，改變著電子技術(shù)教學(xué)的傳統(tǒng)模式。在電工電子實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中，如果配置常規(guī)儀器、儀表，學(xué)校財(cái)力難以支付，也不符合目前學(xué)校的實(shí)際。而且，隨著發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)測(cè)試儀器漸漸有被取代的趨勢(shì)。如果運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，不但滿足電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，而且將這批微機(jī)可作為其他有關(guān)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)用機(jī)，提高設(shè)備利用率，降低實(shí)驗(yàn)室建沒(méi)的成本。當(dāng)前應(yīng)該解決的是如何使虛擬儀器和現(xiàn)有儀器配合，達(dá)到逐步淘汰和取代傳統(tǒng)儀器的目的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向以下五個(gè)方向發(fā)展： (1) 外掛式虛擬儀器 PC-DAQ式虛擬儀器是現(xiàn)在比較流行的虛擬儀器系統(tǒng)，但是，由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入DAQ時(shí)都需要打開機(jī)箱等，比較麻煩，而且，主機(jī)上的PCI插槽有限，再加上測(cè)試信號(hào)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，各種現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)的安全造成很大的威脅，同時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影響，故以USB接口方式的外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今后廉價(jià)型虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的主流。 (2) PXI型高精度集成虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng) PXI系統(tǒng)高度的可擴(kuò)展性和良好的兼容性，以及比VXI系統(tǒng)更高的性價(jià)比，將使它成為未來(lái)大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng)的主流虛擬儀器平臺(tái)。 (3) 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器 計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，可將分散在不同地理位置不同功能的測(cè)試設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資。 人們可從任何地點(diǎn)、在任意時(shí)間獲取到測(cè)量信息(或數(shù)據(jù))，并控制儀器進(jìn)行測(cè)量操作 。因此，它與傳統(tǒng)的儀器相比是一個(gè)質(zhì)的飛躍。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化儀器的研究正處于起步階段。“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的提法也已出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)化儀器在測(cè)控領(lǐng)域已有實(shí)際應(yīng)用。如網(wǎng)絡(luò)流量計(jì)已應(yīng)用于檢測(cè)流動(dòng)物體的流量。這種儀器不僅能記錄各個(gè)時(shí)段的流量，還能在流量過(guò)大或過(guò)小時(shí)報(bào)警；應(yīng)用于水文監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)傳感器，能對(duì)江河到入海口的各個(gè)關(guān)鍵測(cè)控點(diǎn)的水位、流量及雨水量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)電能表，已應(yīng)用于對(duì)異地用電信息的獲取和檢測(cè)。現(xiàn)在，有關(guān)MCN (測(cè)量與控制網(wǎng)絡(luò) - Measure-ment and Control Networks)方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得了一定進(jìn)展。由上所述，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景，將成為虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向8。(4) 虛擬儀器技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化V I 的標(biāo)準(zhǔn)化研究主要是在硬件平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化和軟件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化。目前，PCI、VX I、 PX I等規(guī)范已基本實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，但在觸發(fā)方式、同步、延時(shí)、不同通道的共用時(shí)基等方面還未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這將影響其在不同平臺(tái)上的互換性和移植性，也將影響虛擬儀器軟件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化9。將在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺(tái)上運(yùn)行的軟件按功能特點(diǎn)分成一系列的軟件模塊，這些軟件模塊也需要像硬件模塊那樣 , 由專門的 V I 開發(fā)人員設(shè)計(jì)，并形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(如電壓表模塊、函數(shù)發(fā)生器模塊、示波器模塊等)。使用戶可以像購(gòu)買硬件模塊那樣購(gòu)買軟件模塊。1998年成立的IVI (Inter changeable Virtual Instrument) 基金會(huì)是最終用戶、 系統(tǒng)集成商和儀器制造商的一個(gè)開放的聯(lián)盟。IVI組織把儀器分成一系列的子類(如示波器、 數(shù)字萬(wàn)用表、任意波形發(fā)生器、開關(guān)及電源等)，并按照某一子類儀器最通用的特征和功能來(lái)為該子類儀器制定規(guī)范。IVI制定的VI統(tǒng)一規(guī)范提升了VI驅(qū)動(dòng)軟件標(biāo)準(zhǔn)化的水平。(5) 虛擬儀器技術(shù)硬件的軟件化硬件軟件化是通過(guò)軟件編程的方法改變硬件模塊的結(jié)構(gòu)，以完成不同功能及性能指標(biāo)，依靠硬件的柔性來(lái)增強(qiáng)其適應(yīng)性和靈活性。FPGA(Field Programmable Gate Array)和 CPLD(Complex Programmable Logic Device)等器件在VI系統(tǒng)中的應(yīng)用10，使系統(tǒng)開發(fā)人員可在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直接根據(jù)系統(tǒng)的要求定義和修改邏輯功能，具有設(shè)計(jì)靈活、制作及上市快速的特點(diǎn)。如 N I 公司生產(chǎn)的NI 5911/5912就是一種采用柔性精度技術(shù)的產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)1 百度百科-詞條：虛擬儀器/link?url=mYEWHBKCDBFYgsWb9S6dhfZX1rztxXhtISR1xNgV81J81SyOQNlsXm5YKfTZ4g-k2 美國(guó)國(guó)家儀器（ NI）有限）公司:虛擬儀器（白皮書）3 韓潔，吳文海，王元?dú)J：虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展、原理與展望，第五屆全國(guó)計(jì)算機(jī)應(yīng)用聯(lián)合學(xué)術(shù)會(huì)議 ，1999年12月1日4 李震,柯旭貴,汪云祥：虛擬儀器的發(fā)展歷史、 研究現(xiàn)狀與展望J.安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,18,(4):1-4.5 黃進(jìn)文.虛擬儀器新技術(shù)及其在我國(guó)發(fā)發(fā)展現(xiàn)狀與展望，科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008，(31):9.6 黃學(xué)文，周