虚拟仪器的应用及发展前景

【摘要】虚拟仪器技术是电子测量技术和计算机技术集成发展的结晶，虚拟仪器代表了现代仪器和测试技术发展的最新方向。本文着重介绍虚拟仪器的发展和应用，并对虚拟仪器的未来做出理性的分析。

【关键词】虚拟仪器；发展；应用

1.引言

随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，电子测量技术领域发生了巨大的变化；仪器结构的日趋复杂，仪器性能的不断提高，仪器的测试技术已成为测量领域的研究重点。美国国家仪器公司于20世纪80年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入了新的发展时期，随后研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向。虚拟仪器代表着从传统的以硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性改变。

2.仪器发展过程

到目前为止，电子测量仪器的发展大致分为4代，第1代为模拟仪器，如指针式万用表；第2代为数字化仪器，如数字频率计，此类仪器目前应用甚为广泛；第3代是智能仪器，不但可以自动检测，还能处理数据；第4代就是虚拟仪器，完全由计算机控制。

一台独立的装置是传统仪器的特征，传统仪器由操作面板、信号输入端口、检测结果输出等几部分组成。传统仪器用硬件电路或固化软件实现其功能。这种只能由仪器厂家来定义、制造的框架式结构决定了传统仪器的用户无法随意更改其结构和功能。从而也推动了虚拟仪器的面世。

所谓虚拟仪器，就是用户在通用计算机上加上软件和硬件，根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台他本人设计的专用传统仪器一样。

虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件组成。其核心思想就是利用计算机的软、硬件资源，将原本需要硬件完成的任务软件化，所以应用软件是虚拟仪器的核心。其硬件系统又分为仪器硬件和计算机硬件。

3.虚拟仪器的应用

随着虚拟仪器的发展，现在根据采用总线方式的不同可以将其分为5类：PC总线-插卡式虚拟仪器、并行口式虚拟仪器、GPIB总线式虚拟仪器、VXI总线式虚拟仪器、PXI总线式虚拟仪器。其功能和性能不断地提高，虚拟仪器不仅有着比传统仪器更为先进的功能。虚拟仪器的已经在各个领域得到广泛的应用，例如基于VXI总线的军工虚拟仪器和基于虚拟仪器的边界扫描测试系统等。

（1）虚拟仪器在测量方面的应用。虚拟仪器系统的开放性和灵活性以及可以与计算机技术发展保持同步，使得它在测量方面不仅能提高精确度，降低成本，还能节省用户的开发时间。

（2）虚拟仪器在监控方面的应用。用虚拟仪器可以随时采集和记录从传感器传来的数据，并进行统计、数字滤波、频域分析等处理，从而实现监控功能。这一应用已经在氡室温度监测和水质监测以及锅炉监控等系统中得到充分体现。

（3）虚拟仪器在工程处理中的应用。在工程处理的每一个阶段，虚拟仪器均能提供出色的服务：从研发、设计到生产测试。比较典型的是基于LabVIEW的虚拟仪器，它集报警管理、历史数据追踪、安全、网络、工业I/O、企业内部连网等功能于一身。在生产过程中，这些功能可以轻松地将多种工业设备集成在一起使用，减少传统仪器设备的数目。

（4）虚拟仪器在远程教育方面的应用。越来越多的教学部门开始用虚拟仪器建立教学系统，不仅节省开支，而且由于虚拟仪器系统具有灵活、可重复利用性强等优点，使得教学方法也更加灵活了。

（5）虚拟仪器报表生成技术的应用。LabVIEW生成的计量检定报表及访问Access测试信息数据库可以方便快捷的完成出具记录、鉴定报告这一任务。使得工程技术人员以一定格式的报表形式输出测试结果和测试信息更为方便。

4、虚拟仪器的发展展望

虚拟仪器是与计算机软硬件技术、通信技术及网络技术同步发展的，后者的高速发展给前者提供了广阔的天地。高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的测控仪器即将面世。虚拟仪器将因为开放式数据采集走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。

4.1虚拟仪器对军事领域的影响

我国虚拟仪器的构想是在我国国防工程核试验中萌发和实现的，由此可见虚拟仪器和军事领域的密切关系。在虚拟仪器系统中仿真无人飞机、导航和控制。

现代军事野战中，军用电站是强有力的后备军，但是传统仪器不能灵活地对军用电站进行谐波分析。为了取代EMC系统和谐波分析仪昂贵且功能固化且不能满足不同场合对军用电站的谐波分析这个问题，我们利用虚拟仪器研发了基于LabWindows/CVI的军用电站谐波分析系统。这个系统功能可以根据需要扩展，为未来自动化测试奠定了基础。

4.2虚拟仪器在现代农业中的应用前景

虚拟仪器系统可用于农产品的自动检测，农产品自动划分等级，农田的自动化监测以及种子和细胞生物特性的研究。根据我们在计算机中模拟植物在现实中的生长状况得到的植物形态结构和生长规律，从而更好地提高农产品的质量。

提高农作物产量是农业发展的根本目的。众所周知，袁隆平院士被称为“杂交水稻之父”，依据他的理论，我们可以通过计算机设计不同的植株并模拟其生长，从而选出理想的植株作为母本造福人类。现代农业中，已经有中国农业大学研发的精播机虚拟系统和美国基于LabVIEW的自动化灌溉系统这样得到广泛应用的虚拟仪器。相信虚拟仪器的设计和研发在现代农业中将有着不可估量的作用。

此外，虚拟仪器在汽车、导弹方面也有深远影响。如汽车的防抱制动系统。我国自主研发的DASP虚拟仪器产品在1988年用于钱塘江大桥模态试验、1995年用于长三捆运载火箭全箭模态试验、1996年用于“神舟”号载人飞船移动发射平台模态试验、2004年用于航天员超重训练设备臂架系统和2008年用于北京奥运会场馆鸟巢的动态测试都获得了成功。

这些都充分证实了虚拟仪器不可限量的发展前景。相信在创新的基础上，虚拟仪器将会与物联网和云计算等高端科技集成更高级的仪器并成为未来测量机器的核心。

5.结语

功能和规模固定，只可以连接有限的设备并且技术更新慢，由仪器厂商定义的传统仪器。由于它复杂的工艺，至今在我国还没有形成一定的规模，大部分依赖进口，这使我国在世界测量仪器市场很被动。虚拟仪器取代传统仪器已经成为必然。作为新兴的虚拟仪器，各国都处于研究初期阶段，这给我国提供了一个大好机会，我们应着眼未来，使虚拟仪器在我国有突飞猛进的发展。

参考文献

[1]郭恩全，赵兴奋.虚拟仪器发展趋势及其对军用测试技术的影响[J].计算机自动测量与控制，1997，7（3）：44-47.

[2]陈尚松，李智，雷加，郭庆.虚拟仪器回顾与展望[J].理论与方法，2009，28（12）：17-21.

[3]林占江.电子测量技术[M].（第二版）.北京：电子工业出版社，2007：319-338.

[4]徐科军，马修水，李晓林等.传感器与检测技术[M]（第三版）.北京：电子工业出版社，2011：266-271.

推荐访问:发展前景 虚拟仪器