虚拟仪器技术及其应用

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1、虚拟仪器技术及其应用1.虚拟仪器的概念虚拟仪器(VirtualInstruments，简称VI)的概念，最早是由美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCorp.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。其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地软件化，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，以便最大限度地降低系统成本，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”。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操

2、作性等方面都与有明显的技术优势，具体表现为：智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将现金的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。可操作性强

3、。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可以打印，显示所需的报表或区县，这些都使得仪器的可操作性大大提高。2.虚拟仪器的历史、现状、发展2.1历史测量仪器是科学技术发展的基础，而科学技术的发展又推动着测量仪器的发展进程。测量仪器仪表技术发展至今，主要经历了以下几个阶段：1)以电磁技术为基础的指针式仪表阶段2)以模拟电子技术为基础的模拟式仪表阶段3)以数字电子技术为基础，引入了锁相技术、频率合成技术、数

4、字取样技术等的数字化仪表阶段4)以大规模、超大规模集成电路为基础的智能化仪器仪表阶段。这一阶段是电子仪器领域取得重大发展的标志性联阶段，在一定时期内曾开创了现代电子测量、测试技术的先河1)以电子测量技术、自动控制技术和计算机技术的发展相融合为基础的自动测试系统阶段。这是电子测量技术的又一次飞跃，它真正实现了高速度、高准确度、多参数和多功能的测试，甚至在一定程度上实现了不同地域上的网络化测试功能。自动测试系统阶段是基于传统仪器仪表技术的测量测试技术发展的高级阶段，它是当今科学技术高度发展的必然结果，同时也为科学技术的进一步发展提供了基础性的保障。上述不同

5、阶段的仪器仪表技术，还同属于具有一定的物理形态、主要靠自身硬件来实现其功能的仪器仪表，即传统观念上的具有物理实体的仪器仪表，其共同特征都是不脱离物质基础的实体仪器，也具有形状规格、功能特性不易更改和消耗物质资源等共同的物质特征。2.2现状国外虚拟仪器技术自上世纪80年代由美国NI公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发平台，但最早和最具影响力的还是NI公司的图形化开发平台LabVIEW（NI也推出了基于C语言模式的了Labwindows/CVI等交互式

6、开发平台）。虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。美国是虚拟仪器的诞生地，目前也是全球最大的虚拟仪器制造国。国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化NI的产品开始。国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，列入过为“十五”期间优先资助领域。目前有些研究已取得可喜成绩，如由重庆大学测试中心秦树人教授承担的国家863项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”，所研发的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的新技术。这项成果表明我国在虚拟式仪器方面走出一条与欧美技术线路完全不同的自主创新路子，并成为国际上嵌入式一体化虚拟仪器研

7、发的先行者。2.3发展趋势随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下五个方向发展。与计算机的结合更加紧密，集成化程度更高仪器的发展经历了由模拟仪器、数字化仪器、智能仪器到可编程的虚拟仪器的发展历程。其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动力。近年来，计算机的处理能力一直按指数率提高，发展之快已把传统仪器远远抛在了后面。计算机具有仪器所需要的、最先进及性能价格比最好的显示与存储能力，尤其是计算机总线技术的发展，在提高总线速度和推广标准化等方面都取得了很大的成就，计算机生产厂商之间的激烈竞争保证了计算机在显示、存储能力与处理性能等

8、方面仍将继续高速发展。仪器接口更加灵活，可组建不同接口总线的系统虚拟仪器的突出成就是不仅可以利