虛擬儀器的現狀及發展前景

摘 要:虛擬儀器是未來儀表儀器發展的一個主要方向，有廣闊的發展空間。介紹了虛擬儀器的概念及與傳統儀器的區別，并對虛擬儀表的研究現狀和發展趨勢作了詳細的論述。

關鍵詞:虛擬儀器 儀表 總線

中圖分類號:TH7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)10(c)-0108-01

計算機技術的發展，尤其80年代初微機出現以來，以及近些年來的PC機和工作站的性能不斷提高，價格不斷降低，給各個行業帶來了新的機遇和活力。虛擬儀器就是一個典型的例子。隨著信息時代和網絡時代的來臨，傳統儀器已不能滿足科技以及社會生產的需要。儀器已不再是簡單的機械或電子設備，而是融合了機械、電子、光學、計算機、材料化學、物理學、化學、生物學、系統工程等學科和先進制造技術的一門綜合性技術。虛擬儀器技術是把計算機技術和儀表儀器技術完美地結合起來，利用現有計算機資源，配以獨特設計的軟硬件，實現普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無法實現的功能。

1 虛擬儀器的現狀

進入新世紀以來網絡化，智能化，虛擬化等高科技技術已成為現代儀器最主要的特征和發展趨勢。傳統儀器工作時，我們有時為了完成某項測試和維修任務，需要許多儀器。如:信號源，示波器，頻率計，電壓表，頻譜分析儀等許多儀器來測量。這么多的儀器不但價格昂貴、體積大、占用空間，而且各種儀器互聯性差，不能相互之間交換數據，分析數據。造成儀器的利用率低，協同效果不能很好的發揮出來。虛擬儀器的產生，徹底改變了這樣的狀況，只需要PC機或者工作站、儀器插件、計算機應用程序就可以完成上述的功能。虛擬儀器在某種程度上能夠替代現有的多數設備。虛擬儀器是以計算機為核心，充分利用計算機強大的顯示、處理、存儲能力來模擬物理儀器的處理過程。虛擬儀器的關鍵是軟件的開發，通過應用軟件，根據不同的需要，可以實現不同測量儀器的功能。目前，虛擬儀器軟件開發以美國國家儀器公司(NI)開發的軟件產品LabView圖形編程環境和Lavwindows/CVI面向儀器的交互式C語言最為著名。現在流行的虛擬儀器軟件的主要特點是:用戶自定義性能強、功能規范、用戶界面非常友好而實現的功能和實際的儀器不相上下，而且能夠增加傳統儀器無法實現的其他的功能。通過虛擬儀器，工業設備變得越來越簡單，但是功能越來越強，這個趨勢將在未來的工業發展中起到主導的作用。

2 虛擬儀器的發展趨勢

隨著計算機技術、儀器技術和網絡通信技術的不斷完善，虛擬儀器將向以下五個方向發展。

2.1 與計算機的結合更加緊密，集成化程度更高

儀器的發展經歷了由模擬儀器、數字化儀器、智能儀器到可編程的虛擬儀器的發展歷程。其中每一次飛躍無不以高性能計算機的發展為動力。近年來，計算機的處理能力一直按指數率提高，發展之快已把傳統儀器遠遠拋在了后面。計算機具有儀器所需要的、最先進及性能價格比最好的顯示與存儲能力，尤其是計算機總線技術的發展，在提高總線速度和推廣標準化等方面都取得了很大的成就，計算機生產廠商之間的激烈競爭保證了計算機在顯示、存儲能力與處理性能等方面仍將繼續高速發展。

2.2 儀器接口更加靈活，可組建不同接口總線的系統

虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規模的系統。如GPIB儀器通過GPIB接口卡與計算機組成GPIB系統，并行總線儀器組成并行總線系統等。一般來說GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測試系統;PC-DAQ、并行口式、串行口式系統適合普及型的廉價系統;現場總線系統主要用于大規模的網絡測試。有時，可以根據不同需要組建不同規模的自動測試系統，也可以將上述幾種方案結合起來組成混合測試系統。

2.3 網絡化將是虛擬儀器發展的趨勢

基于Internet的網絡儀器是計算機技術、虛擬技術、網絡技術的完美結合，代表了當前和今后儀器儀表領域的發展潮流，已在測量與測控領域內顯現。如網絡化流量計、網絡化分析儀、網絡化計量表等，都成為人們的新寵。網絡化儀器可實現任意時間、任何地點對系統的遠程訪問，實時獲得儀器的工作狀態;通過友好的用戶界面，不僅可對遠程儀器進行功能控制和狀態檢測，還能將遠程儀器測得的數據快速傳遞給本地計算機。與傳統的儀器相比，網絡儀器具有無可比擬的優勢，如功能分散、危險分散、地理分散、管理集中、通信功能強、網絡隔離度高、分布廣泛;系統操作簡單，人機界面友好，便于擴展和維護等。

2.4 組件化趨勢-硬件和軟件

“軟件就是儀器”，表明軟件是構成虛擬儀器的核心，是虛擬儀器的靈魂。隨著測量和控制應用領域對系統性能和靈活性要求的不斷提高，軟件的設計功能也逐漸重要。用靈活強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件，功能強大、現成即用的軟件使整個過程自動進行。為了便于用戶使用，儀器制造商同時對硬件和軟件標準化，將虛擬儀器、虛擬儀器測試系統細分為硬件模塊、驅動程序和軟件開發平臺等若干層，對各層與相鄰層之間的接口都加以規范;軟硬件廠商都按標準的規范開發各自的軟硬件產品，使其具有最佳的互換性能。

2.5 合成儀器將大量出現

虛擬儀器技術經過20多年的發展，而今正沿著總線與驅動程序標準化、硬/軟件模塊化、編程平臺的圖形化和硬件模塊的即插即用方向進步。以開放式模塊化儀器標準為基礎的虛擬儀器標準正日趨完善，建立在虛擬儀器技術上的各種先進儀器將會層出不窮。

3 小結

虛擬儀器技術在發達國家的應用已非常普及，而我國發展還比較緩慢。虛擬儀器作為一種以計算機軟件為核心的新型儀器系統，它具有功能強、測試精度高、測試速度快、自動化程度高、人機界面優異、靈活性強等優點。它作為一個全新的、有朝氣的領域，具有廣闊的發展空間。隨著計算機的軟硬件、通信技術和網絡技術等相關技術的發展，虛擬儀器最終將會取代大量的傳統儀器，成為測量、分析處理、控制等儀器的核心技術。

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①作者簡介:王新波(1986-)，男，(漢)，陜西榆林人，在讀碩士研究生，研究生管理大隊軍事通信專業。

朱維杰(1971-)，男(漢)，武警工程學院副教授，碩士研究生導師，博士，陜西西安人，通信工程系水聲工程。