虛擬儀器技術(shù)的新進(jìn)展

韓春曉

（長(zhǎng)春理工大學(xué),吉林 長(zhǎng)春 130022）

1 虛擬儀器的組成和分類

（1）虛擬儀器的組成。所謂虛擬儀器，就是通過(guò)軟件使計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)的儀器硬件設(shè)施結(jié)合起來(lái)，用戶可以根據(jù)自己的需求，通過(guò)虛擬界面來(lái)操控的儀器。虛擬儀器主要由三個(gè)部分組成，即高效的軟件，模塊化的I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)。其中，軟件是整個(gè)虛擬儀器的核心部分，要想實(shí)現(xiàn)虛擬儀器運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)化，必須要有高效的軟件作為支撐，使用高效的軟件，能在很大程度上提高虛擬儀器的性能。模塊化的I/O硬件，使各種硬件設(shè)施能夠靈活地進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的自定義，從而滿足不同用戶的需求。用于集成的軟硬件平臺(tái)是目前虛擬儀器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的測(cè)量、測(cè)試等應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，其構(gòu)架具有開(kāi)放性、靈活性的特點(diǎn)，且該平臺(tái)在成本上具有很大的優(yōu)勢(shì)。

（2）虛擬儀器的分類。根據(jù)微機(jī)的發(fā)展以及總線方式的不同，我們可以將虛擬儀器分為五種類型，即PC總線-插卡型虛擬儀器、并行口式虛擬儀器、GPIB總線式虛擬儀器、VXI總線式虛擬儀器和PXI總線式虛擬儀器。PC總線-插卡型虛擬儀器是將數(shù)據(jù)卡和一些專用的軟件插入計(jì)算機(jī)，通過(guò)插入的數(shù)據(jù)卡和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種儀器的組建；并行口式虛擬儀器是通過(guò)將所有的儀器硬件集成到一個(gè)采集盒內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的各種功能；GPIB總線式虛擬儀器目前已經(jīng)發(fā)展為大規(guī)模的自動(dòng)化測(cè)試，主要用于高精度、低速度的測(cè)量；VXI總線式虛擬儀器是高速計(jì)算機(jī)總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，主要用于高精度、高速度的測(cè)量，但是該類儀器成本過(guò)高限制了其發(fā)展；PXI總線式虛擬儀器是將PIC總線內(nèi)核技術(shù)與多板同步觸發(fā)總線技術(shù)的規(guī)范和要求結(jié)合發(fā)展而來(lái)，也是未來(lái)VI平臺(tái)發(fā)展的方向。

2 虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用

（1）虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器進(jìn)行比較，具有很多方面的優(yōu)點(diǎn)。首先，虛擬儀器的性能比傳統(tǒng)儀器的性能高，用戶可以根據(jù)自己的需求對(duì)虛擬儀器進(jìn)行定義來(lái)滿足特定的要求。其次，虛擬儀器具有很強(qiáng)的擴(kuò)展空間，因?yàn)榻M成虛擬儀器的硬件和軟件都具有一定的靈活性，且組成結(jié)構(gòu)具有開(kāi)放式的特點(diǎn)，因此虛擬儀器可以進(jìn)行靈活的組裝，實(shí)現(xiàn)功能或其他方面的擴(kuò)展。再次，傳統(tǒng)的儀器技術(shù)更新周期很短，所以對(duì)傳統(tǒng)儀器進(jìn)行維修和開(kāi)發(fā)的費(fèi)用很高，而虛擬儀器由于其靈活性，更新周期較長(zhǎng)，一般為一到兩年，從而降低了軟硬件開(kāi)發(fā)和維修的費(fèi)用，同時(shí)，虛擬儀器可以進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，通過(guò)系統(tǒng)升級(jí)即可以實(shí)現(xiàn)軟件的更新。除了以上優(yōu)點(diǎn)以外，虛擬儀器的操作界面比傳統(tǒng)儀器的更為簡(jiǎn)潔明了，有利于用戶的操作，虛擬儀器的通用性以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等特點(diǎn)，也使虛擬儀器受到很多用戶的歡迎。綜上所述，虛擬儀器較傳統(tǒng)儀器具有很多優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)推廣虛擬儀器勢(shì)在必行。

（2）虛擬儀器的應(yīng)用。目前，虛擬儀器被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為虛擬儀器的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。在科研教學(xué)領(lǐng)域，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可以建成一個(gè)虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)室，在該實(shí)驗(yàn)室可以對(duì)某些不方便實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行仿真測(cè)試，再將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與仿真實(shí)驗(yàn)室結(jié)合，進(jìn)一步形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)員不受地域和時(shí)間的限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。目前，清華大學(xué)已經(jīng)使用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行出廠檢測(cè)。此外，虛擬儀器還被應(yīng)用在航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)、工廠生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域。

3 虛擬儀器技術(shù)新發(fā)展

（1）虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為虛擬儀器技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了新天地，將網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與PC技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器技術(shù)使處于不同位置、不同功能的測(cè)試設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的共享，減少了硬件設(shè)備的重復(fù)投資。此外，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不僅可以將測(cè)量設(shè)備中的資料直接上傳至網(wǎng)絡(luò)，還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的操作，為不同地區(qū)人員進(jìn)行合作交流提供了很大的便利。

（2）硬件的虛擬化。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，硬件設(shè)備也朝著虛擬化的方向發(fā)展。用戶可以根據(jù)自己的特定要求，通過(guò)編程的方式來(lái)定義硬件的功能并改變相應(yīng)的性能參數(shù)，使硬件的使用更加靈活方便。目前，市場(chǎng)上使用最為廣泛的虛擬硬件設(shè)備，其采樣率和精度都可以在滿足用戶的需求下進(jìn)行重新定義，實(shí)現(xiàn)功能的改變。

（3）虛擬儀器的可互換性。在虛擬儀器中，軟件占據(jù)著舉足輕重的地位，因此對(duì)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，一直都是發(fā)展虛擬儀器技術(shù)的重中之重。虛擬儀器的可互換性[2]，即用戶可以根據(jù)自己的需要，將應(yīng)用軟件從現(xiàn)處的平臺(tái)移植到另一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行使用，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用軟件的跨平臺(tái)使用。目前，相關(guān)研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可以支持不同廠家生產(chǎn)的儀器，為虛擬儀器互換提供了可能。此外，IVI技術(shù)力圖開(kāi)發(fā)一個(gè)驅(qū)動(dòng)儀器的程序標(biāo)準(zhǔn)，從而為虛擬儀器互換提供一個(gè)框架，也使儀器編程簡(jiǎn)便化。

（4）組件技術(shù)的發(fā)展。隨著用戶對(duì)虛擬儀器要求的不斷提高，在虛擬儀器技術(shù)中，軟件規(guī)模逐漸增大，所使用的測(cè)量設(shè)備的數(shù)量和種類也不斷增多，發(fā)展組件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)備的“即插即用”，對(duì)虛擬儀器技術(shù)發(fā)展具有重大意義。組建技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)軟件的最大化利用，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低維護(hù)的成本。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了COM/DCOM、javaBeans/EJB等組件標(biāo)準(zhǔn)，使組件技術(shù)進(jìn)一步成熟。

虛擬儀器技術(shù)是儀器行業(yè)的一次重大變革，在很大程度上推動(dòng)了儀器行業(yè)的發(fā)展。與傳統(tǒng)的儀器相比，虛擬儀器具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少以及無(wú)縫集成的優(yōu)勢(shì)，為用戶提供更加快捷方便的服務(wù)。目前，虛擬儀器已經(jīng)被應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，并且不斷的創(chuàng)新發(fā)展，虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化、可交換化，硬件的虛擬化以及組件技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)將虛擬儀器技術(shù)帶入一片新的天地。