虛擬儀器在測控系統(tǒng)的應(yīng)用探討

趙鑰

摘要：虛擬測量儀器概念的提出，為計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及儀器領(lǐng)域設(shè)立了橋梁，廣泛用于工程應(yīng)用、測控系統(tǒng)中應(yīng)用，直觀化的圖形編程語言確保了程序開發(fā)人員的工作效率與質(zhì)量。在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用，憑借著自身性能高、擴展性強、節(jié)約時間等優(yōu)勢特征，成為了測試測量、控制領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)，未來仍有很大的發(fā)展空間，對此加強此方面的研究尤為關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；測控系統(tǒng)；應(yīng)用

虛擬儀器技術(shù)是指在模塊化硬件基礎(chǔ)上配以高性能的軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)測試測量、自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用，是對傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)的帶動及沖擊。隨著測試測量、控制領(lǐng)域?qū)夹g(shù)標準的逐漸提升，以及測試系統(tǒng)開發(fā)成本、質(zhì)量等方面的要求，使得虛擬儀器技術(shù)在其領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)成熟，數(shù)據(jù)的采集處理及分析也更加便利與可靠，是現(xiàn)代測試儀器發(fā)展的重要方向。

一、虛擬儀器概述

（一）概念

虛擬儀器在測試系統(tǒng)中，實現(xiàn)軟件、硬件的替換，將其軟件在儀器領(lǐng)域的應(yīng)用更加配套。借助計算機平臺，圍繞用戶需求，對儀器測試功能進行設(shè)計。在應(yīng)用程序基礎(chǔ)上，借助計算機平臺，圍繞用戶需求，實現(xiàn)儀器硬件、計算機的結(jié)合，用戶借助直觀的圖形界面控制計算機，如同操控自身定義的傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器將微處理器等計算機設(shè)施、數(shù)字I/O等儀器硬件的測量控制性能結(jié)合，軟件進行數(shù)據(jù)處理，并實現(xiàn)圖形用戶接口。應(yīng)用程序展現(xiàn)模塊間定時通信等功能，主要借助VXl、GPIB等硬件，結(jié)合源碼庫函數(shù)軟件實現(xiàn)。虛擬儀器的開放性、模塊化等特征，輔以高性能軟件，通過系統(tǒng)配置、模塊增減即可滿足用戶各種測試要求。新型虛擬儀器構(gòu)造簡單便利，為用戶項目轉(zhuǎn)換提供了幫助。虛擬儀器的開放性、靈活性、可操作性等優(yōu)勢特征也是傳統(tǒng)儀器所不能比擬的。

（二）結(jié)構(gòu)

虛擬儀器是各種軟件硬件資源輔以測控儀器等設(shè)備的結(jié)合體，如儀器測控硬件、界面軟件等。

基于硬件角度分析，計算機數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，是指現(xiàn)場總線、GPIB、現(xiàn)場總線等以硬件方式形成的各種系統(tǒng)，即指現(xiàn)場總線系統(tǒng)、GPIB系統(tǒng)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)等。在計算機數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)上的的虛擬測試系統(tǒng)，介于操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)采集板的優(yōu)勢特征，成為了現(xiàn)代測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[1]。

基于軟件角度分析，除明確配置儀器硬件、計算機資源后，還需注重虛擬儀器的軟件資源配置。虛擬儀器開發(fā)環(huán)境多元，如C/C++、BasiC等編程語言，以及LabVIEW圖形編程環(huán)境等。采用流程圖型的程序設(shè)計，介于流程圖、傳統(tǒng)程序語言無交集，同時與數(shù)據(jù)流、方塊圖類似，使程序開發(fā)時間大大縮減，同時速度無干擾，對此是比較理想的開發(fā)環(huán)境。

二、虛擬儀器在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

基于提升軟件測試時間的角度分析，在測試環(huán)節(jié)，繼電器時間的提高，可通過利用指定的計數(shù)器板，或是利用系統(tǒng)時鐘方法實現(xiàn)。對于秒級時間的測試誤差必須不能超過20%，計數(shù)器板或定時器通常都能達到標準，同時經(jīng)濟性強，計算機無需安置多余插槽，空間不受影響。

基于數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的角度分析，LabWindows/CVI集成式開發(fā)環(huán)境、工程開發(fā)工具箱，憑借自身測量分析等豐富資源資源庫，與SQL 工具包結(jié)合可實現(xiàn)各種測試數(shù)據(jù)的儲存。在測控系統(tǒng)中應(yīng)用可設(shè)置成各種儲存方式，如依據(jù)時間、測試結(jié)果等字段，使產(chǎn)品履歷檔案更加完善。根據(jù)各種保存的字段，如時間字段等，可以快速的查詢產(chǎn)品測試履歷，管理效率顯著提升，同時也避免了傳統(tǒng)人工管理的弊端。

（二）監(jiān)測方面應(yīng)用

虛擬儀器在西方發(fā)達國家的應(yīng)用相對普及，在虛擬儀器基礎(chǔ)上設(shè)計的光學測微計，可微米級分辨率測量微機電系統(tǒng)中的硅晶片厚度。通過現(xiàn)代LabVIEW開發(fā)環(huán)境，與傳統(tǒng)Visual C++開發(fā)環(huán)境比較，在開發(fā)時間、開發(fā)經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢相對明顯。在虛擬儀器基礎(chǔ)上設(shè)計的微電子氣敏傳感器，利用LabVIEW對基于計算機的數(shù)據(jù)采集板系統(tǒng)進行控制，傳感器溫度、氣相環(huán)境變化控制相對精準，對于后者變化的控制主要參照電阻值變化實現(xiàn)。基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)教學儀器不僅性能高、靈活性強，同時控制軟件可擴展[2]。

（三）檢測方面應(yīng)用

虛擬儀器技術(shù)在汽車檢測中的應(yīng)用相對普及。汽車檢測德目的主要為安全環(huán)保檢測、綜合性能檢測。傳感器為檢測系統(tǒng)輸入端，實現(xiàn)被測非電量、電量的轉(zhuǎn)換。借助信號調(diào)理電路，將傳感器測量的非電量、轉(zhuǎn)變?yōu)橹付üβ孰妷弘娏鳌㈩l率信號等，對后級顯示電路數(shù)據(jù)處理電路、執(zhí)行機構(gòu)起到推動作用。數(shù)據(jù)處理、信號處理等裝置反饋的電壓、電流等信號，通過顯示器顯示。為檢測人員明確各種電氣設(shè)備的應(yīng)用情況提供參照。在汽車儀表檢測中，利用NI PXI系列板卡、數(shù)據(jù)通訊轉(zhuǎn)換卡、LabVIEW軟件等資源，設(shè)計測試系統(tǒng)，檢測效率與產(chǎn)品質(zhì)量得以保證。在車內(nèi)測試系統(tǒng)中，借助LabVIEW、PXI/SCXI等資源，開發(fā)設(shè)計車內(nèi)測試系統(tǒng)，利用LabVIEW程序負責信號收集、處理。運動控制、語音合成等功能升級，使其車內(nèi)測試系統(tǒng)完全代替了以往的數(shù)據(jù)記錄儀。

（四）電子測控系統(tǒng)

虛擬儀器在航空機電子測控系統(tǒng)中也有涉獵，對測控系統(tǒng)精度、測試能力、飛機性能的優(yōu)化起積極促進作用。在虛擬儀器技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計的新型開關(guān)盒測控系統(tǒng)、繼電器盒，借助LabWindows/CVI系統(tǒng)、數(shù)字采集板可實現(xiàn)對繼電器盒邏輯狀態(tài)、延時時間的檢測與控制。CVI系統(tǒng)具有豐富庫函數(shù)、豐富面板功能等優(yōu)勢特征，可設(shè)計出虛擬實物界面、人機對話界面，優(yōu)化了航空機電子測控系統(tǒng)的性能[3]。

總結(jié)

LabWindows/CVI圖形化編程語仍有較大的開發(fā)空間，對此可深入研究與推廣。虛擬儀器的應(yīng)用，彌補了傳統(tǒng)儀器的不足，規(guī)避了傳統(tǒng)儀器電路設(shè)計等方面的弊端。使用儀器、設(shè)計科學性及可靠性顯著提升。軟件資源的利用，拓展了各種儀器的功能，通過修改程序即可實現(xiàn)各種功能的利用，經(jīng)濟性、操作便利性顯著提升。

參考文獻：

[1] 鄧佳欣， 孟立飛， 肖琦，等. 基于LabVIEW的航天器磁試驗測控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J]. 航天器環(huán)境工程， 2017， 34（5）：522-527

[2]王衛(wèi)， 倪衛(wèi)寧， 吳非. 基于虛擬儀器的測井地面測控系統(tǒng)研究[J]. 電子設(shè)計工程， 2016， 24（23）：125-126

[3]李玉豪. 基于虛擬儀器技術(shù)的四極桿質(zhì)譜測控系統(tǒng)研究[J]. 中國科技縱橫， 2016（24）