虛擬儀器在測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用探討

趙鑰

摘要：虛擬測(cè)量?jī)x器概念的提出，為計(jì)算機(jī)、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(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用，直觀化的圖形編程語(yǔ)言確保了程序開(kāi)發(fā)人員的工作效率與質(zhì)量。在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，憑借著自身性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、節(jié)約時(shí)間等優(yōu)勢(shì)特征，成為了測(cè)試測(cè)量、控制領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)，未來(lái)仍有很大的發(fā)展空間，對(duì)此加強(qiáng)此方面的研究尤為關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；測(cè)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(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試測(cè)量、自動(dòng)化等領(lǐng)域的應(yīng)用，是對(duì)傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)的帶動(dòng)及沖擊。隨著測(cè)試測(cè)量、控制領(lǐng)域?qū)夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸提升，以及測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)中，實(shí)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(jì)算機(jī)平臺(tái)，圍繞用戶需求，對(duì)儀器測(cè)試功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。在應(yīng)用程序基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)平臺(tái)，圍繞用戶需求，實(shí)現(xiàn)儀器硬件、計(jì)算機(jī)的結(jié)合，用戶借助直觀的圖形界面控制計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)設(shè)施、數(shù)字I/O等儀器硬件的測(cè)量控制性能結(jié)合，軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實(shí)現(xiàn)圖形用戶接口。應(yīng)用程序展現(xiàn)模塊間定時(shí)通信等功能，主要借助VXl、GPIB等硬件，結(jié)合源碼庫(kù)函數(shù)軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的開(kāi)放性、模塊化等特征，輔以高性能軟件，通過(guò)系統(tǒng)配置、模塊增減即可滿足用戶各種測(cè)試要求。新型虛擬儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單便利，為用戶項(xiàng)目轉(zhuǎn)換提供了幫助。虛擬儀器的開(kāi)放性、靈活性、可操作性等優(yōu)勢(shì)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(cè)控儀器等設(shè)備的結(jié)合體，如儀器測(cè)控硬件、界面軟件等。

基于硬件角度分析，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)，是指現(xiàn)場(chǎng)總線、GPIB、現(xiàn)場(chǎng)總線等以硬件方式形成的各種系統(tǒng)，即指現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)、GPIB系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等。在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)上的的虛擬測(cè)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(shì)特征，成為了現(xiàn)代測(cè)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(jì)算機(jī)資源后，還需注重虛擬儀器的軟件資源配置。虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境多元，如C/C++、BasiC等編程語(yǔ)言，以及LabVIEW圖形編程環(huán)境等。采用流程圖型的程序設(shè)計(jì)，介于流程圖、傳統(tǒng)程序語(yǔ)言無(wú)交集，同時(shí)與數(shù)據(jù)流、方塊圖類似，使程序開(kāi)發(fā)時(shí)間大大縮減，同時(shí)速度無(wú)干擾，對(duì)此是比較理想的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

二、虛擬儀器在測(cè)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(cè)試時(shí)間的角度分析，在測(cè)試環(huán)節(jié)，繼電器時(shí)間的提高，可通過(guò)利用指定的計(jì)數(shù)器板，或是利用系統(tǒng)時(shí)鐘方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于秒級(jí)時(shí)間的測(cè)試誤差必須不能超過(guò)20%，計(jì)數(shù)器板或定時(shí)器通常都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，計(jì)算機(jī)無(wú)需安置多余插槽，空間不受影響。

基于數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)的角度分析，LabWindows/CVI集成式開(kāi)發(fā)環(huán)境、工程開(kāi)發(fā)工具箱，憑借自身測(cè)量分析等豐富資源資源庫(kù)，與SQL 工具包結(jié)合可實(shí)現(xiàn)各種測(cè)試數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。在測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用可設(shè)置成各種儲(chǔ)存方式，如依據(jù)時(shí)間、測(cè)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(shí)間字段等，可以快速的查詢產(chǎn)品測(cè)試履歷，管理效率顯著提升，同時(shí)也避免了傳統(tǒng)人工管理的弊端。

（二）監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用

虛擬儀器在西方發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用相對(duì)普及，在虛擬儀器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的光學(xué)測(cè)微計(jì)，可微米級(jí)分辨率測(cè)量微機(jī)電系統(tǒng)中的硅晶片厚度。通過(guò)現(xiàn)代LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，與傳統(tǒng)Visual C++開(kāi)發(fā)環(huán)境比較，在開(kāi)發(fā)時(shí)間、開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯。在虛擬儀器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的微電子氣敏傳感器，利用LabVIEW對(duì)基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集板系統(tǒng)進(jìn)行控制，傳感器溫度、氣相環(huán)境變化控制相對(duì)精準(zhǔn)，對(duì)于后者變化的控制主要參照電阻值變化實(shí)現(xiàn)。基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)教學(xué)儀器不僅性能高、靈活性強(qiáng)，同時(shí)控制軟件可擴(kuò)展[2]。

（三）檢測(cè)方面應(yīng)用

虛擬儀器技術(shù)在汽車(chē)檢測(cè)中的應(yīng)用相對(duì)普及。汽車(chē)檢測(cè)德目的主要為安全環(huán)保檢測(cè)、綜合性能檢測(cè)。傳感器為檢測(cè)系統(tǒng)輸入端，實(shí)現(xiàn)被測(cè)非電量、電量的轉(zhuǎn)換。借助信號(hào)調(diào)理電路，將傳感器測(cè)量的非電量、轉(zhuǎn)變?yōu)橹付üβ孰妷弘娏鳌㈩l率信號(hào)等，對(duì)后級(jí)顯示電路數(shù)據(jù)處理電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)起到推動(dòng)作用。數(shù)據(jù)處理、信號(hào)處理等裝置反饋的電壓、電流等信號(hào)，通過(guò)顯示器顯示。為檢測(cè)人員明確各種電氣設(shè)備的應(yīng)用情況提供參照。在汽車(chē)儀表檢測(cè)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(jì)測(cè)試系統(tǒng)，檢測(cè)效率與產(chǎn)品質(zhì)量得以保證。在車(chē)內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)中，借助LabVIEW、PXI/SCXI等資源，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)車(chē)內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)，利用LabVIEW程序負(fù)責(zé)信號(hào)收集、處理。運(yùn)動(dòng)控制、語(yǔ)音合成等功能升級(jí)，使其車(chē)內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)完全代替了以往的數(shù)據(jù)記錄儀。

（四）電子測(cè)控系統(tǒng)

虛擬儀器在航空機(jī)電子測(cè)控系統(tǒng)中也有涉獵，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)精度、測(cè)試能力、飛機(jī)性能的優(yōu)化起積極促進(jìn)作用。在虛擬儀器技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的新型開(kāi)關(guān)盒測(cè)控系統(tǒng)、繼電器盒，借助LabWindows/CVI系統(tǒng)、數(shù)字采集板可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器盒邏輯狀態(tài)、延時(shí)時(shí)間的檢測(cè)與控制。CVI系統(tǒng)具有豐富庫(kù)函數(shù)、豐富面板功能等優(yōu)勢(shì)特征，可設(shè)計(jì)出虛擬實(shí)物界面、人機(jī)對(duì)話界面，優(yōu)化了航空機(jī)電子測(cè)控系統(tǒng)的性能[3]。

總結(jié)

LabWindows/CVI圖形化編程語(yǔ)仍有較大的開(kāi)發(fā)空間，對(duì)此可深入研究與推廣。虛擬儀器的應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)儀器的不足，規(guī)避了傳統(tǒng)儀器電路設(shè)計(jì)等方面的弊端。使用儀器、設(shè)計(jì)科學(xué)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(guò)修改程序即可實(shí)現(xiàn)各種功能的利用，經(jīng)濟(jì)性、操作便利性顯著提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧佳欣， 孟立飛， 肖琦，等. 基于LabVIEW的航天器磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)井地面測(cè)控系統(tǒng)研究[J]. 電子設(shè)計(jì)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(cè)控系統(tǒng)研究[J]. 中國(guó)科技縱橫， 2016（24）