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(Virtual Instruments,简称VI)的概念，最早是由美国国家仪器公司(National InstrumentsCorp. 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、可操作性等方面都 与有

2、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。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设

3、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

4、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5）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

5、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公司提岀以来，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也推岀了基于C语言模式的了 Labwindows /CVI等交互式开发平台）。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

6、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岀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

7、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岀成就是不仅可以利用 PC 机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组

8、建不同规 模的系统。如GPIB仪器通过GPIB接口卡与计算机组成GPIB系统，并行总线仪器组成并行 总线系统等。一般来说GPIB、VXI、PXI适合大型高精度集成测试系统；PCDAQ、并行口式、 串行口式系统适合普及型的廉价系统；现场总线系统主要用于大规模的网络测试。有时，可 以根据不同需要组建不同规模的自动测试系统，也可以将上述几种方案结合起来组成混合测 试系统。网络化将是虚拟仪器发展的趋势基于Internet的网络仪器是计算机技术、虚拟技术、网 络技术的完美结合，代表了当前和今后仪器仪表领域的发展潮流，已在测量与测控领域内显 现。如网络化流量计、网络化分析仪、网络化计量表等，都成为人们的新

9、宠。网络化仪器可 实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实时获得仪器的工作状态；通过友好的用户界 面，不仅可对远程仪器进行功能控制和状态检测，还能将远程仪器测得的数据快速传递给本 地计算机。与传统的仪器相比，网络仪器具有无可比拟的优势，如功能分散、危险分散、地 理分散、管理集中、通信功能强、网络隔离度高、分布广泛;系统操作简单，人机界面友好， 便于扩展和维护等。组件化趋势 硬件和软件“ 软件就是仪器”，表明软件是构成虚拟仪器的核心，是虚拟 仪器的灵魂。随着测量和控制应用领域对系统性能和灵活性要求的不断提高，软件的设计功 能也逐渐重要。用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，功能强大、现

10、成即用的 软件使整个过程自动进行。为了便于用户使用，仪器制造商同时对硬件和软件标准化，将虚 拟仪器、虚拟仪器测试系统细分为硬件模块、驱动程序和软件开发平台等若干层，对各层与 相邻层之间的接口都加以规范;软硬件厂商都按标准的规范开发各自的软硬件产品，使其具 有最佳的互换性能。合成仪器将大量出现虚拟仪器技术经过20多年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标 准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开放式模块 化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善，建立在虚拟仪器技术上的各种先进仪器将会 层出不穷。3. 虚拟仪器的计算机模拟信号输入输出的工作原理模拟量输入输出通道是微型计

11、算机与控制对象之间的一个重要接口，也是实现工业过程 控制的重要组成部分。工业生产中，需要测量和控制的物理量往往是连续变化的电流、电压、温度、压力、位 移、流量等。利用计算机实现对工业生产过程的自动监测和控制：必须能够将生产过程 中监测设备输岀的连续变化的模拟量转变为计算机能够识别和接受的数字量。能够将计 算机发出的控制命令转换为相应的模拟信号，去驱动模拟调节执行机构。这样两个过程，都 需要模拟量的输入和输岀通道来完成。3.1 模拟量的输入通道模拟量输入通道由以下几个部分组成：1.传感器：是用于将工业生产现场的某些非电物理量转换为电量的器件。例如：温度传感器：温度电压信号压力传感器：压力的变化电

12、信号2. 变送器：将传感器的输出信号转换成 010mA、420mA 的统一电流信号或者 05V 的电压信号。传感器输出的电信号都比较微弱，有些传感器的输出甚至是电阻值、电容值等非电量 为了易于与信号处理环节衔接，需要将这些微弱电信号及电阻值等非电量转换成统一的电信 号，变送器就是实现这一功能的器件。3. 信号处理环节：将变送器输出的信号进行放大或处理成与 AD 转换器所要求的输 入相适应的电压水平。 信号处理环节主要包括信号的放大及干扰信号的去除4. 多路转换开关：在数据采集系统中，需要采集的模拟量一般比较多，且不少模拟量 是缓慢变化的信号。对这类模拟信号的采集，可采用多路模拟开关，使多个模拟

13、信号共用一 个 A/D 转换器进行采样和转换，以降低成本。5. 采样保持电路：在数据采样期间，保持输入信号不变的电路称为采样保持电路。由 输人模拟信号连续变化，A/D转换器完成一次转换需要一定转换时间。对变化较快的模拟输 入信号，如果在转换期间输入信号变化，引起转换误差。所以增加一级采样保持电路，保证 在转换过程中输入信号保持在其采样时的值。6. 模数A/D转换器：将输人的模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号，以便计算 机进行分析和处理。3.2 模拟量的输出通道计算机的输出信号是数字信号，而有的控制执行元件要求提供模拟的输入电流或电压信 号，需要将计算机输出的数字量转换为模拟量，由模拟量的输

14、出通道来完成。模拟量的输出 主要通过模数转换器（D/A ）来完成，D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量，数字量 由二进制位组成，每个二进制位的权为2i,要把数字量转换为模拟电压，需要先把数字量的 每一位上的代码按权转换成对应的模拟电流，再把模拟电流相加，最后由运算放大器将其转 换成模拟电压。V o二 R)输岀电压Vo正比于输人数字量Dn,幅度大小由Vref和Rf/R的比值决定。如果用二进制编码来控制每一路的Sj,当第i路的二进制码为1时，使第j位的Sj闭合; 第j路的二进制码为0时，使对应的Sj断开，则数字量的变化就转换成了模拟量的变化。D/A转换器的转换精度与基准电压Vref和权电阻Rj

15、的精度以及数字量的位数j有关。位 数越多，转换精度越高，同时所需的权电阻的种类就越多。在集成电路中制造高阻值的精密 电阻比较困难，因此常用 T 形电阻网络代替权电阻网络。0nDDN位数字量输入数据缓冲数据锁存:模拟量输出4. 虚拟仪器应用实例分析由以上介绍可以知道虚拟仪器主要通过计算机检测到被测系统的信息，并且对系统的执 行机构发岀相应的指令，以满足系统的需求。例如面向切削加工过程中的虚拟测试系统的设计中，切削力与切削温度是金属切削过程 中的重要状态参量采用虚拟仪器测量切削参数，能完全替代传统仪器并扩展其功能，并且虚 拟仪器能最大限度地降低系统成本，增强系统的功能和灵活性。利用通用计算机的硬件

16、资源， 集仪器的控制、存储、显示于计算机本身，利用相应的软件在计算机屏幕上构成一个虚拟仪 器的仪器面板，通过键盘或鼠标代替现实仪器的面板按钮及旋钮，而人手不必触及仪器本身， 从而实现硬件软化的结果，并在足够硬件的支持下，对金属切削过程的切削力、切削温度等 参数进行采集，再经软件处理，从而反映刀具磨损或破损、切削用量的合理性、机床故障等 切削状态，以及实时控制切削过程，尽可能提高切削效率，并减少零件废品的产生。面向切削加工的虚拟仪器设计主要包括了以下几方面的内容：硬件系统分析、设计软件 系统分析和设计系统基本功能的实验与测试几个部分。其中硬件系统主要就包括上文中提到的包括模拟量的输入输岀通道及其

17、组成部分，而虚 拟仪器的基础平台就源自这个硬件系统的搭建，也只有这个输入输岀系统的原理正确了，才 能保证整个虚拟仪器的可靠性。其次当然不能忽略软件的构成，软件的编辑是虚拟仪器系统的核心部分，也是开发人员 研究的关键部分。虚拟仪器的软件部分包括硬件驱动程序、应用程序以及软面板程序等。最后，也是虚拟仪器可靠性的实验验证了，也就是对虚拟仪器硬件和软件的调试过程， 包括对硬件的调零设置和软件的初始化之类的。为了扩大虚拟仪器在切削加工测量中的功 能，利用实验方法验证测试系统各个功能的可行性，并利用经验公式对实验数据进行相似性 判定，找出目前加工过程中存在的问题和不合理因素，改善切削过程的加工参数，提高加工 效率。参考文献1 黄进文 虚拟仪器新技术及其在我国的发展现状与展望 科技创新导报 2008 年2 伍星华、王旭 国内虚拟仪器技术的应用研究现状及展望 现代科学仪器 2011 年 8 月第 4 期3 付聪 虚拟仪器发展及应用研究 福建电脑 2011年第 3 期4 崔伟清、闫明 虚拟仪器技术及其在切削加工过程中的应用 机械 2008 年增刊 总 第 35 卷