机械工程测试-虚拟仪器在我国的应用前景

虚拟仪器在我国的应用前景TheProspectofVirtualInstrumentinChina摘要:简要地介绍了虚拟仪器的概念和虚拟仪器软件LabVIEW,分析了为什么要在我国推广它.机遇就是挑战,虚拟仪器对我们更多的还是机遇,所以要抓住机遇,大力推广,用先进的技术来建设我们的国家.关键词:虚拟仪器;LabVIEW;前景Abstract:IntroducedtheconceptionofVirtualInstrumentandtheinternationaladvancedvirtualinstrumentsoftwareLabVIEW,itisaproductofthedeepjointoftheelectronicinstrumentandthecomputer.Asade-velopingcountry,weshouldpopularizeit.Keywords:Virtualinstrument;LabVIEW;Prospect.正文：智能仪器的主要特征是以微处理器为核心进行工作,因而智能仪器具有强大的控制和数据处理功能,使测量仪器在实现全盘自动化、改善性能,增强功能以及提高精度和可靠性方面发生了大的变革,是仪器发展的一次飞跃.而虚拟仪器是电子仪器与计算机技术更深层次结合的基础上产生的一种新的仪器模式,具有比智能仪器更加强大的功能,是仪器发展的又一次飞跃.1什么是虚拟仪器1.1定义虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和/或必要的仪器硬件模块,使用户操作这台通用计算机就象操作一台自己专门设计的传统电子仪器一样.虚拟仪器技术强调软件的作用,提出了“软件就是仪器”的概念,这个概念克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的缺陷,摆脱了由传统硬件构成一件件仪器再连成系统的模式,而变为由用户根据自己的需要通过编制不同的测试软件来组合构成各种虚拟仪器,其中许多功能直接就由软件来实现,打破了仪器功能只能由厂家定义,用户无法改变的模式,虚拟仪器还可以很快地跟上计算机的发展,升级重建自己的功能.这尤其适合科研与生产制造部门.1.2比较与差异考察任何一台传统的智能仪器,都可以将其分解成以下三个部分:(1)数据的采集:将输入的模拟信号波形进行调理,并经A/D转换成数字信号以待处理.(2)数据的分析与处理:由微处理器按照功能要求对采集的数据作必要的分析和处理.(3)存储、显示或输出:将处理后的数据存储、显示或经D/A转换成模拟信号输出.传统智能仪器是由厂家将上述三种功能的部件根据仪器功能按固定的方式组建,一般一种仪器只有一种功能或数种功能.而虚拟仪器是将具有上述一种或多种功能的通用模块组合起来,通过编制不同的测试软件来构成任何一种仪器,而不是某几种仪器.例如激励信号可先由微机产生数字信号,再经D/A变换产生所需的各种模拟信号,这相当于一台任意波测试功能都可通过对被测信号的采样,A/D变换成数字信号,再经过处理即可,或者直接用数字显示而形成数字电压表类仪器,或用图形显示而形成示波器类仪器或者再对数据进一步分析即可形成频谱分析仪类仪器.其中,数据分析与处理以及显示等功能可以直接由软件完成.这样就摆脱由传统硬件构成一件件仪器然后再连成系统的模式,而变成由计算机、A/D及D/A等带共性硬件资源和应用软件共同组成的虚拟仪器系统新的概念.许多厂家目前已研制出了多种用于构建虚拟仪器的数据采集(DAQ)卡.一块DAQ卡可以完成A/D转换、D/A转换、数字输入输出、记数器/定时器等多种功能,再配以相应的信号调理电路组件,即可构成能生成各种虚拟仪器的硬件平台.现在的虚拟仪器硬件系统还广泛使用原有的能与计算机通信的各类仪器与工控卡,例如BG-IB仪器、VXI总线仪器、PC总线仪器以及带有RS-232接口的仪器或仪器卡.图1示出了现阶段虚拟仪器系统硬件结构的基本框图.总之,虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处,就在于应用的灵活性上.虚拟仪器是用户自己定义的,用户可以将各种计算机平台、硬件、软件和附备件结合起来,组装成所需要的应用设备.而一般由生产厂商所定义的、具有固定功能的单个设备,例如电压表、示波器和数据记录仪等,则不具有这样的灵活性.因此利用虚拟仪器来取代传统仪器之后,用户将大大受益.图1虚拟仪器硬件结构1.3跟上PC革新的步伐由于虚拟仪器是以PC为基础的,因此当各种与主流PC相关的新兴技术,如PentiumⅢ处理器、Windows2000、以及Internet等,用户马上就可以享受到它所带来的便利.此外,新型笔记本电脑也把虚拟仪器的便携性和强大功能推向了一个新的水平.而这,不需要用户更多的经济投入.经济的发展规律告诉我们,只有采用最新的技术,发展中国家才能赶超发达国家.因此,在我国这样一个发展中国家,推广虚拟仪器就显得更加必要.1.4更低的花费,更高的效率虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧有的传统测量设备,接受更新型、以PC为基础的虚拟仪器系统.由于计算机的性能价格比的不断改进,使得虚拟仪器的价格更为大众所接受,用户也不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格.有了虚拟仪器这个解决方案,用户可以降低成本、减少系统开发费用和系统维护费用,同时又可缩短自行生产的产品上市时间，提高产品质量.2虚拟仪器中的软件基本硬件确定之后,要使虚拟仪器能按用户要求自行定义,必须有功能强大的仪用软件.然而相应的软件开发环境长期以来并不理想,用户花在编制测试软件上的工时与费用相当高,即使使用C,C++等高级语言,也会感到与高速测试及缩短开发周期的要求极不适应.因此,世界各大公司都在改进及人机交互方面做了大量的工作,其中基于图形的用户接口和开发环境是软件工作中最流行的发展趋势.典型的软件产品有NI公司的LabVIEW和LabWindows,HP公司的HPVEE和HPTIG,Tektronix公司的Ez-TestTek-TNS和我国有哈尔滨工业大学的虚拟仪器王等.2.1LabVIEW简介说到虚拟仪器,就不能不提到NationalInstruments(美商国家仪器有限公司,简称NI),正是NI提出了“软件就是仪器”的口号,开创了基于计算机上的新一代仪器(虚拟仪器)时代.1986年推出的LabVIEW是当今功能最强大的图形编程软件,现已发到6.0版,在包括航空、通信、汽车、半导体、生物医学等世界范围的众多工业领域中得到了广泛应用.从交通监控系统到大学实验室、从部件自动测试到工业过程控制,LabVIEW的应用极其广泛.在测试与测量领域,LabVIEW更是成为工业标准.其国际市场的占有率高达65%,远远超过了其竞争对手.2.2LabVIEW的体系结构图2是LabVIEW的软件系统体系结构.其中仪器驱动程序主要是完成仪器硬件接口功能的控制程序,NI公司提供了各制造厂家数百种GP-IB,DAQ,VXI和RS-232等仪器的驱动程序.有了仪器驱动程序,用户就不必精通这些仪器的硬件接口,而只要把仪器的用户接口代码及数据处理与分析软件组合在一起,就可以迅速而方便地构建一台新的虚拟仪器.图2LabVIEW软件体系结构29第1期王瑞林:虚拟仪器在我国的应用前景计举例用LabVIEW设计一个能采集并显示模拟信号波形的虚拟仪器,其程序如图3和图4所示.图3是其前面板,图4是用G语言编写的程序框图.图中子程序AIAcquireWaveform在DataAcquisitionAnalogInput子模板中.图3波形采集与显示前面板图4波形采集与显示程序框图3结论虚拟仪器是一种新型的仪器概念,是和计算机结合的产物,是未来的发展趋势.我国作为一个发展中国家,应该大力推广该产品.这样就可以发挥我国的人口优势,节约资金,提高生产率.尤其是制造业,可以降低生产成本,提高产品质量.我国的仪表业和国际先进水平相差很大,对新技术的应用不够广.在国际上,制造的控制和检测全部使用计算机,虚拟仪器应用很广.因此,我国应在大学和科研人员中加强教育,让他们了解最新的技术,站在世界的前沿,为我国的社会主义建设做出更大的贡献.参考文献:[1]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京:电子工业出版社,1999.[2]张乃国.新型电子示波器[M].北京:中国计量出版社,1990.[3]马嘉.LabVIEW——一种全新的仪器开发系统[M].北京:电子测量技术,1995.[4]章玉鉴,张立人.PC仪器系统软件的研究与设计[J].电子仪器与测量[5]刘君华1基于LabVIEW的虚拟仪器设计〔M〕1北京:电子工业出版社,20031[6]秦树人1机械工程测试原理与技术〔M〕1重庆大学出版社,2002:384-4091[7]龙志强,吕治国1LabVIEW与通用数据采集卡的接口方法研究〔J〕1微计算机信息,2001,179:18–191[8]王瑞林1虚拟仪器在我国的应用前景〔J〕1新疆大学学报理工版,2001,181:27-301[9]李宇华1虚拟仪器开发平台LabVIEW介绍〔J〕1计算机自动测量与控制,19963:44-491