从智能仪器到虚拟仪器

[摘 要]本文主要介绍了虚拟仪器的基本思想及其特点，提出基于虚拟仪器技术的智能仪器的开发问题。

[关键词]虚拟仪器技术 虚拟仪器 组成 开发

中图分类号：TN919.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0310-01

1 引言

仪器是人类认识世界的基本工具，也是信息社会人们获取信息的主要手段之一。随着信息时代和网络时代的来临，传统仪器已不能满足科技以及社会生产的需要。仪器已不再是简单的机械或电子设备，而是融合了机械、电子、光学、计算机、材料化学、物理学、化学、生物学、系统工程等学科和先进制造技术的一门综合性技术。

随着电子技术、半导体技术和计算机技术的不断发展和成熟，尤其是嵌入式处理器的应用，使测试过程中的每一个环节都可能用到各种现代化的新技术，使仪器科学与技术领域出现了完全突破传统概念的新一代仪器――智能仪器，从而开创了仪器、仪表的一个崭新的时代。智能仪器凭借其高性能、多功能、体积小、功耗低等优势，迅速地在家用电器、工业控制中得到了广泛的应用。1987年，VXI总线的诞生标志着仪器与自动测试技术发展进入了一个崭新的阶段，虚拟仪器的概念也深入人心，应用领域不断拓展。

2 智能仪器

2.1 智能仪器的基本组成与特点

智能仪器由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路、通信接口电路。软件分为监控程序和接口管理程序两部分。它的特点如下：智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连；微处理器的运用极大地提高了仪器的性能；智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平；智能仪器具有友好的人机对话的能力，使用人员只需通过键盘打入命令，仪器就能实现某种测量和处理功能；智能仪器一般都配有GPIB或RS232等通信接口，使智能仪器具有可程控操作的能力。

2.2 智能仪器的原理

传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经A/D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理（如非线性校正等）；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内闪速存储器或电可擦除存贮器内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号（如报警装置触发、继电器触点等）。此外，智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机――PC机，由PC机进行全局管理。

2.3 智能仪器的应用及发展情况

智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。国际上智能测量仪表更是品种繁多，例如，美国HONEYWELL公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿，其精度可达到±0.1%FS。近年来，智能仪器的发展十分迅速，尤其是现代光学、电子学、生物学、物理学、微机械等领域的一些最新研究成果，已经迅速地应用于仪器、仪表中，使现代测控技术与智能仪器的发展出现了一些新的特点，主要包括：高速度、智能化、集成化、小型化和微型化、多功能化、网络化。

3 虚拟仪器的体系结构

3.1 计算机硬件

计算机硬件系统：指构成计算机的所有物理部件的集合。从外观上看，由主机、输入和输出设备组成。根据冯・诺依曼原理，将计算机分成输入设备、存储设备、运算器、控制器和输出设备。

3.2 仪器硬件

从虚拟仪器的定义来说，它更多地强调软件在仪器中的应用，但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过硬件来实现。目前，虚拟仪器的类型主要取决于仪器所采用的接口总线类型。从仪器与计算机采用的总线连接方式的不同，可分为内插卡式和外接机箱式两大类。内插卡式就是将各种数据采集卡插入计算机扩展槽，再加上必要的连接电缆或探头，就可形成一个仪器。外接机箱式采用背板总线结构，所有仪器都连接在总线上或采用外总线方式，用外部主控计算机来实现控制。这种类型的虚拟仪器以VXI仪器为典型代表。无论哪种虚拟仪器，都离不开数据采集硬件的支持。本章主要介绍信号调理以及DAQ板卡。

3.2.1 传感器及信号调理

传感器是把物理信号转换成电信号，常用传感器的特性与信号调理要求如表2-1所示，本文不再具体表述。传感/换能器的输出通常需要调理后才能进行有效而准确的ADC，这种前端预处理就是所谓的信号调理。SC的作用包括放大、滤波、电气隔离、多路复用以及给传感/换能器提供激励（电压或电源）、桥路平衡和线性化等。

3.2.2 DAQ板卡

通常一块DAQ卡可以完成多种功能，包括A/D、D/A转换，数字输入/输出以及定时I/O等。

3.3 应用软件

虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。基于软件在VI系统中的重要作用，NI提出了“软件就是仪器”的口号。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。VISA（Virtual Instrumentation software Architecture）虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个I/O函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。

应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。

4 总结与感想

以上从智能仪器到虚拟仪器的体系结构，简单的介绍了智能仪器的组成、特点、功能以及应用领域和发展趋势，同时也简单的阐述虚拟仪器设计技术，主要包括计算机硬件、仪器硬件、应用软件，最后对虚拟仪器的应用以及对LabVIEW做了介绍。由于实验室条件限制，作者未能真正的从硬件以及软件两方面实现虚拟仪器。接下来，准备利用课余时间进行虚拟仪器设计软件LabVIEW进行仿真。设计之一为带有均匀白噪声的正弦信号的分析，假设从DAQ板卡中采集到的数据用LabVIEW本身的信号源代替，信号为带有均匀白噪声的正弦信号，并对信号进行处理，主要为幅频特性以及相频特性分析，另外，还加了一些报警功能等。设计之二实现了语音信号的录音与播放，可以证明LabVIEW的功能之强大。

参考文献

[1] 朱建平，杨光永. 虚拟仪器技术在电子实验中的应用[J]. 机械工程与自动化. 2008（01）

[2] 王清. 浅析虚拟仪器技术[J]. 科技信息（科学教研）. 2008（05）