11 虚拟仪器导论

第1章虚拟仪器导论引言测试、测量活动是人类认识客观世界最基本的方法，测量仪器则是实施测量活动所必须的工具和手段随着现代科学技术的不断发展和进步，电子测量仪器逐渐发展演变成为测量仪器的主体多年来电子测量仪器的发展大致经历了这样几个阶段模拟仪表一一以19世纪电磁、磁电技术、钟表技术为基础，以电工类仪器为主数字仪表一一以20世纪60年代的半导体晶体管、集成电路为基础，进入电子测量阶段智能仪器一一以20世纪70年代嵌入式计算机、大规模集成电路、精密模拟电路为基础虚拟仪器一一以2世纪80年代计算机技术、微电子技术和数字信号处理技术、精密模数转换技术为要出虚拟仪器（Virtual Instruments）的概念源自于美国国家仪器公司（National InstrumentsCorporation,简称NI公司,成立于1976年）1983年，NI公司创新的提出了虚拟仪器的概念并将虚拟仪器的理念贯穿到1986年它们发明的LabVIEW图形化编程语言中并最终形成了NI LabVIEW图形化虚拟仪器开发环境初期的虚拟仪器应用主要体现在构建基于数字仪表的自动化测试系统（仪器控制）方面设置在计算机上的GPIB控制器通过数字仪表的GPIB接口控制、管理着数字式测量仪器，并将测量数据的分析结果在计算机的屏幕上显示出来参考下图二十多年后的今天，虚拟仪器技术已经得到了长足进步和发展这得益于现代计算机技术、微电子技术和数字信号处理技术获得的突破性进展正因为如此，以这些技术为依托的虚拟仪器也得到了不断地发展从而导致电子测量仪器进入到一个创新的发展阶段实质上，虚拟仪器已经成为现代电子测量仪器的一个重要的组成部分我们的实验室已成为以虚拟仪器为主要仪器设备的现代化、自动化的实验室在虚拟仪器出现之后，人们为了与过去所生产、使用的仪器能够相区别，改称那些仪器为传统仪器本章主要介绍虚拟仪器的一些基本概念，目的是为了更好的了解LabVIEW,因为LabVIEW的核心思想就是虚拟仪器

1.1总拟仪器虚拟仪器的本质是基于计算机的测试、测量和自动化仪器系统本节将阐述什么是虚拟仪器虚拟仪器简介

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1.1-1为了更好的阐述什么是虚拟仪器，我们先做个传统仪器于虚拟仪器的简单类比作为传统仪器，它呈现我们面前的是一个实物器具它具备实物的基本特点形状、大小、体积和重量在传统仪器的操纵面板上我们可以通过开关、按键来操纵使用它，同时通过它的显示区域可以获得最终的测量结果参见图L

1.1-1的上半部分虚拟仪器呈现我们面前的会是另外一种方式由于它是基于计算机的测量仪器，所以它没有固定尺寸的大小和外观形状它通过软件在计算机的屏幕上以各种图形的方式模拟出传统仪器的外观以及操纵仪器所必需的开关、按键、显示器等部件虚拟仪器的操作是通过计算机的鼠标或键盘来实现的参见图LL1-1的下半部分卜面我们仅仅是通过物理形态和操作功能卜对隹统仪器和虑拟仪器讲行了类比C下面我们再从文字念义上来进一步认识和了解虚拟仪器

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1.1虚拟仪器中一一z虚拟〃的含义对于常与PC打交道的人来说”虚拟〃的含义应该是很好理解的如在紧张繁忙的工作了一段时间后,总希望静下心来观看一部声名显赫的DVD大片，借以缓解因长时间紧张工作所带来的压力和烦躁因为现代PC完全具备了这样的能力，我们何不借此享受一番呢！非诚勿扰的确在我们身边并没有DVD播放器，但的确获得了如此悠闲地享受我们所做的只不过是在PC的光驱中放入了一张DVD光盘其实质就是利用了PC上已存在的硬件资源（声卡）和软件资源（媒体播放器），在PC机上虚拟廿了一部DVD播放机其实在PC机上可“虚拟麻西还很多如“虚拟内存〃、”虚拟光驱〃等等所谓“虚拟僦是利用PC上已存在的硬件资源通过特定的软件来实现我们所需要的、且现实中并不存在的某些实用装置的功能在PC机上实现虚拟功能并不会破坏PC机上原有的功能，只是利用PC机上的硬件资源（或附加硬件资源）通过软件的方式拓展和附加了新的应用功能这里涉及到”虚拟〃的含义我们所讨论虚拟仪器中的“虚拟〃含义应该是一样的，只不过是通过不同的软件实现功能不同的装置而已虚拟仪器中”虚拟〃指的是虚拟仪器的构成方式，或者说更加强调软件在其中所起到的极其重要作用

1.1-1-2虚拟仪器中一一”仪器〃的含义虚拟仪器中”仪器〃的含义应该与传统仪器中”仪器〃的含义是相一致的同为“仪器〃它们就应该在外特性上保持一致所谓外特性，通常是指它们的测量特性比如说，我们可以符虚拟仪器（传统仪器）看成是一个黑匣子，不去考虑它们的内部测量原理和测量方法是如何实现的这样在相同的条件下，它们对同一被测量的测量结果应该是相一致的从测量仪器的观点来看，二者对同一量的测量结果应该不会有什么本质上的差别由于它们都属于测量仪器，只是具体构成的方法不同所以，传统仪器的很多技术性能或技术指标都可以被用来规范虚拟仪器的技术性能和技术指标卜面通过一个实例进一步理解传统仪器与虚拟仪器间仪器的特性实例1-1,参见图♦•own图左边是传统仪器安捷论的34401A数字万用表，右边的是NI公司的虚拟仪器万用表NI4072的硬件板卡和软件前面版同为DMM它们在相同条件下，对同一个被测量的测量结果应该是一致的可是作为传统仪器安捷论的34401A数字万用表，它的测量功能是由生产厂商所确定的，我们作为它使用者根本无法变更或增加它的测量功能而NI公同的虚拟仪器万用表NI4072,只要我们具备一定的能力（学习使用NI LabVIEW）就可以通过对软件的重新设计来添加低频信号示波器或低频谐波分析仪的测量分析功能通过上述分析可见，虚拟仪器是与传统仪器在构成上不相同的一类仪器，是一种创新的仪器设计思想的产物虚拟仪器是基于计算机的测量仪器，虚拟仪器更加强调软件在仪器中的作用，通过软件设计可定义仪器的测量功能这一点是传统仪器根本无法比拟的下面就谈谈虚拟仪器的基本构成1-1-2虚拟仪器构成------------------------------------------------------前面我们曾谈到过，虚拟仪器的本质是基于计算机的测试、测量和自动化仪器系统现代测量仪器与计算机结合通常有两种途径一种是将计算机嵌入到仪器之中，精密实验室中大部分测量仪器都采用的这种方式；另一种是将仪器（模块或数据采集板卡）嵌入到计算机中，通过专们设计的应用软件来实现对测量的控制及分析和显示同时基于计算机的测量，显然前者仍然是属于传统仪器类，后者则属于虚拟仪器类下面我们看一个将计算机嵌入到现代仪器之中的具体实例，参见图图（实例1-2德国ZERA公司的三相标准电能表

0.01级）这是世界上最顶级的功率、电能表，它的测量准确度比我们家用电表高100倍并能保证其测量准确度在两年内无须再校准我们先看看它的基本构成它采用内置式计算机（计算机并不对外开放）来控制整个仪器，自行设计了基于Windows操作系统的应用软件用于仪器测量控制和数据分析处理通过

6.4英寸TFT彩色液晶屏嵌入前面版实现人机对话和整个仪器的显示它属于智能化仪器，测量单元基于特殊设计的高速、高准确度同步数据采集卡完成数据处理采用DSP来实现它是由专业厂商设计、生产的特殊用途（电压、电流、功率、电能）电子测量仪器尽管它也是基于计算机（嵌入式）和实现了数字化测量以及采用了数字信号处理技术，但它仍然是属于传统仪器类因为我们根本无法改变或重新定义它的测量功能，并且它的所有部件都是专用的，生产厂商根本不会提供任何相关的信息现在我们在来看看虚拟仪器的基本构成，参见图O图从图L

1.1-5可以看出，虚拟仪器的构成基本上是由三部分组成传感器、多功能数据采集卡、商业化计算机平台传感器众所周知，现实世界中的许多物理量如声压、光强、温度、压力、流量、力等，电子测量仪器是无法直接感知的，而通用的电子测量仪器绝大多数也只能识别电压、电流信号或者频率信号为了将某些物理量转换成为我们感兴趣的电信号，我们通常需要一种变换元件这就是一传感器传感器可以将一种物理量变换为另一种物理量，比如将加速度信号变换成我们感兴趣的电信号通过传感器的变换我们就可以实现间接的对原物理量进行测量传感器最重要的技术指标之一就是灵敏度灵敏度的数值反映了输入的变化量引起输出变化量之间的函数关系比如某加速度传感器的灵敏度为50mV/g,如果我们测量出传感器的输出电压是500mV,那就说明此时的加速度为10g灵敏度还有另外一个作用，它确定最大的测量范围比如，NI9234动态数据采集卡的最大输入范围是+\-5V,那就意味着如果使用这个传感器最大加速度只能测量到100g即便是换一个最大输入范围+/-10V的动态数据采集卡o也不行，因为传感器的最大输出电压也是+/・5V对传感器的要求是灵敏度应该是个常数，温度系数要小，年变化率要小，线性度要好等能够找到这样的传感器当然是最好不过了在实际应用中，对传感器提出过分的要求可能导致工程造价倍增，其实能够尽可能的满足工程上的需要也就可以了传感器通常是由第三方设计制造的，目前已经发展成为智能化传感器阶段所谓智能化就是指采用IEEE1451转换标准接口的传感器它在传感器内部提供了一个传感器电子数据表（TEDS）,可供用户使用该表中纪录了传感器制造商的有关信息和传感器的校准数据等信息NI许多数据采集卡已经开始支持对TEDS数据的访问功能这里需要指出的是无论是传统仪器还是虚拟仪器在测量某些物理量时，同样都需要使用传感器换句话说，传感器并不是只有虚拟仪器要求必备的，传统仪器同样需要我们将这部分内容放在这里讨论是因为NI有许多数据采集卡的专用性较强（包含了信号调理部分），特别是C系列中的一些数据采集模块数据采集卡我们知道，计算机是无法直接识别模拟信号的（来自传感器或其它），要想实现基于计算机的测试、测量必须将（模拟信号转换为计算机可识别的数字信号这个任务通常由模数转换器ADC）来完成，模数转换器也就是我们通常说的数据采集卡NI公司也是数据采集卡的专业制造商，它提供了品种众多、性能各异的数据采集卡，基本上涵盖了工程项目中的所有测量应用同时它与NI软件无缝的集成在仪器为虚拟仪器的设计和开发的多样化提供了最有效的保证数据采集卡有许多种分类的方式，如按平台、按数据总线、按输入通道数、按模数转换器的位数、按采样速率、按同步或非同步测量、按动态非动态等等按总线分类有PCIPCIePXIPXIeUSBWiFiEthernet在项目中选择数据采集卡是工程应用中非常重要的基本工作，这里根据我们的经验给出选择时需要注意的几个基本原则

1.最好选用NI的数据采集卡，因为它与NI的软件系统是无缝连接的2根据测量项目的需求确定总线（或平台）模式•

3.根据信号分析的实时性确定是同步还是非同步卡

4.根据信号分析所需的最高频率确定采集卡的采样速率

5.根据测量准确度要求确定数据采集卡的位数总之，虚拟仪器的构成是多样化和十分灵活的，对数据采集卡更全面、细致的了解是十分必要的这些更需要在实践中不断进行总结和体会

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2.3计算机计算机是虚拟仪器的一个极其重要的组成部分，因为它是虚拟仪器应用程序的运行环境（目前还不涉及到虚拟仪器的设计开发），通常选择的是商业化的计算机就目前计算机的发展水平来看，几乎所有的商业计算机完全满足虚拟仪器的运行条件但是虚拟仪器应用软件对操作系统平台具有一定的依赖性，所以最好选择Windows操作系统因为NI的产品对Windows支持的力度是最大的（支持的工具包最多）当然，也应该与你所具备NI LabVIEW开发环境相一致，虽然VI本身是可以跨平台的，但应用程序打包时是按NI LabVIEW所使用的平台来发布的也就是说在Windows平台下的NI LabVIEW是无法生成Mac OS系统下所使用的应用程序，反之亦然由于操作系统实时性的限制，在实时性要求比较高的情况下最好选择实时操作系统NI也提供了这方面的软件包支持随着计算机价格的不断下降、性能的不断提高，使我们有了更多的可选择余地，但也要相应的注意一些可能存在的问题苹果电脑因为一体机成为主流计算机，所以已经没有了PCI插槽（只有服务器版还提供），所以只适合使用USB接口的数据采集卡，但要注意它使用的驱动是DAQmx base（NI-DAQmx Base具有NI-DAQmx的部分功能，支持Windows、Linux.Mac OSX和Pocket PC操作系统）作为仪器控制应用应该没有太多的限制笔记本电脑与cDAQ及WiFi数据采集卡相配合应该更适于现场便携式测量，并且C系列模块的功能相当丰富可选择的余地也大些上网本如果是使用Windows操作系统应该问题不大，更适合与cDAQ及WiFi数据采集卡相配合做现场便携式测量如果是采用其它操作系统的上网本，比如使用谷歌操作系统，目前运行虚拟仪器应用程序的可能性不大（未见这方面的报道），未来可能NI也会在这方面做出一些努力对于未来我们更期待在苹果公司的iPad（使用iPhone OS）运行虚拟仪器应用程序（如果可以支持多任务），希望NI也应该认真考虑对它的支持未来它是否可以成为更富有吸引力的WiFi数据采集便携式平台？真的很令人期待！纵观虚拟仪器构成，其三个组成部分传感器、数据采集卡、计算机都是可选择采购的部件这样就带来了一个比较现实的问题，既然都是买来的那我们究竟要干些什么？获得虚拟仪器有两个渠道，一是按项目要求委托虚拟仪器系统集成商来设计制作；另一个是自己学习设计开发虚拟仪器，这也是本书中后面所要介绍的重点内容从这里我们也得到了另外一个启示，通过学习和掌握虚拟仪器设计技术后，使得我们可以更加专心致志的关注于测量工作本身同时也会将测量工作按需求安排的更有序、更合理、更快捷1-

1.3虚拟仪器定义前面我们介绍了虚拟仪器的概念和构成，但没有给出虚拟仪器的确切的定义其实到目前为止，对于虚拟仪器的定义还没有一个完整统一的说法正因为如此，我们才将这部分内容放到这里来讨论在NI的许多文档中我们都可以看到这样的说法LabVIEW程序又称虚拟仪器，即VI,其外观和操作均模仿现实仪器，如示波器和万用表每个VI都使用函数从用户界面或其它渠道获取信息输入，然后将信息显示或传输至其它文件或计算机〃而在清华大学出版社2008年出版黄松岭等编著的《虚拟仪器设计基础教程》

[1]一书中的第

3.1节中也谈至U目前对于虚拟仪器的概念还没有统一定义书中还提到了NI公司认为虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统我们在前面多次提到虚拟仪器的核心就是基于计算机的测试、测量和自动化仪器系统用它来给虚拟仪器做定义比较合适，理由如下1,从虚拟仪器的词性上看虚拟仪器表示的是仪器的一个种类，并非特指某种特定的仪器在虚拟仪器的概念出现后，人们称此前的仪器为“传统仪器〃所以从词性上看二者是相同的，都是用来表示某一类仪器虚拟仪器所表示的仪器种类就是基于计算机的测试、测量和自动化控制仪器

2.从虚拟仪器的测量特性上看无论传统仪器还是虚拟仪器从所具备的同一测量特性上看应该都是一样的只不过是制造实现的原理和方法不同传统仪器是由专业的仪器制造商来制造的；而虚拟仪器则是由掌握虚拟仪器技术的专业人员来设计开发完成的从测量结果来看，对于同一被测量，同样功能的测量仪器，无论是传统仪器还是虚拟仪器的测量结果都应该是相同的所以我们在评价仪器的测量特性时他们的技术性能也应该是一样的

3.基于计算机的测试、测量和自动控制仪器本身就包含了软件和硬件因为基于计算机的测试、测量和自动控制仪器本身就包含了软件和硬件部分，所以不必特意强调”软件就是仪器或铝更件模块”的作用正是基于计算机上实现测量，所以传统仪器前面板上的许多硬件都可以通过软件来模拟实现比如像前面版上的按键、开关、图形指示器、旋钮等等这种方式必定会大大降低测量仪器的成本，并提高了仪器的使用寿命，同时也大大提高了开发效率与传统仪器的最大不同是虚拟仪器的测量功能完全可以由用户来定义，并且修改起来也很方便。