虚拟仪器的现状及发展前景
摘 要:虚拟仪器是未来仪表仪器发展的一个主要方向,有广阔的发展空间。介绍了虚拟仪器的概念及与传统仪器的区别,并对虚拟仪表的研究现状和发展趋势作了详细的论述。
关键词:虚拟仪器 仪表 总线
中图分类号:TH7文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)10(c)-0108-01
计算机技术的发展,尤其80年代初微机出现以来,以及近些年来的PC机和工作站的性能不断提高,价格不断降低,给各个行业带来了新的机遇和活力。虚拟仪器就是一个典型的例子。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。虚拟仪器技术是把计算机技术和仪表仪器技术完美地结合起来,利用现有计算机资源,配以独特设计的软硬件,实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。
1 虚拟仪器的现状
进入新世纪以来网络化,智能化,虚拟化等高科技技术已成为现代仪器最主要的特征和发展趋势。传统仪器工作时,我们有时为了完成某项测试和维修任务,需要许多仪器。如:信号源,示波器,频率计,电压表,频谱分析仪等许多仪器来测量。这么多的仪器不但价格昂贵、体积大、占用空间,而且各种仪器互联性差,不能相互之间交换数据,分析数据。造成仪器的利用率低,协同效果不能很好的发挥出来。虚拟仪器的产生,彻底改变了这样的状况,只需要PC机或者工作站、仪器插件、计算机应用程序就可以完成上述的功能。虚拟仪器在某种程度上能够替代现有的多数设备。虚拟仪器是以计算机为核心,充分利用计算机强大的显示、处理、存储能力来模拟物理仪器的处理过程。虚拟仪器的关键是软件的开发,通过应用软件,根据不同的需要,可以实现不同测量仪器的功能。目前,虚拟仪器软件开发以美国国家仪器公司(NI)开发的软件产品LabView图形编程环境和Lavwindows/CVI面向仪器的交互式C语言最为著名。现在流行的虚拟仪器软件的主要特点是:用户自定义性能强、功能规范、用户界面非常友好而实现的功能和实际的仪器不相上下,而且能够增加传统仪器无法实现的其他的功能。通过虚拟仪器,工业设备变得越来越简单,但是功能越来越强,这个趋势将在未来的工业发展中起到主导的作用。
2 虚拟仪器的发展趋势
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。
2.1 与计算机的结合更加紧密,集成化程度更高
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。
2.2 仪器接口更加灵活,可组建不同接口总线的系统
虚拟仪器的突出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;PC-DAQ、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。
2.3 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。
2.4 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。
2.5 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 小结
虚拟仪器技术在发达国家的应用已非常普及,而我国发展还比较缓慢。虚拟仪器作为一种以计算机软件为核心的新型仪器系统,它具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点。它作为一个全新的、有朝气的领域,具有广阔的发展空间。随着计算机的软硬件、通信技术和网络技术等相关技术的发展,虚拟仪器最终将会取代大量的传统仪器,成为测量、分析处理、控制等仪器的核心技术。
参考文献
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①作者简介:王新波(1986-),男,(汉),陕西榆林人,在读硕士研究生,研究生管理大队军事通信专业。
朱维杰(1971-),男(汉),武警工程学院副教授,硕士研究生导师,博士,陕西西安人,通信工程系水声工程。