关键词：虚拟仪器 数据采集 Lab VIEW
前言
随着控制理论及电子和计算机技术的高速发展，为适应科研和生产中的需求，在检测技术领域出现了许多新的理论、新的技术和新的概念，虚拟仪器由此而生。
虚拟仪器（VIRTUAL INSTRUMENT）是指通过应用程序将计算机与功能硬件（完成信号获取、转换和调理的专用硬件）结合起来从而把计算机的强大运算存储和通信能力与功能硬件的测量和转换能力融为一体，形成一种多功能，高精度，可灵活组合并带有通信功能的测试技术平台。
在电子测量中它可以代替传统的示波器，逻辑分析仪、信号发生器和频谱分析仪等，在工业控制系统中所有以计算机为核心的自动化装置也都可以归纳到虚拟仪器的范围内，哪它可以代替通常安装在控制室中的常规调节器、手操器、指示仪和报警器等。在使用虚拟仪器时，用户可通过显示屏上的友好界面来操作计算机，就像在操作自己定义的一台台传统的仪器仪表一样，从而完成对被测量的采集、分析、判断、调节和存储等功能。
一、 虚拟仪器的发展历史
虚拟仪器技术的开发和应用起源于1986年美国车家仪器公司（NI）设计的Lab VIEW软件，这是一种基于图形的开发、调试和运行的软件平台。它实现了NI公司提出的“软件即仪器”的理念。虚拟仪器的发展大致可分为三个阶段，第一阶段是利用计算机来增强传统仪器的功能，由于通用接口总线GPIB标准的确立，计算机与外部仪器通信成为可能，因此把传统的仪器通过串行口和计算机连接起来后就可以用计算机控制仪器了。第二阶段主要在功能硬件上实现了了大技术进步，其一是插入计算机总线槽上的数据采集（PLUG-IN PC-DAQ）的出现，其二是VXI仪器总线标准的确立，这些新技术的应用奠定了虚拟仪器硬件的基础。第三阶段形成了虚拟仪器体系结构的基本框架，这主要是由于采用面向对象的编程技术构筑起了几种虚拟仪器的平台，并逐渐成为标准的软件开发工具，由于虚拟仪器技术的飞速发展，这三个发展阶段几乎是同步进行的。
二、 虚拟仪器的结构和硬件
虚拟仪器一般由计算机、功能硬件模块和应用软件三大功能部件组成，它们之间通过标准总线进行数据交换，虚拟仪器的构成如图1所示：
图1：虚拟仪器的组成
较常用的虚拟仪器系统通常是经过信号调理的数据采集系统;带有通用仪器总线（GPIB）的测试系统;VXI仪器测试系统以及它们三者之间的任意组合。
一个典型的数据采集虚拟仪器系统由信号获取、信号调理、数据采集和数据处理四部分组成，如图2所示。
图2：数据采集虚拟仪器系统方块图
一个好的数据采集系统不仅应具备高性能和高可靠性，还应提供完善的驱动程序以及通用的高级语言接口只有这样才能为用户快速建立自己的应用系统提供最大的便利。目前由于多层电路板技术，可编程放大器技术，系统定时控制器技术，高速数据采集的双缓冲技术以及为数据高速传输的中断、DMA等高新技术的应用，使得新型的数据采集卡在各项性能指标上都达到了很高的标准。
三、虚拟仪器的软件开发平台
软件是虚拟仪器的核心，而目前软件开发平台主有以下几种：美国国家仪器公司（NI）的LAB VIEW，LAB WINDOWS/CVI，HP公司的VEE等。虚拟仪器完全符合国际上流行的“硬件软件化”的趋势，因而也被称为“软件仪器”。
NI公司不仅能向用户提供构成虚拟仪器系统的各种硬件如数据采集板卡、各种GPIB仪器和VXI仪器产品，而且还可提供一种编译型图形化编程软件LAB VIEW。它把复杂、繁琐的语言编程简化为用菜单或图标提示的方法进行图形功能的选择，然后用线条把功能图连接起来即可完成编程工作。
具有C语言编程经验的用户可以使用NI公司另一种虚拟仪器软件开发平台语言LAB WINDOWS/CVI，使用它可以简化程序开发，提高编程速度。
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出，软件才是整个系统的关键，系统所有的功能主要是由软件来实现的，任何一个用户都可以用修改软件的方法很方便地改变、增减系统的功能与规模，构筑自己需要的通用的或有特色的测试平台。
四、与传统仪器的区别
虚拟仪器与传统仪器的区别在于，传统仪器功能单一，并由制造厂定义，因此它系统封闭、功能固定、扩展性低，由于信息量少，因此一般都是人工读数、手工生成测试报告。而虚拟仪器则相反，它的功能完全可由用户自己编程加以定义和组态，并形成适合用户需要的专用测试系统。此外它还可以实现多媒体操作符指令;时间标记和测量注释;测量关联和趋势分析等多种功能，最重要的是它可以实现可编程全自动测试和结果自动分析等功能。在性能价格比方面它也具有优势。虚拟仪器可以广泛应用于工程测量、物矿勘探、生物医学、振动分析和故障诊断等科研和工程领域，目前在过程工业中大量使用的计算机监控系统等也可以认为是虚拟仪器。
五、基于虚拟仪器的温度校准系统
与常规的温度校准系统不同，虚拟仪器系统的核心是一台计算机，它的功能硬件是一台带有GPIB接口的高精度数字多用表和一台温度调节器。加热控制顺路是强电的可控硅元件及触发电路，它接收温度调节器的指令信号去调节检定炉中加热元件的电压值。如果增加电子自动切换开关，可实现同炉中多支热电偶温度计的自动校准工作。
虚拟仪器的软件采用Lab VIEW，它采用数据流程的图形化C语言编程技术，把复杂费时的软件编程简化为菜单提示和图标连接调用，虚拟仪器要完成的工作是：
Ø 检定炉的温度场所控制与校准平衡点的确认。计算机通过与数字多用表和温度调节器的数据通信，接收温度场信号，输出控制指令，按不同的要求在显示屏上的用户界面中设定恒温控制给定值、超限报警值等，并对平衡温度点的稳定判据给出指标。计算机则按一定的调节规律和判别算式进行工作。
Ø 在温度平衡点，通过电子自动切换开关和数字多用表采集有效的温度数据。计算计算机通过总线取得这些数据并进行前置处理，即去除数据中的具有疏忽误差和系统误差的数值。
Ø 实时显示控温曲线和校准比对曲线。对有效数据进行计算和不确定度的评定，最后输出检定报告。所有的原始数据和最后结果都输入数据库中加以存储。
基于虚拟仪器的温度校准系统完全能满足在温度校准实验室中对不同温度计使用不同标准设备进行校准检定的要求。它利用一套硬件设备，使用不同的软件就可以满足各种温度和各个温度段对校准的要求，并具有高精度、高效率和全自动的特点，它是现代温度计量室校验设备发展的方向。
六、小结
虚拟仪器实质上是一个计算机测试系统，它能够完成传统仪器的所有功能，在人机界面和操作方式上保持了传统仪器的模式，只不过仪器的面板是在显示屏上看到的，仪器的按钮操作是通过鼠标点击完成的，显示屏上的报警灯也同样可以闪烁。但虚拟仪器更加灵活方便，功能更加强大，并可按需要构成任意的测试系统。虚拟仪器的远程网络化也是它的一个发展方向测量信号经过网络的传输可实现资源共享、异地或远程控制、数据采集和故障监测等功能。
