虚拟仪器及其应用

刘培培

（深圳第二职业技术学校 广东 深圳 5180 00 ）

在科学实验与生产实践中，一项十分重要的工作就是进行各种测量，要用到各种仪器设备，随着信息技术的发展，测量仪器越来越多地与计算机相融合，使测量仪器发生了翻天覆地的变化，虚拟仪器正是在这样一个背景下应运而生的，它正以崭新的面貌，无比的生命力，改变着测量仪器的现状．

1 测量仪器的发展过程

测量早在原始社会后期就已经开始，当时由于生产、生活的需要，尤其是商品交换的需要，先民们开始对数和量有了认识，但当时的测量处在以人体器官或指定自然物为标准的初级阶段，“手扎测长”、“迈步定亩”、“捧粟为升”而已，手扎步长因人而异，捧大捧小松紧不一，随机性很强，难言标准统一．随着社会的发展，技术的进步，经历秦统一后的勘定度量衡，之后，经过漫长的演变，需要测量的内容越来越多，测量器具越来越丰富，对测量设备的要求越来越高，测量方法和手段也越来越完善，经历了一个从定性到定量，从估测到精准，从单一测量到复合测量，从独立仪器到仪器系统的发展过程．进入近代以后，随着技术的进步与日益增多的世界性交流，计量单位进一步国际化、标准化，制定了通用的公制标准，新的测量仪器不断涌现，大大促进了科学技术的发展．

随着电子技术与传感技术的发展，测量仪器进入“电子测量”时代，将非电学量通过传感器转换成电学量，再经过电子线路和数据处理得到测量结果，使测量变得更为直观、方便，更便于信号的传输与控制，比如，激光测距、红外测温、电子称重乃至卫星定位，都是电子测量的精彩案例．

电子测量仪器的发展，大体经历了四个时代，第一代，是基于电磁效应机械指针式显示的模拟测量仪器；第二代，是将模拟信号转化为数字信号进行测量，并以数字方式作为输出显示的数字化仪器；第三代，是将微处理器内置嵌入仪器系统中，使之具有一定自动测试和数据处理功能的智能化测量仪器；第四代，是将仪器置于计算机中，以其强大的软硬件功能，作为信号处理、仪器控制和结果表达的虚拟仪器．

虚拟仪器是计算机技术、通信技术乃至网络技术飞速发展的产物，是全新测试理论和方法的结晶，使测量仪器从概念、结构到形式产生了突破性变化，是一种全新的与计算机融为一体的新型测量仪器．

2 虚拟仪器的基本组成与原理

虚拟仪器，充分利用计算机强大的软硬件功能，把仪器做在计算机里，通过程序设计实现传统仪器的功能．其虚拟的含义表现在两个方面，一是仪器面板，不再像传统仪器那样，由各种具体的、独立的实体器件所组成，而是通过计算机显示器，由可视化组件构成，这些组件是相应软件系统提供的，随时即可调用与更换，完全虚拟替代了比如按钮、开关、表头、示波器等实体器件与仪表；其二是测量功能的实现，不再像传统仪器那样，通过一定的电子线路达到测量目的，而是通过编写软件程序来实现．虚拟仪器的功能指标、数据处理、显示方式、信息控制等完全交由用户自行定义，通过程序设计来实现，在一定意义上可以说“软件就是仪器”，大大增强了测量仪器的多样性、灵活性、易扩展性．虚拟仪器的基本结构如图1所示．

图1 虚拟仪器的基本组成

其中“被测对象”就是千变万化的被测物理量，大多为非电学量；“信号调理”就是用传感器将非电学量转换成电学量被系统所感知，这些经调理转换后的电学量一般为连续变化的模拟量；“数据采集卡”的作用是通过一定的电子线路，将模拟量转换成计算机可以识别的数字量；“数据处理”既包括数值计算，也包括非数值数据的处理，数值计算就是通过一定的方法和手段（程序设计）将原始数据加工整理成系统需要的参量，这里要用到一些基本的物理原理和数学公式等，所谓非数值数据是指比如排序、分类、筛选、汇总、文字说明等非数值数据的处理；“虚拟仪器面板”是由可视化组件（控件）形成的在计算机屏幕上显示的界面，相当于传统仪器的面板．

在图1所示的框图中，“信号调理”和“数据采集”为外设模块，一般称为低端模块，随着传感器技术与微电子技术的发展，这两部分往往集成在一起，组成测试探头．“数据处理”与“虚拟仪器面板”是由计算机编程来完成的，称为高端模块或上位机，用以实现虚拟仪器的主体功能．最终通过相应的接口，将测试探头与计算机相连接，在一定驱动程序的支持下，便形成了虚拟仪器系统，与传统仪器一样用于实际测量．

3 虚拟仪器的主要特点

作为以计算机技术为基础的虚拟仪器，相对于传统仪器而言，具有如下主要显著特点．

（1）性能好、功能强、便于集成．传统仪器一般面板固定、功能单一、指标不变，对于复杂的测量，需要多台不同的仪器才能组成测量系统．而虚拟仪器可以根据需要设计成不同的面板，多种功能，不同指标，在一台计算机上，即可形成多层次、集成化的仪器系统，便于实现综合测量．

（2）更新快、易扩展、灵活性强．传统仪器如果要增加功能，提高指标，需要对面板、硬件模块进行重新设计，工艺复杂，造价昂贵，更改周期长，而虚拟仪器的面板样式、性能指标完全由用户自行定义，通过编写程序来实现，因此修改、更新周期短，升级改进方便快捷，便于功能拓展，具有很强的灵活性与可扩展性．

（3）具有强大的信息处理与控制功能．一般传统测量仪器测量数据是一回事，对这些数据进行处理是另一回事，往往需要单独进行，因此造成效率低下，而虚拟仪器由于与计算机合为一体，可以借助其强大的计算功能，进行即时处理与分析，做出相应判断，进行相关控制．

表1列出了虚拟仪器与传统仪器的区别．

表1 虚拟仪器与传统仪器的区别

可以看出，虚拟仪器与传统仪器相比，具有得天独厚的优势．

4 开发软件与虚拟仪器设计

虚拟仪器尽管可以用传统的编程软件V B，V C，D e l p h i等进行设计，但毕竟不是虚拟仪器专用软件，功能有限，难以构建．为了适应开发虚拟仪器的需要，许多专用软件应运而生，比如LabWindows／CVI，Measurement Studio for VB，LabVIEW 等开发平台，其中，尤以美国NI公司（National InstrumentsCorp）推出的实验室虚拟仪器工作平台LabVIEW，以其功能强大，可视化组件（控件）齐全，图形化编程方便倍受人们青睐．

LabVIEW是一种图形化的编程语言，又称G语言，使用这种软件编程时，基本上不用编写程序代码，取而代之的是程序框图或流程图，只需将代表各种功能的图标、图形进行逻辑组合即可构成相应虚拟仪器．系统由前面板和后面板两部分构成，前面板用来摆放控件形成仪器界面，后面板通过框图连线进行编程实现逻辑功能．

该软件的主要功能是构造虚拟仪器的高端部分，其低端部分的被测数据，一般可先用程序虚拟产生，调试成功后再用低端模块进行置换，形成实用测量系统，当然，这要安装必要的驱动程序作支撑，通过相应的接口与微机相连接．下面通过温度简单测量到监测系统的实现，说明编程过程，体验虚拟仪器的优势所在．首先从简单测温开始，其仪器面板与程序框图如图2所示．

图2 测温仪的仪器面板、程序框图与实测框图

这是一个简单的测温仪，其仪器面板（前面板）形象逼真，但与实际温度计相比较，其测温范围和精度可根据需要，通过修改温度计控件相关属性来设定，使测量更为精准，同时还增加了“当前温度”数字显示控件，使当前温度值直观显示，并添加了“停止”测量按钮，使用起来更加方便．其后面板的程序框图，为一条件循环结构，由“停止”按钮控制循环结束中断程序，温度值由随机函数产生，“时间延迟”函数控制温度测量的间隔．

如果将其功能扩展，改为温度自动监测系统，实现每隔一定时间间隔检测一个点，并描绘测温曲线，设定越限温度及记录超标温度点与时间，同时将这些数据转存到电子表格以备日后查询．如用传统仪器，需要添加示波器、记录仪、时钟等，还要用复杂的电子线路作支撑，才能组合成一个实际的测量系统，对原始数据的记录、整理与转存，也并非易事．而用虚拟仪器，只需在图2仪器面板的基础上，添加相应控件，并在后面板进行程序框图设计即可，修改后的仪器面板如图3所示．

图3 温度监测系统仪器面板

由图3所示的监测系统前面板可见，只在原来基础上，添加用于描绘曲线的“波形图表”，记录“超标次数”的显示控件，记录“超标温度”和“超标时刻”的数组控件，即形成了功能齐全的温度监测系统．另外，还添加了用于方便控制和美化界面的“开始”按钮、指示灯控件，以及显示当前日期／时间的显示控件，使系统功能更加丰富与完善．

其定时检测、越限温度与时间的记录等功能的实现，只需在后面板引入相应函数节点，与前面板控件在后面板的相应框图并进行必要连线，实现逻辑功能即可，如图4所示．

图4 温度监测系统程序框图

为了点击“开始”按钮使程序启动运行，程序的主体内容放置在以对“开始”按钮“按下鼠标”为触发条件的事件过程中，数据暂由随机函数模拟产生事后再由实测模块进行，定时检测的时间间隔由“时间延迟”函数给定，越限温度的设定借助条件结构框图限定，各种信息的显示，对前面板控件在后面板的图标，进行必要的逻辑连线形成．对相关数据转存到Excel电子表格功能的实现，是通过“写入电子表格文件”函数节点来实现的，由此对越限温度及时间，逐点自动进行存储，得以长期保留，大大方便了日后查阅与分析．程序框图设计完成后，一台虚拟仪器便告成功．如果必要，还可以进行信息传递并实现相关控制，也只需修改相应程序框图即可．

如此功能齐全的温度监测系统，只在简单测温程序的基础上，几经修改完成，使仪器性能按用户意愿越做越好，功能越来越强，这完全得益于计算机软硬件功能的强大，使虚拟仪器具有很强的灵活性和扩充性，这是传统测量仪器所无法比拟的．

5 虚拟仪器在物理教学中的应用

虚拟仪器作为一种新型的测量仪器方兴未艾，正改变着人们的传统观念和测试方法，它具有节省资金，便于远程测量与控制，以及适应复杂恶劣测试环境的明显优势，具有很强的现实意义与发展前景．

笔者认为，虚拟仪器在物理教学中的应用具有两个层面，一是对物理过程进行模拟，二是物理实验的实际测量．所谓物理过程模拟，是指对目前因受条件限制或过于复杂难以进行的实验，譬如，一些不可为实验、危害性实验、原理性实验或方案设计性实验等，尤其是抽象的物理过程，都可以借助计算机进行模拟，让学生了解认知物理过程，加深对物理规律的理解．利用虚拟仪器有便于组合、更新快、易扩展、灵活性强的特点及强大的信息处理与控制功能，很容易实现，而且人机界面友好，操作方便，便于通过投影进行课堂演示与教学．对用于物理实验的实际测量已不再遥远，目前实验室一些用计算机作显示终端的仪器，大多具有虚拟仪器的影子，应该有意识地向学生介绍虚拟仪器的知识，使他们认识、了解、学会使用虚拟仪器，有条件的学校，完全可以根据需要自行设计虚拟仪器，尤其是设计性实验，更适于虚拟仪器的开发与应用．

总之，虚拟仪器并不神秘，虚拟仪器就在身边，让我们共同努力，适应时代的发展，让虚拟仪器为实验教学服务，为生产实践服务，设计开发出更多、更好、更方便实用的虚拟仪器．

1 胡仁喜，等．LabVIEW 8．2．1虚拟仪器实例指导教程．北京：机械工业出版社，2008 ．2～6

2 王磊．精通LabVIEW．北京：电子工业出版社，2007 ．4～8