虛擬實驗室和虛擬儀器

　　虛擬儀器( VI - Virtual Instrumentation )是指通過應用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化硬件結合起來，用戶可通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像在操作自己定義、自己設計的一臺單個儀器一樣，從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等。
　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實驗室虛擬儀器工程平臺）是NI公司的圖形化、交互式的編程設計環(huán)境,為虛擬儀器提供了實現(xiàn)途徑。本文首先在設計虛擬示波器的基礎上，熟悉Labview編程原理。然后結合固體電介質(zhì)的體電阻和表面電阻測量實驗編制了一套實驗室虛擬儀器系統(tǒng)。該虛擬儀器包括前面板和框圖程序兩個部分，前面板是跟用戶進行信息交換界面，框圖程序相當于傳統(tǒng)儀器的內(nèi)部結構，它對用戶來說是透明的。前面板又可以分為兩個部分：控制部分和顯示部分。前面板編制完成后，在框圖程序中將數(shù)據(jù)發(fā)生模塊、處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊按照儀器的內(nèi)部結構連接起來。最后將網(wǎng)絡協(xié)議TCP/IP添加到數(shù)據(jù)發(fā)生模塊中，這一儀器就可以通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)采集，完成實驗。
　　20世紀80年代中期，美國國家儀器公司（National Instrument簡稱NI）首先提出了“軟件就是儀器”（The Software is the Instrument）這一虛擬儀器概念。這個概念為用戶定義、構造自己的儀器系統(tǒng)提供了完美的解決途徑。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器。當硬件平臺I/O接口設備與計算機確定后，編制某種測量功能的軟件就成為該種功能的測試儀器。因為虛擬儀器可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡及其他周邊設備互聯(lián)，用戶只需改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴展增強它的測量功能。這就是說，儀器的設計制造不再是廠家的專利。虛擬儀器開創(chuàng)了儀器使用者可以成為儀器設計者的時代，這將給儀器使用者帶來無盡的收益。
　　虛擬儀器從概念的提出到目前技術的日趨成熟，體現(xiàn)了計算機技術對傳統(tǒng)工業(yè)的革命。大致說來，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個階段，而這三個階段又可以說是同步進行的。
　　第一階段利用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能。由于GPIB總線標準的確立，計算機和外界通信成為可能，只需要把傳統(tǒng)儀器通過GPIB和RS-232同計算機連接起來，用戶就可以用計算機控制儀器。隨著計算機系統(tǒng)性能價格比的不斷上升，用計算機控制測控儀器成為一種趨勢。這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線前進。
　　第二階段開放式的儀器構成。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術進步：一是插入式計算機數(shù)據(jù)處理卡 ( plug-in PC-DAQ )；二是VXI儀器總線標準的確立。這些新的技術使儀器的構成得以開放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶定義和供應商定義儀器功能的區(qū)別。
　　第三階段虛擬儀器框架得到了廣泛認同和采用。軟件領域面向?qū)ο蠹夹g把任何用戶構建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來。許多行業(yè)標準在硬件和軟件領域以產(chǎn)生，幾個虛擬儀器平臺已經(jīng)得到認可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標準工具。發(fā)展到這一階段，人們也認識到了虛擬儀器軟件框架才是數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的關鍵。
　　在虛擬儀器技術發(fā)展中有兩個突出的標志，一是VXI總線標準的建立和推廣；二是圖形化編程語言的出現(xiàn)和發(fā)展。前者從儀器的硬件框架上實現(xiàn)了設計先進的分析與測量儀器所必須的總線結構，后者從軟件編程上實現(xiàn)了面向工程師的圖形化而非程序代碼的編程方式，兩者統(tǒng)一形成了虛擬儀器的基礎規(guī)范。
　　要保證虛擬儀器具備與傳統(tǒng)儀器匹配的實時處理能力和可靠性，很重要的一點是取決于傳輸測量數(shù)據(jù)的總線結構。在虛擬儀器中，其分析功能是由計算機來完成的或由計算機來控制的。因此，接口、總線的速度和可靠性是關鍵，VXI總線標準的建立，使得用戶可以像儀器廠商一樣，從訪問寄存器這樣的低層資源來設計和安排儀器功能，也使得用戶化儀器功能設計得以實現(xiàn)。
　　VXI總線的出現(xiàn)，使得虛擬儀器設計有了一個高可靠性的硬件平臺。目前已出現(xiàn)了用于射頻和微波領域的高端VXI儀器。當然，采用普通PC總線，尤其是工業(yè)PCI總線的虛擬儀器也在不斷發(fā)展，這類虛擬儀器主要面向一般工業(yè)控制，過程監(jiān)測和實驗室應用。
　　除了硬件技術外，軟件技術的發(fā)展和有關國際標準的建立，也是推動虛擬儀器技術發(fā)展的決定性因素之一，在GPIB接口總線出現(xiàn)以后，關于程控儀器的句法格式、信息交換協(xié)議和公用命令的標準化，一直是人們關心的問題。標準程序命令（SCPI）標準的建立，向解決程控命令與儀器廠家無關這一目標邁進了重要的一步。
　　隨著虛擬儀器思想的深入，用戶自己開發(fā)儀器驅(qū)動器已成為技術發(fā)展的客觀要求。過去儀器驅(qū)動都是由儀器廠家專門設計的，缺乏標準，使得用戶在儀器軟件方面的投資得不到保護。為此，國際上專門制定了虛擬儀器軟件體系（VISA）標準，建立了與儀器接口總線無關的標準I/O軟件，與Labview、HPVEE、Labwindows等先進開發(fā)環(huán)境軟件相適應。開發(fā)一個用戶定制的虛擬儀器在軟件技術上已經(jīng)成熟?？梢灶A計，未來電子測量儀器和自動化測試技術的發(fā)展還將更多地滲透虛擬儀器的思想。
　　與傳統(tǒng)儀器一樣，它同樣劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結果三大功能模塊（如圖所示）。虛擬儀器以透明方式把計算機資源和儀器硬件的測試能力結合，實現(xiàn)儀器的功能運作。
　　應用程序?qū)⒖蛇x硬件 ( 如GPIB、VXI、RS-232、DAQ ) 和可重復使用源碼庫函數(shù)等軟件結合起來實現(xiàn)模塊間的通信、定時與觸發(fā)，源碼庫函數(shù)為用戶構造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。當用戶的測試要求變化時，可以方便地由用戶自己來增減軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足現(xiàn)有系統(tǒng)的測試要求。
　　所以，虛擬儀器是由用戶自己定義、自由組合的計算機平臺、硬件、軟件以及完成系統(tǒng)所需的附件，而這在由供應商定義、功能固定、獨立的傳統(tǒng)儀器上是達不到的。
　　虛擬儀器的組成
　　虛擬儀器系統(tǒng)的構成有多種方式，主要取決于系統(tǒng)所采用的硬件和接口方式，其基本構成如圖所示。
　　虛擬儀器的功能
　　虛擬儀器是虛擬技術的一個重要組成部分，是由計算機技術、測量技術和微電子技術高速發(fā)展而孕育出的一項革命性技術。虛擬儀器系統(tǒng)的概念不僅推進了以儀器為基礎的測控系統(tǒng)的改造，同時也影響了以數(shù)據(jù)采集為主的測控系統(tǒng)的傳統(tǒng)構造方法的進化。過去獨立分散、互不相干的許多領域，在虛擬儀器系統(tǒng)的概念之下，正在逐漸靠攏、相互影響，并形成新的技術方法和技術規(guī)范。
　　虛擬儀器系統(tǒng)的概念是測控系統(tǒng)的抽象。不管是傳統(tǒng)的還是虛擬的儀器，它們的功能都是相同的：采集數(shù)據(jù)，對采集來的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后顯示處理的結果。它們之間的不同主要體現(xiàn)在靈活性方面。虛擬儀器由用戶自己定義，這意味著您可以自由地組合計算機平臺、硬件、軟件、以及各種完成應用系統(tǒng)所需要的附件。它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)；可自由構建成專有儀器系統(tǒng)。它由計算機、應用軟件和儀器硬件組成。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底改變了傳統(tǒng)的儀器方法，開辟了測控技術的新紀元。而這種靈活性在由供應商定義、功能固定、獨立的傳統(tǒng)儀器上是達不到的。這一創(chuàng)新使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣，受到儀器廠商的限制。
　　我們常見到硬件工程師的工作臺上堆砌著紛亂的儀器，交錯的線纜和繁多待測器件。然而在集成的虛擬測量系統(tǒng)中，我們見到的是整潔的桌面、條理的操作，不但使測量人員從繁復的儀器堆中解放出來，而且還可實現(xiàn)自動測量、自動記錄、自動數(shù)據(jù)處理。不但方便之極，而且設備成本大幅降低。
　　虛擬儀器包括硬件和軟件兩個基本要素。硬件的主要功能是獲取真實世界中的被測信號，可分為兩類：一類是滿足一般科學研究與工程領域測試任務要求的虛擬儀器。最簡單的是基于PC總線的插卡式儀器，也包括帶GPIB接口和串行接口的儀器；另一類是用于高可靠性的關鍵任務，如航空、航天、國防等應用的高端VXI儀器。虛擬儀器系統(tǒng)將不同功能、不同特點的硬件構成為一個新的儀器系統(tǒng)，由計算機統(tǒng)一管理、統(tǒng)一操作。軟件的功能定義了儀器的功能。因此，虛擬儀器最重要、最核心的技術是虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。作為面向儀器的軟件環(huán)境應具備以下特點：一是軟件環(huán)境是針對測試工程師而非專業(yè)程序員，因此，編程必須簡單，易于理解和修改；二是具有強大的人機交互界面設計功能，容易實現(xiàn)模擬儀器面板；三是具有強大的數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)可視化分析功能，提供豐富的儀器總線接口硬件驅(qū)動程序。
　　與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價格比、可操作性等方面都具有明顯的技術優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：
　?。ǎ保┲悄芑潭雀?，處理能力強。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。
　　（２）復用性強，系統(tǒng)費用低。應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數(shù)字采樣器，可設計出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、系統(tǒng)費用更低。通過與計算機網(wǎng)絡連接，還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。
　?。ǎ常┛刹僮餍詮?。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡發(fā)送。測量完后還可打印，顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高。
從虛擬儀器的定義來說，它更多地強調(diào)軟件在儀器中的應用，但虛擬儀器仍離不開硬件技術的支持，信息的獲取仍需要通過硬件來實現(xiàn)。目前，虛擬儀器的類型主要取決于儀器所采用的接口總線類型。從儀器與計算機采用的總線連接方式的不同，可分為內(nèi)插卡式和外接機箱式兩大類。內(nèi)插卡式就是將各種數(shù)據(jù)采集卡插入計算機擴展槽，再加上必要的連接電纜或探頭，就可形成一個儀器。外接機箱式采用背板總線結構，所有儀器都連接在總線上或采用外總線方式，用外部主控計算機來實現(xiàn)控制。這種類型的虛擬儀器以VXI儀器為典型代表。無論哪種虛擬儀器，都離不開數(shù)據(jù)采集硬件的支持。
　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能模塊如圖所示。使用模塊化的設計思想完成特定任務，會使用戶程序的重新組織易于控制和實現(xiàn)。
設計虛擬儀器的過程與主要工作內(nèi)容就是編制應用軟件的過程。設計虛擬儀器必需有合適的軟件工具。因此，提供應用軟件開發(fā)工具的軟件平臺技術也相應快速發(fā)展。
　　目前流行的軟件開發(fā)工具主要有兩類：文本式編程語言：如Visual C＋＋，Visual Basic，LabWindows／CVI等；圖形化編程語言：如LabVIEW，HPVEE等。