虚拟仪器技术

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。

组成部分虚拟仪器技术的三大组成部分：

高效的软件软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。提供的行业标准图形化编程软件——LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，还提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C语言的LabWindows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等，均可满足客户对高性能应用的需求。

有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势1。

模块化的I/O硬件面对如今日益复杂的测试测量应用，已经提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394总线，都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。

用于集成的软硬件平台专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。

PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。

优势虚拟仪器技术的四大优势：

性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

扩展性强这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性2。

应用实例概述阿尔卡特美国公司是全球领先的世界上电信设备制造商领导者之一。位于加州佩塔卢马的接入部，开发Litespan接入平台一种光纤数字环路载波（DLC）。DLC能够将电话公司中心机房普通铜线上的电话业务传递到更远的地方。通过LabVIEW，在相对短的时间内开发了一个全面测试方案。同时测试对每个信道单元的16个ANSI要求的环路和4条ISDN线路的一个信道单元进行测试时，每项测试所花费的时间为12分钟。由于一些信道单元需要测试某个温度范围内的状况，因而整个测试需要几天的时间。

Allen Klein美国阿尔卡特公司Litespan硬件质量部的一位工程师，在程序中增加了一项功能，使得测试可以全天进行，甚至在周末也行。这项功能极大地扩展丰富了测试平台，提高了测试效率。

虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体。

虚拟仪器是由计算机硬件资源和用于数字分析与处理、过程通讯以及图形界面的软件组成的测控系统，它把仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，也就是说传统测试中使用厂家生产的仪器，仪器的性能及功能在出厂时已被厂家定义，用户只能根据自己的要求和需要选择和使用；而虚拟仪器是在一定的硬件基础上，用户可根据测试的需求，编写软件定义自己的仪器功能。同样的硬件配置可开发出不同的仪器，例如在仪器面板上显示采集信号在时域的波形，那么该仪器为虚拟示波器；如果在程序中对采集信号进行FFT变换，那么该仪器就是虚拟频谱分析仪。笔者则用LabWindows/CVI来开发虚拟经纱张力测试仪，用来测试织机在工作时经纱张力的变化情况。

经纱张力传感器织机在织造过程中，经纱动态张力对织造的，顺利进行有着很大的影响，张力过大，易引起断头，影响织造效率；张力不足易造成梭口不清，形成三跳疵点，使布面及纹路不够清晰。当经纱穿过轴时，经纱对两侧传力杆有压力，通过传力杆将压力传给弹性梁，使之产生应变，利用应变片将其应变转化为电阻的变化，然后再通过转化电路将电阻的变化转化为电压的变化，测量出电压值，根据传感器的标定就可求出相应的经纱张力。

虚拟经纱张力测试仪系统系统结构

虚拟经纱张力测试仪的测试系统由传感器、数据采集卡、接口总线、硬件驱动程序和开发的测试软件构成，数据采集卡采用6024E，LabWindows/CVI平台开发测试软件，在Windows98操作系统下运行。

信号采集

由于要测出经纱张力与主轴转角的关系，所以用了3个传感器。传感器1是经纱张力传感器，把经纱张力物理信号转化为电信号；传感器2是光电脉冲传感器，用来测量主轴转角；传感器3是霍尔传感器，将霍尔电压作为测量触发信号。各个传感器输出的信号都要经过一个信号调理电路对信号进行处理(如滤波、放大等)，从混合信号中取出待测的有用信号，送入数据采集卡，并要适合数据采集卡的电压范围，通过总线结构送进计算机进行处理。

数据采集借助软件来控制整个DAQ系统，包括采集原始数据、分析数据等，调理后的信号经多路开关在软件设定采样率的控制下，巡回采集并放大，再经采样与保持及A/D转换器单元被量化成数字信号，成为计算机可以处理的信号，由虚拟仪器软件对测试信号进行计算、分析、显示，并储存结果。

虚拟经纱张力测试仪的设计经纱张力测试仪的面板结构

虚拟经纱张力测试仪的面板右边的七个文本框输入内容，是用户根据实际测量的需求以及与采集卡的连接通道在开始测试前设定的。测量时，打开测试仪器开关，仪器就可以工作；按下采集数据，稍等几秒，面板上就会显示出经纱张力的波形图。保存数据就是对测量的原始数据、信号处理后的数据以及需要提供给用户的数据存取；读数据是读取事先已经测量的数据，然后在仪器面板上绘出曲线，这有利于事后分析；关闭仪器则退出测试状态。

虚拟经纱张力测试仪的软件

面板上的数据采集、关闭仪器、保存数据等命令按钮通过回调函数来实现各自的功能，整个源代码中数据采集的回调函数caiji是程序的关键。

虚拟经纱张力测试仪的应用用所设计的虚拟经纱张力测试仪系统对YC—425型喷气织机测试，织机主轴每转一转，经纱张力周期变化一次，在0°附近，经纱张力最大，有利于打纬，最小张力出现在280°附近。在理论上来讲，下一个最大值出现在开口满开的位置，且一般只有两个峰值，在曲线上除了打纬点外，还有两个峰值，这说明在后梁装有张力缓解机构。最小张力也就是经纱的上机张力曲线的重复性不很好，说明织机工作状况不够稳定。

虚拟仪器技术发展现状虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器技术已经普遍被应用于测试行业，甚至自动化、石油钻探和提炼、生产中的机器控制等领域。

传统仪器在测量测试领域发挥着重要作用，但是同时也存在着诸多问题，如灵活性不够，精度不够高。而虚拟仪器解决了这些问题，更具有灵活性，同时性能和精度进一步提升，而甚至解决了传统仪器无法实现的测量，其可扩展性和低成本让厂商对虚拟仪器越来越重视。使用基于软件配置的模块化仪器很好的解决了资源配置和重复等问题，是未来仪器发展的主流方向。

虚拟仪器技术利用了快速发展的PC架构，高性能的半导体数据转换器，以及引入了系统设计软件，使得在提升了技术能力的同时降低了成本。尤其是随着PC性能的不断提升，使得虚拟仪器技术也快速发展起来，并实现了更多的新应用。

高性能、低成本的A/D和D/A转换器的出现和发展，也推动了虚拟仪器技术的发展。虚拟仪器技术硬件可以利用大量生产的芯片作为测量的前端组件。系统设计软件也成为虚拟仪器技术发展的一大动力，而采用图形化的数据流语言的LabVIEW也被广泛应用其中。

虚拟仪器技术的扩展功能越来越强大，能够在PC上开发测试程序，在嵌入式处理器和FPGA(现场可编程门阵列)上设计硬件等。这些为用户设计测试系统，定义硬件功能等提供了一个独立环境。因此虚拟仪器以其众多优势逐渐取代传统仪器发挥着重要作用，其应用领域将会越来越广泛。

结束语虚拟仪器是今后仪器仪表、测试控制研究与发展的方向，用NI公司的LabWindows/CVI作为软件开发平台，比常用的面向对象软件编程难度大大降低，使得软件开发效率高，界面友好，功能强大，且扩展性好，对采集到的数据可用于高级分析库进行信号处理，也可以为了使所得测试曲线符合实际情况，进行拟合处理。总之，虚拟仪器有强大的功能，它强调“软件就是仪器”，用软件代替硬件，易开发、易调试，可有效节约资金。

虚拟仪器开发的软件平台LabVIEW是美国国家仪器公司(National Instruments)推出的图形化软件编程平台，它是一种基于图形的程序设计语言G语言构成的，它可用来进行数据采集和控制、数据分析和数据表达。它是一种结构化解释型开发平台。

(1)LabVIEW 使用“所见即所得” 的可视化技术建立人机界面。针对测试和过程控制领域，Lab-VIEW 提供了大量的仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、图表等。用户还可以通过控制编辑器将现有的控制对象修改成适合自己工作领域的控制对象。

(2)LabVIEW 使用图标表示功能模块，使用图标间的连线表示在各功能模块间的数据传递, 使用为大多数工程师熟悉的数据流程图式的语言书写源程序代码, 这样使得编程过程与思维过程非常相似。

(3)LabVIEW 提供程序调试功能, 可以在源代码中设置断点、单步执行源代码、在源代码中的数据流连线上设置探针, 观察程序运行过程中数据流 的变化等。

(4)LabVIEW 提供了大量的函数库供用户直接调用。从基本的数学函数、字符串处理函数、数组运算函数和文件输入输出函数到高级的数字信号处理函数和数值分析函数。从底层的VXI 仪器、数据采集板和总线接口硬件的驱动程序到世界各大仪器厂商的GPIB 仪器的驱动程序，LabVIEW 都有现成的模块帮助用户方便迅速组建自己的应用系统。

(5)LabVIEW 提供DLL 库接口和CIN 节点来使用户有能力在LabVIEW 平台上使用其它软件平台编译的模块。因此LabVIEW 是一个开放式的开发平台，用户可在该平台上使用其它软件开发平台生成的模块3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学