虛擬儀器及其應(yīng)用

劉培培

（深圳第二職業(yè)技術(shù)學(xué)校 廣東 深圳 5180 00 ）

在科學(xué)實驗與生產(chǎn)實踐中，一項十分重要的工作就是進行各種測量，要用到各種儀器設(shè)備，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，測量儀器越來越多地與計算機相融合，使測量儀器發(fā)生了翻天覆地的變化，虛擬儀器正是在這樣一個背景下應(yīng)運而生的，它正以嶄新的面貌，無比的生命力，改變著測量儀器的現(xiàn)狀．

1 測量儀器的發(fā)展過程

測量早在原始社會后期就已經(jīng)開始，當(dāng)時由于生產(chǎn)、生活的需要，尤其是商品交換的需要，先民們開始對數(shù)和量有了認(rèn)識，但當(dāng)時的測量處在以人體器官或指定自然物為標(biāo)準(zhǔn)的初級階段，“手扎測長”、“邁步定畝”、“捧粟為升”而已，手扎步長因人而異，捧大捧小松緊不一，隨機性很強，難言標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一．隨著社會的發(fā)展，技術(shù)的進步，經(jīng)歷秦統(tǒng)一后的勘定度量衡，之后，經(jīng)過漫長的演變，需要測量的內(nèi)容越來越多，測量器具越來越豐富，對測量設(shè)備的要求越來越高，測量方法和手段也越來越完善，經(jīng)歷了一個從定性到定量，從估測到精準(zhǔn)，從單一測量到復(fù)合測量，從獨立儀器到儀器系統(tǒng)的發(fā)展過程．進入近代以后，隨著技術(shù)的進步與日益增多的世界性交流，計量單位進一步國際化、標(biāo)準(zhǔn)化，制定了通用的公制標(biāo)準(zhǔn)，新的測量儀器不斷涌現(xiàn)，大大促進了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展．

隨著電子技術(shù)與傳感技術(shù)的發(fā)展，測量儀器進入“電子測量”時代，將非電學(xué)量通過傳感器轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，再經(jīng)過電子線路和數(shù)據(jù)處理得到測量結(jié)果，使測量變得更為直觀、方便，更便于信號的傳輸與控制，比如，激光測距、紅外測溫、電子稱重乃至衛(wèi)星定位，都是電子測量的精彩案例．

電子測量儀器的發(fā)展，大體經(jīng)歷了四個時代，第一代，是基于電磁效應(yīng)機械指針式顯示的模擬測量儀器；第二代，是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行測量，并以數(shù)字方式作為輸出顯示的數(shù)字化儀器；第三代，是將微處理器內(nèi)置嵌入儀器系統(tǒng)中，使之具有一定自動測試和數(shù)據(jù)處理功能的智能化測量儀器；第四代，是將儀器置于計算機中，以其強大的軟硬件功能，作為信號處理、儀器控制和結(jié)果表達的虛擬儀器．

虛擬儀器是計算機技術(shù)、通信技術(shù)乃至網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的產(chǎn)物，是全新測試?yán)碚摵头椒ǖ慕Y(jié)晶，使測量儀器從概念、結(jié)構(gòu)到形式產(chǎn)生了突破性變化，是一種全新的與計算機融為一體的新型測量儀器．

2 虛擬儀器的基本組成與原理

虛擬儀器，充分利用計算機強大的軟硬件功能，把儀器做在計算機里，通過程序設(shè)計實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能．其虛擬的含義表現(xiàn)在兩個方面，一是儀器面板，不再像傳統(tǒng)儀器那樣，由各種具體的、獨立的實體器件所組成，而是通過計算機顯示器，由可視化組件構(gòu)成，這些組件是相應(yīng)軟件系統(tǒng)提供的，隨時即可調(diào)用與更換，完全虛擬替代了比如按鈕、開關(guān)、表頭、示波器等實體器件與儀表；其二是測量功能的實現(xiàn)，不再像傳統(tǒng)儀器那樣，通過一定的電子線路達到測量目的，而是通過編寫軟件程序來實現(xiàn)．虛擬儀器的功能指標(biāo)、數(shù)據(jù)處理、顯示方式、信息控制等完全交由用戶自行定義，通過程序設(shè)計來實現(xiàn)，在一定意義上可以說“軟件就是儀器”，大大增強了測量儀器的多樣性、靈活性、易擴展性．虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 虛擬儀器的基本組成

其中“被測對象”就是千變?nèi)f化的被測物理量，大多為非電學(xué)量；“信號調(diào)理”就是用傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量被系統(tǒng)所感知，這些經(jīng)調(diào)理轉(zhuǎn)換后的電學(xué)量一般為連續(xù)變化的模擬量；“數(shù)據(jù)采集卡”的作用是通過一定的電子線路，將模擬量轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字量；“數(shù)據(jù)處理”既包括數(shù)值計算，也包括非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理，數(shù)值計算就是通過一定的方法和手段（程序設(shè)計）將原始數(shù)據(jù)加工整理成系統(tǒng)需要的參量，這里要用到一些基本的物理原理和數(shù)學(xué)公式等，所謂非數(shù)值數(shù)據(jù)是指比如排序、分類、篩選、匯總、文字說明等非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理；“虛擬儀器面板”是由可視化組件（控件）形成的在計算機屏幕上顯示的界面，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板．

在圖1所示的框圖中，“信號調(diào)理”和“數(shù)據(jù)采集”為外設(shè)模塊，一般稱為低端模塊，隨著傳感器技術(shù)與微電子技術(shù)的發(fā)展，這兩部分往往集成在一起，組成測試探頭．“數(shù)據(jù)處理”與“虛擬儀器面板”是由計算機編程來完成的，稱為高端模塊或上位機，用以實現(xiàn)虛擬儀器的主體功能．最終通過相應(yīng)的接口，將測試探頭與計算機相連接，在一定驅(qū)動程序的支持下，便形成了虛擬儀器系統(tǒng)，與傳統(tǒng)儀器一樣用于實際測量．

3 虛擬儀器的主要特點

作為以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬儀器，相對于傳統(tǒng)儀器而言，具有如下主要顯著特點．

（1）性能好、功能強、便于集成．傳統(tǒng)儀器一般面板固定、功能單一、指標(biāo)不變，對于復(fù)雜的測量，需要多臺不同的儀器才能組成測量系統(tǒng)．而虛擬儀器可以根據(jù)需要設(shè)計成不同的面板，多種功能，不同指標(biāo)，在一臺計算機上，即可形成多層次、集成化的儀器系統(tǒng)，便于實現(xiàn)綜合測量．

（2）更新快、易擴展、靈活性強．傳統(tǒng)儀器如果要增加功能，提高指標(biāo)，需要對面板、硬件模塊進行重新設(shè)計，工藝復(fù)雜，造價昂貴，更改周期長，而虛擬儀器的面板樣式、性能指標(biāo)完全由用戶自行定義，通過編寫程序來實現(xiàn)，因此修改、更新周期短，升級改進方便快捷，便于功能拓展，具有很強的靈活性與可擴展性．

（3）具有強大的信息處理與控制功能．一般傳統(tǒng)測量儀器測量數(shù)據(jù)是一回事，對這些數(shù)據(jù)進行處理是另一回事，往往需要單獨進行，因此造成效率低下，而虛擬儀器由于與計算機合為一體，可以借助其強大的計算功能，進行即時處理與分析，做出相應(yīng)判斷，進行相關(guān)控制．

表1列出了虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別．

表1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別

可以看出，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有得天獨厚的優(yōu)勢．

4 開發(fā)軟件與虛擬儀器設(shè)計

虛擬儀器盡管可以用傳統(tǒng)的編程軟件V B，V C，D e l p h i等進行設(shè)計，但畢竟不是虛擬儀器專用軟件，功能有限，難以構(gòu)建．為了適應(yīng)開發(fā)虛擬儀器的需要，許多專用軟件應(yīng)運而生，比如LabWindows／CVI，Measurement Studio for VB，LabVIEW 等開發(fā)平臺，其中，尤以美國NI公司（National InstrumentsCorp）推出的實驗室虛擬儀器工作平臺LabVIEW，以其功能強大，可視化組件（控件）齊全，圖形化編程方便倍受人們青睞．

LabVIEW是一種圖形化的編程語言，又稱G語言，使用這種軟件編程時，基本上不用編寫程序代碼，取而代之的是程序框圖或流程圖，只需將代表各種功能的圖標(biāo)、圖形進行邏輯組合即可構(gòu)成相應(yīng)虛擬儀器．系統(tǒng)由前面板和后面板兩部分構(gòu)成，前面板用來擺放控件形成儀器界面，后面板通過框圖連線進行編程實現(xiàn)邏輯功能．

該軟件的主要功能是構(gòu)造虛擬儀器的高端部分，其低端部分的被測數(shù)據(jù)，一般可先用程序虛擬產(chǎn)生，調(diào)試成功后再用低端模塊進行置換，形成實用測量系統(tǒng)，當(dāng)然，這要安裝必要的驅(qū)動程序作支撐，通過相應(yīng)的接口與微機相連接．下面通過溫度簡單測量到監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)，說明編程過程，體驗虛擬儀器的優(yōu)勢所在．首先從簡單測溫開始，其儀器面板與程序框圖如圖2所示．

圖2 測溫儀的儀器面板、程序框圖與實測框圖

這是一個簡單的測溫儀，其儀器面板（前面板）形象逼真，但與實際溫度計相比較，其測溫范圍和精度可根據(jù)需要，通過修改溫度計控件相關(guān)屬性來設(shè)定，使測量更為精準(zhǔn)，同時還增加了“當(dāng)前溫度”數(shù)字顯示控件，使當(dāng)前溫度值直觀顯示，并添加了“停止”測量按鈕，使用起來更加方便．其后面板的程序框圖，為一條件循環(huán)結(jié)構(gòu)，由“停止”按鈕控制循環(huán)結(jié)束中斷程序，溫度值由隨機函數(shù)產(chǎn)生，“時間延遲”函數(shù)控制溫度測量的間隔．

如果將其功能擴展，改為溫度自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)每隔一定時間間隔檢測一個點，并描繪測溫曲線，設(shè)定越限溫度及記錄超標(biāo)溫度點與時間，同時將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到電子表格以備日后查詢．如用傳統(tǒng)儀器，需要添加示波器、記錄儀、時鐘等，還要用復(fù)雜的電子線路作支撐，才能組合成一個實際的測量系統(tǒng)，對原始數(shù)據(jù)的記錄、整理與轉(zhuǎn)存，也并非易事．而用虛擬儀器，只需在圖2儀器面板的基礎(chǔ)上，添加相應(yīng)控件，并在后面板進行程序框圖設(shè)計即可，修改后的儀器面板如圖3所示．

圖3 溫度監(jiān)測系統(tǒng)儀器面板

由圖3所示的監(jiān)測系統(tǒng)前面板可見，只在原來基礎(chǔ)上，添加用于描繪曲線的“波形圖表”，記錄“超標(biāo)次數(shù)”的顯示控件，記錄“超標(biāo)溫度”和“超標(biāo)時刻”的數(shù)組控件，即形成了功能齊全的溫度監(jiān)測系統(tǒng)．另外，還添加了用于方便控制和美化界面的“開始”按鈕、指示燈控件，以及顯示當(dāng)前日期／時間的顯示控件，使系統(tǒng)功能更加豐富與完善．

其定時檢測、越限溫度與時間的記錄等功能的實現(xiàn)，只需在后面板引入相應(yīng)函數(shù)節(jié)點，與前面板控件在后面板的相應(yīng)框圖并進行必要連線，實現(xiàn)邏輯功能即可，如圖4所示．

圖4 溫度監(jiān)測系統(tǒng)程序框圖

為了點擊“開始”按鈕使程序啟動運行，程序的主體內(nèi)容放置在以對“開始”按鈕“按下鼠標(biāo)”為觸發(fā)條件的事件過程中，數(shù)據(jù)暫由隨機函數(shù)模擬產(chǎn)生事后再由實測模塊進行，定時檢測的時間間隔由“時間延遲”函數(shù)給定，越限溫度的設(shè)定借助條件結(jié)構(gòu)框圖限定，各種信息的顯示，對前面板控件在后面板的圖標(biāo)，進行必要的邏輯連線形成．對相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到Excel電子表格功能的實現(xiàn)，是通過“寫入電子表格文件”函數(shù)節(jié)點來實現(xiàn)的，由此對越限溫度及時間，逐點自動進行存儲，得以長期保留，大大方便了日后查閱與分析．程序框圖設(shè)計完成后，一臺虛擬儀器便告成功．如果必要，還可以進行信息傳遞并實現(xiàn)相關(guān)控制，也只需修改相應(yīng)程序框圖即可．

如此功能齊全的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，只在簡單測溫程序的基礎(chǔ)上，幾經(jīng)修改完成，使儀器性能按用戶意愿越做越好，功能越來越強，這完全得益于計算機軟硬件功能的強大，使虛擬儀器具有很強的靈活性和擴充性，這是傳統(tǒng)測量儀器所無法比擬的．

5 虛擬儀器在物理教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬儀器作為一種新型的測量儀器方興未艾，正改變著人們的傳統(tǒng)觀念和測試方法，它具有節(jié)省資金，便于遠程測量與控制，以及適應(yīng)復(fù)雜惡劣測試環(huán)境的明顯優(yōu)勢，具有很強的現(xiàn)實意義與發(fā)展前景．

筆者認(rèn)為，虛擬儀器在物理教學(xué)中的應(yīng)用具有兩個層面，一是對物理過程進行模擬，二是物理實驗的實際測量．所謂物理過程模擬，是指對目前因受條件限制或過于復(fù)雜難以進行的實驗，譬如，一些不可為實驗、危害性實驗、原理性實驗或方案設(shè)計性實驗等，尤其是抽象的物理過程，都可以借助計算機進行模擬，讓學(xué)生了解認(rèn)知物理過程，加深對物理規(guī)律的理解．利用虛擬儀器有便于組合、更新快、易擴展、靈活性強的特點及強大的信息處理與控制功能，很容易實現(xiàn)，而且人機界面友好，操作方便，便于通過投影進行課堂演示與教學(xué)．對用于物理實驗的實際測量已不再遙遠，目前實驗室一些用計算機作顯示終端的儀器，大多具有虛擬儀器的影子，應(yīng)該有意識地向?qū)W生介紹虛擬儀器的知識，使他們認(rèn)識、了解、學(xué)會使用虛擬儀器，有條件的學(xué)校，完全可以根據(jù)需要自行設(shè)計虛擬儀器，尤其是設(shè)計性實驗，更適于虛擬儀器的開發(fā)與應(yīng)用．

總之，虛擬儀器并不神秘，虛擬儀器就在身邊，讓我們共同努力，適應(yīng)時代的發(fā)展，讓虛擬儀器為實驗教學(xué)服務(wù)，為生產(chǎn)實踐服務(wù)，設(shè)計開發(fā)出更多、更好、更方便實用的虛擬儀器．

1 胡仁喜，等．LabVIEW 8．2．1虛擬儀器實例指導(dǎo)教程．北京：機械工業(yè)出版社，2008 ．2～6

2 王磊．精通LabVIEW．北京：電子工業(yè)出版社，2007 ．4～8