虛擬實(shí)驗(yàn)室和虛擬儀器

　　虛擬儀器( VI - Virtual Instrumentation )是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來，用戶可通過友好的圖形界面來操作這臺計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺）是NI公司的圖形化、交互式的編程設(shè)計(jì)環(huán)境,為虛擬儀器提供了實(shí)現(xiàn)途徑。本文首先在設(shè)計(jì)虛擬示波器的基礎(chǔ)上，熟悉Labview編程原理。然后結(jié)合固體電介質(zhì)的體電阻和表面電阻測量實(shí)驗(yàn)編制了一套實(shí)驗(yàn)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(jìn)行信息交換界面，框圖程序相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)連接起來。最后將網(wǎng)絡(luò)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(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，完成實(shí)驗(yàn)。
　　20世紀(jì)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(gòu)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(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)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(shí)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(dāng)硬件平臺I/O接口設(shè)備與計(jì)算機(jī)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?yàn)樘摂M儀器可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)，用戶只需改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴(kuò)展增強(qiáng)它的測量功能。這就是說，儀器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shù)的日趨成熟，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)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(jìn)行的。
　　第一階段利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能。由于GPIB總線標(biāo)準(zhǔn)的確立，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)連接起來，用戶就可以用計(jì)算機(jī)控制儀器。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能價(jià)格比的不斷上升，用計(jì)算機(jī)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(jìn)。
　　第二階段開放式的儀器構(gòu)成。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術(shù)進(jìn)步：一是插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡 ( plug-in PC-DAQ )；二是VXI儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立。這些新的技術(shù)使儀器的構(gòu)成得以開放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶定義和供應(yīng)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(rèn)同和采用。軟件領(lǐng)域面向?qū)ο蠹夹g(shù)把任何用戶構(gòu)建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件領(lǐng)域以產(chǎn)生，幾個虛擬儀器平臺已經(jīng)得到認(rèn)可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工具。發(fā)展到這一階段，人們也認(rèn)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(shí)現(xiàn)自動化的關(guān)鍵。
　　在虛擬儀器技術(shù)發(fā)展中有兩個突出的標(biāo)志，一是VXI總線標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)先進(jìn)的分析與測量儀器所必須的總線結(jié)構(gòu)，后者從軟件編程上實(shí)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(chǔ)規(guī)范。
　　要保證虛擬儀器具備與傳統(tǒng)儀器匹配的實(shí)時處理能力和可靠性，很重要的一點(diǎn)是取決于傳輸測量數(shù)據(jù)的總線結(jié)構(gòu)。在虛擬儀器中，其分析功能是由計(jì)算機(jī)來完成的或由計(jì)算機(jī)來控制的。因此，接口、總線的速度和可靠性是關(guān)鍵，VXI總線標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)和安排儀器功能，也使得用戶化儀器功能設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。
　　VXI總線的出現(xiàn)，使得虛擬儀器設(shè)計(jì)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(lǐng)域的高端VXI儀器。當(dāng)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(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。
　　除了硬件技術(shù)外，軟件技術(shù)的發(fā)展和有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的建立，也是推動虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的決定性因素之一，在GPIB接口總線出現(xiàn)以后，關(guān)于程控儀器的句法格式、信息交換協(xié)議和公用命令的標(biāo)準(zhǔn)化，一直是人們關(guān)心的問題。標(biāo)準(zhǔn)程序命令（SCPI）標(biāo)準(zhǔn)的建立，向解決程控命令與儀器廠家無關(guān)這一目標(biāo)邁進(jìn)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(shù)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(shè)計(jì)的，缺乏標(biāo)準(zhǔn)，使得用戶在儀器軟件方面的投資得不到保護(hù)。為此，國際上專門制定了虛擬儀器軟件體系（VISA）標(biāo)準(zhǔn)，建立了與儀器接口總線無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)I/O軟件，與Labview、HPVEE、Labwindows等先進(jìn)開發(fā)環(huán)境軟件相適應(yīng)。開發(fā)一個用戶定制的虛擬儀器在軟件技術(shù)上已經(jīng)成熟。可以預(yù)計(jì)，未來電子測量儀器和自動化測試技術(shù)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(jié)果三大功能模塊（如圖所示）。虛擬儀器以透明方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測試能力結(jié)合，實(shí)現(xiàn)儀器的功能運(yùn)作。
　　應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件 ( 如GPIB、VXI、RS-232、DAQ ) 和可重復(fù)使用源碼庫函數(shù)等軟件結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)模塊間的通信、定時與觸發(fā)，源碼庫函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。當(dāng)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(jì)算機(jī)平臺、硬件、軟件以及完成系統(tǒng)所需的附件，而這在由供應(yīng)商定義、功能固定、獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器上是達(dá)不到的。
　　虛擬儀器的組成
　　虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)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(gòu)成如圖所示。
　　虛擬儀器的功能
　　虛擬儀器是虛擬技術(shù)的一個重要組成部分，是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、測量技術(shù)和微電子技術(shù)高速發(fā)展而孕育出的一項(xiàng)革命性技術(shù)。虛擬儀器系統(tǒng)的概念不僅推進(jìn)了以儀器為基礎(chǔ)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(gòu)造方法的進(jìn)化。過去獨(dú)立分散、互不相干的許多領(lǐng)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(shù)方法和技術(shù)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(jìn)行分析處理，然后顯示處理的結(jié)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(jì)算機(jī)平臺、硬件、軟件、以及各種完成應(yīng)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(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)、應(yīng)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(shù)的新紀(jì)元。而這種靈活性在由供應(yīng)商定義、功能固定、獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器上是達(dá)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(fù)的儀器堆中解放出來，而且還可實(shí)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(shè)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(shí)世界中的被測信號，可分為兩類：一類是滿足一般科學(xué)研究與工程領(lǐng)域測試任務(wù)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(guān)鍵任務(wù)，如航空、航天、國防等應(yīng)用的高端VXI儀器。虛擬儀器系統(tǒng)將不同功能、不同特點(diǎn)的硬件構(gòu)成為一個新的儀器系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)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(shù)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(yīng)具備以下特點(diǎn)：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(qiáng)大的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)功能，容易實(shí)現(xiàn)模擬儀器面板；三是具有強(qiáng)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(jià)格比、可操作性等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：
　　（１）智能化程度高，處理能力強(qiáng)。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(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。
　　（２）復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低。應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)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(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)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(fèi)用更低。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。
　　（３）可操作性強(qiáng)。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)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(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測量完后還可打印，顯示所需的報(bào)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(qiáng)調(diào)軟件在儀器中的應(yīng)用，但虛擬儀器仍離不開硬件技術(shù)的支持，信息的獲取仍需要通過硬件來實(shí)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(jì)算機(jī)采用的總線連接方式的不同，可分為內(nèi)插卡式和外接機(jī)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(jì)算機(jī)擴(kuò)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(jī)箱式采用背板總線結(jié)構(gòu)，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(jì)算機(jī)來實(shí)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(shè)計(jì)思想完成特定任務(wù)，會使用戶程序的重新組織易于控制和實(shí)現(xiàn)。
設(shè)計(jì)虛擬儀器的過程與主要工作內(nèi)容就是編制應(yīng)用軟件的過程。設(shè)計(jì)虛擬儀器必需有合適的軟件工具。因此，提供應(yīng)用軟件開發(fā)工具的軟件平臺技術(shù)也相應(yīng)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。