1、虚拟仪器的进展与应用 所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。它由计算机、应用软件和仪器硬件组成。无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式 PC 或工作站等各种计算机平台 (甚至可以是掌上电脑 )加上应用软件而构成的。 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器
2、经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器。由于计算机性能以摩尔定律 (每半年提高一倍 )飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面。并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、 测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的 硬件软件化 的发展趋势，因而常被称作 软件仪器 。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、
3、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控 制系统。 在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常常感到捉襟见肘，手足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚
4、拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自 动记录、自动数据处理。其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。 在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会，信息技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬件配合计
5、算机实现专有设备的功能，并使 其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。 数据的拾取、存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。 在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。决大部分闭环控制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计。尤其在制造业，虚拟仪器的卓越计 算能力和巨大数据吞吐能力必将使其在温控系统、在线监测系统
6、、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。 虚拟仪器等微机化仪器技术的应用，使组建集中和分布式测控系统变得更为容易。但集中测控越来越满足不了复杂、远程（异地）和范围较大的测控任务的需求，对此，组建网络化的测控系统就显得非常必要，而计算机软、硬件技术的不断升级与进步、给组建测控网络提供了越来越优异的技术条件。 Unix 、 Windows NT、 Windows2000、 Netware 等网络化计算机操作系统，为组建网络化测试系统带来了方便。标准的 计算机网络协议，如 OSI的开放系统互连参考模型 RM、 Internet上使用的 TCP IP 协议，在开放性、稳定性、可靠性方面均
7、有很大优势，采用它们很容易实现测控网络的体系结构。在开发软件方面，比如 NI 公司的 Labview 和 LabWindows CVI，HP 公司的 VEE，微软公司的的 VB、 VC 等，都有开发网络应用项目的工具包。软件是虚拟仪器开发的关键，如 Labview 和 LabWindows CVI 的功能都十分强大，不仅使虚拟仪器的开发变得简单方便，而且为把虚拟仪器做到网络上，提供了可靠，便利的技术支持。 LabWindows CVI 中封装了 TCP 类库，可以开发基于 TCP Ip 的网络应用。 Labview 的 TCP IP 和 UDP网络 VI 能够与远程应用程序建立通信，其具有的
8、Internet 工具箱还为应用系统增加了E-mail、 FTP 和 Web 能力；利用远程自动化 VI，还可对控制其他设备的分散的 VI 进行控制。Labview5 1 中还特别增加有网络功能，提高了开发网络应用程序的能力。 将计算机、高档外设和通信线路等硬件资源以及大型数据库、程序、数据、文件等软件资源纳入网络，可实现资源的共享。其次，通过组建网络化测控系统增加系统冗 余度的方法能提高系统的可靠性，便于系统的扩展和变动。由计算机和工作站作为结点的网络也就相当于现代仪器的网络。计算机已成为现代测控系统的中坚。 2.3 网络技术已越来越成为测控技术满足实际需求的关键支撑 当今时代，以 Inte
9、rnet 为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易， Internet 拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用，比如电子商务、网上教学、远程医疗、远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调用，远 程设备故障诊断，等等。与此同时，高性能、高可靠性、低成本的网关、路由器、中继器及网络接口芯片等网络互联设备的不断进步，又方便了 Internet、不同类型测控网络、企业网络间的互联。利用现有Internet 资源而不需建立专门的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与Internet 的互联都十
10、分方便，这就为测控网络的普遍建立和广泛应用铺平了道路。 把 TCP IP 协议作为一种嵌入式的应用，嵌入现场智能仪器（主要是传感器）的 ROM 中，使信号的收、发都以 TCP IP 方式进行，如此，测控系统在数据采集、信息发布 、系统集成等方面都以企业内部网络（ Intranet）为依托，将测控网和企业内部网及 Internet 互联，便于实现测控网和信息网的统一。在这样构成的测控网络中，传统仪器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域，实时、动态（包括远程）的在线测控成为现实，将这样的测量技术与过去的测控、测试技术相比不难发现，今天，测控能节约大量现场布线、扩大测控
11、系统所及地域范围。使系统扩充和维护都极大便利的原因，就是因为在这种现代测量任务的执行和完成过程中，网络发挥了不可替代的关键作用，即网络实实在在地介 入了现代测量与测控的全过程。 基于 Web 的信息网络 Intranet，是目前企业内部信息网的主流。应用 Internet 的具有开放性的互联通信标准，使 Intranet 成为基丁 TCP IP 协议的开放系统，能方便地与外界连接，尤其是与 Internet 连接。借助 Internet 的相关技术， Intranet 给企业的经营和管理能带来极大便利，已被广泛应用于各个行业。 Internet 也已开始对传统的测控系统产生越来越大的影响。目前
12、，测控系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响，基于网络化、模块化、开放性等原则，测控网络 由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化。智能化的测控系统。网络的节点上不仅有计算机、工作站，还有智能测控仪器仪表，测控网络将有与信息网络相似的体系结构和通信模型。比如目前测控系统中迅猛发展的现场总线，它的通信模型和 OSI 模型对应，将现场的智能仪表和装置作为节点，通过网络将节点连同控制室内的仪器仪表和控制装置联成有机的测控系统。测控网络的功能将远远大于系统中各独立个体功能的总和。结果是测控系统的功能显著增强，应用领域及范围明显扩大。 1999 年 2 月， Jin
13、i 软件技术问世。 Jini 软件技术旨在使各种电器设备、测量仪器及采用 JAVA芯片的各种装置能连接上网， Jini 软件连同以 Java 语言编写的简单程序，可使联网的任何仪器设备实现其自身功能的同时，还能为其他仪器设备加以利用。 网络技术的出现，正在并将极大地改变人们生活的各个方面。具体到计量测试、测控技术及仪器仪表领域，微机化仪器的联网，高档测量仪器设备以及测量信息的地区性、全国性乃至全球性资源共享，各等级计量标准跨地域实施直接的数字化溯源比对，远程数据采集与测控，远程设备故障诊断，电、水、燃气、热能等的自动抄表，等等，都是网络技 术进步并全面介入其中发挥关键作用的必然结果。 3. 网
14、络化仪器初见端倪 31 测量与仪器定义的新拓展 -网络化仪器的初步定义 （ 1）以测量观念的拓展为基础 现代自然科学的发展，多学科技术的创新与融合，测量仪器与计算机及通信的互动，使测量、测试过程、测量目的、测试结果的管理等观念均发生了改变。今天，测量作为信息技术的源头和基础，已很难再找到其以纯原始的方式出现：人们似乎已不大关心某个测量需求是属于电测量范畴还是属于非电测量领域，因为各种传感器的出现和日益完善，已使非电量测量与电量测量几乎就是一回事； 测试、数据采集、控制三者之间的界限已模糊不清；测量、维护、诊断、修理、数据处理管理一体化的需求日趋迫切；对测试的现场化、远地化、网络化要求不断升温；
15、自校准、自诊断和自预估，已成为评定测试系统性能的必备指标；测量与控制高度融合并相互渗透，测量为控制提供更准确可靠的信息，控制也不断为测量的发展注入新的活力，出现了状态监测、系统可控性判别、状态预测、智能控制、模式识别、对不可直接测量对象的间接测量、对特殊预知对象的测量以及信号滤波，等等；与此同时，测量反映在对被测对象的描述和表示上，也根据实际的需要从传统的数值 加带方向的误差值，扩展为还可以由自然语言以及高度抽象的文字或符号来表征，出现了所谓 “ 符号化测量 ” 的概念。传统意义上的十大测量门类中不包含软件测试，而今，软件已成为现代新型仪器即各种微机化仪器设备中的重要组成部分。因此，为了保证软件的安全性能和质量，国外几年前就已开始着手制定测试软件的规范或标准。由此可见，依托于这些现代测试与测控技术的飞速发展，传统意义上的测量的含义、目的和作用等均得到了丰富和拓展。这种丰富和拓展自然而然地预示着网络技术向测量领域的注入和渗透，也必将导致测量观念上新的思想和概念的产生。 （ 2）以不断拓宽的仪器概念为借鉴 现代高新科学技术的迅速发展，有力地推动了仪器仪表技术的不断进步。仪器仪表的发展将遵循跟着通用计算机走、跟着通用软件走和跟着标准网络走的指导思想；仪器标准将向计算机标准、网络规范靠拢。依托于智能化、微机化仪器仪表的日益普及，联网测量技术已在现
