最新虚拟仪器技术的国内外研究现状分析文档格式.docx

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完成时间：

2014.5.3

哈尔滨工业大学

摘要

全面介绍了虚拟仪器概念的提出,它的基本原理、主要结构和性能特点；

回顾了虚拟仪器技术的发展历史,简要介绍了各阶段虚拟仪器的基本特点；

对国内外虚拟仪器技术的应用研究现状作了详细阐述；

最后,展望了未来虚拟仪器技术的应用研究。

关键词：

虚拟仪器；

测试。

一、虚拟仪器技术综述

1.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器（VirtualInstrument,VI）是20世纪80年代末由美国国家仪器公司（NationalInstru-mentsCorporation,NI）提出的新概念,是对传统仪器概念上的重大突破。

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。

一个典型的倒子是在计算机上插数据采集卡，然后用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号分析的处理，实现传统仪器的功能。

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近30年来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[1]。

1.2虚拟仪器的特点

与传统测量仪器相比，虚拟仪器技术有着许多自己独特的特点与优势，以下列出其一部分特点：

①虚拟仪器具有开发与维护费用低的特点。

②虚拟仪器具有传统仪器所无法比拟的强大信号处理能力。

因为虚拟仪器可以充分利用计算机强大的软件资源，对信号灵活地进行计算、分析、判断、处理、显示或输出等。

③虚拟仪器由用户自定义仪器功能,而传统仪器一经设计、制造完成后,就很难改变。

④虚拟仪器具有技术更新周期短的特点，大约为1-2年。

⑤虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可灵活地与网络及其周边设备实现互联[2]。

1.3虚拟仪器的应用

目前虚拟仪器技术已经普遍被应用于测试测量与工业自动化领域，包括电子测控、电力工程、物矿勘探、医疗、震动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多方面[3]。

二、虚拟仪器技术的发展历史

虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。

自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。

使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。

根据虚拟仪器的发展过程，截至目前，大致可以分成三个发展阶段：

第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。

由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以从测量仪器获得数据，并在计算机上通过各种软件工具来完成对数据的分析处理与显示。

第二阶段，开放式仪器。

仪器硬件上出现了两大技术进步：

一是插入式计算机数据处理卡（plug-inPC-DAQ）；

二是VXI仪器总线标准的确立。

第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。

软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。

许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。

三、虚拟仪器技术的发展现状

3.1国外发展情况

国外虚拟仪器技术自上世纪80年代由美国NI公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。

近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发平台，但最早和最具影响力的还是NI公司的图形化开发平台LabVIEW。

虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。

美国是虚拟仪器的诞生地，目前也是全球最大的虚拟仪器制造国。

3.2国内发展情况

国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化NI的产品开始。

国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，列入为“十五”期间优先资助领域。

目前有些研究已取得可喜成绩，如863项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”，所研制的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的技术。

这项成果表明我国在虚拟仪器方面走出一条自主创新的路子，并成为国际上嵌入式一体化虚拟仪器研发的先行者[4]。

我国国民经济的持续快速发展，加快了企业的技术升级步伐，先进仪器设备的需求更加强劲；

虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展，这些都为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础。

据专家预测，我国虚拟仪器行业的产值在未来若干年内将超过仪器仪表行业总产值的50％，虚拟仪器技术代表了今后仪器仪表技术发展的先进方向，我国的虚拟仪器技术存在巨大的发展潜力。

国内许多高校，如清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、华中科技大学、复旦大学、上海交通大学、国防科技大学、成都电子科技大学、中国科技大学、暨南大学、四川大学等数十所高校已展开了虚拟仪器技术领域的研究、开发和教学，NI公司也已2006年在中国高校广泛推广虚拟仪器技术列入了战略发展规划（NI中国高校推广计划），这标志着自提出虚拟仪器的概念之后，虚拟仪器技术在我国也进入了一个全新的快速发展时期[5]。

以下将列举一些中国当前虚拟仪器技术研究现状的成果：

唐山大学基于ComXactPCIVPYI研制的锅炉供热自动控制系统成功地应用在唐山市热力总公司项目上；

清华大学基于ComXactPCIVPYI技术建设的实验热工水利学测控平台研制成功了先进的热工测量技术和热工仿真技术成功地完成了海水淡化等重要课题研究；

天津大学研制的原油管道泄漏远程监测系统在胜利油田和华东石油管理局集输管线和长输管线得到应用；

北京航空航天大学完成了航空发动机压气机管道声模态及非定长特性测量的数据采集和分析课题；

国防科技大学基于NaOVIEP的分布式VYI仪器教学实验系统的研制为VYI仪器广泛进入大学实验室创造了条件；

重庆大学开发了虚拟实时噪声倍频程分析仪实现了对噪声总声压级各种计权声压级及相应倍频程的实时测量和分析；

清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统用于汽车发动机出厂前的自动检测[6]。

四、虚拟仪器技术的展望

虚拟仪器技术相对传统的电子测量仪器，有很大优点，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活。

目前虚拟仪器已经在国内的各个行业得到了广泛应用[7]，它已广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、机械建筑工程、铁路交通、生物医疗、教学及科研等方面。

随着计算机软硬件技术、通信技术及网络技术的发展，给虚拟仪器的发展提供了广阔的天地，国内外仪器界正看中这块大市场。

测控仪器将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展。

开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。

虚拟仪器作为教学的新手段，已慢慢地走进了电子技术的课堂和实验室，改变着电子技术教学的传统模式。

在电工电子实验室的建设中，如果配置常规仪器、仪表，学校财力难以支付，也不符合目前学校的实际。

而且，随着发展趋势，传统测试仪器渐渐有被取代的趋势。

如果运用虚拟仪器技术，不但满足电工电子实验教学的需要，而且将这批微机可作为其他有关计算机课程教学用机，提高设备利用率，降低实验室建没的成本。

当前应该解决的是如何使虚拟仪器和现有仪器配合，达到逐步淘汰和取代传统仪器的目的。

随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下五个方向发展：

（1）外挂式虚拟仪器

　　PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。

（2）PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统

　　PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。

（3）网络化虚拟仪器

　计算机技术与网络技术的飞速发展，可将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。

人们可从任何地点、在任意时间获取到测量信息（或数据），并控制仪器进行测量操作。

因此，它与传统的仪器相比是一个质的飞跃。

目前，国内对网络化仪器的研究正处于起步阶段。

“网络就是仪器”的提法也已出现，网络化仪器在测控领域已有实际应用。

如网络流量计已应用于检测流动物体的流量。

这种仪器不仅能记录各个时段的流量，还能在流量过大或过小时报警；

应用于水文监测的网络传感器，能对江河到入海口的各个关键测控点的水位、流量及雨水量进行实时在线监测；

网络电能表，已应用于对异地用电信息的获取和检测。

现在，有关MCN（测量与控制网络-Measure-mentandControlNetworks）方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。

由上所述，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景，将成为虚拟仪器技术发展的一个重要方向[8]。

（4）虚拟仪器技术的标准化

VI的标准化研究主要是在硬件平台的标准化和软件模块的标准化。

目前，PCI、VXI、PXI等规范已基本实现了标准化，但在触发方式、同步、延时、不同通道的共用时基等方面还未实现标准化，这将影响其在不同平台上的互换性和移植性，也将影响虚拟仪器软件模块的标准化[9]。

将在一个标准化硬件平台上运行的软件按功能特点分成一系列的软件模块，这些软件模块也需要像硬件模块那样,由专门的VI开发人员设计，并形成行业标准（如电压表模块、函数发生器模块、示波器模块等）。

使用户可以像购买硬件模块那样购买软件模块。

1998年成立的IVI（InterchangeableVirtualInstrument）基金会是最终用户、系统集成商和仪器制造商的一个开放的联盟。

IVI组织把仪器分成一系列的子类（如示波器、数字万用表、任意波形发生器、开关及电源等），并按照某一子类仪器最通用的特征和功能来为该子类仪器制定规范。

IVI制定的VI统一规范提升了VI驱动软件标准化的水平。

（5）虚拟仪器技术硬件的软件化

硬件软件化是通过软件编程的方法改变硬件模块的结构，以完成不同功能及性能指标，依靠硬件的柔性来增强其适应性和灵活性。

FPGA（FieldProgrammableGateArray）和CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）等器件在VI系统中的应用[10]，使系统开发人员可在生产现场直接根据系统的要求定义和修改逻辑功能，具有设计灵活、制作及上市快速的特点。

如NI公司生产的NI5911/5912就是一种采用柔性精度技术的产品。

参考文献

[1]

[2]美国国家仪器（NI）有限）公司:

虚拟仪器（白皮书）

[3]韩洁，吴文海，王元钦：

虚拟仪器技术的发展、原理与展望，第五届全国计算机应用联合学术会议，1999年12月1日

[4]李震,柯旭贵,汪云祥：

虚拟仪器的发展历史、研究现状与展望[J].安徽工程科技学院学报，2005,18,（4）:

1-4.

[5]黄进文.虚拟仪器新技术及其在我国发发展现状与展望，《科技创新导报》,2008，（31）:

9.

[6]黄学文，周敬泉：

虚拟仪器技术的现状与前景，《电测与仪表》，2004第10期

[7]伍星华，王旭：

国内虚拟仪器技术的应用研究现状及展望，《现代科学仪器》，2011年04期

[8]张毅刚.虚拟仪器技术介绍，《国外电子测量技术》,2006,25,（6）:

1-6.

[9]IntelCorp.HighlyAvailableStandards-BasedModu-larTelecommunicationsPlatforms[Z].2003.

[10]王春花，马聪.一种基于FPGA技术的虚拟逻辑分析仪的研究与实现[J].电子技术应用,2002（3）:

39-42.