虛擬儀器技術

虛擬儀器技術的三大組成部分：

軟件是虛擬儀器技術中最重要的部份。使用正確的軟件工具並通過設計或調用特定的程序模塊，工程師和科學家們可以高效地創建自己的應用以及友好的人機交互界面。提供的行業標準圖形化編程軟件——LabVIEW，不僅能輕鬆方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的後續數據處理能力，設置數據處理、轉換、存儲的方式，並將結果顯示給用户。此外，還提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統管理軟件工具，例如連接設計與測試的交互式軟件SignalExpress、用於傳統C語言的LabWindows/CVI、針對微軟Visual Studio的Measurement Studio等等，均可滿足客户對高性能應用的需求。

有了功能強大的軟件，您就可以在儀器中創建智能性和決策功能，從而發揮虛擬儀器技術在測試應用中的強大優勢 ^[1]  。

面對如今日益複雜的測試測量應用，已經提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394總線，都能提供相應的模塊化的硬件產品，產品種類從數據採集、信號條理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分佈式I/O到CAN接口等工業通訊，應有盡有。高性能的硬件產品結合靈活的開發軟件，可以為負責測試和設計工作的工程師們創建完全自定義的測量系統，滿足各種獨特的應用要求。

專為測試任務設計的PXI硬件平台，已經成為當今測試、測量和自動化應用的標準平台，它的開放式構架、靈活性和PC技術的成本優勢為測量和自動化行業帶來了一場翻天覆地的改革。

PXI作為一種專為工業數據採集與自動化應用度身定製的模塊化儀器平台，內建有高端的定時和觸發總線，再配以各類模塊化的I/O硬件和相應的測試測量開發軟件，您就可以建立完全自定義的測試測量解決方案。無論是面對簡單的數據採集應用，還是高端的混合信號同步採集，藉助PXI高性能的硬件平台，您都能應付自如。這就是虛擬儀器技術帶給您的無可比擬的優勢。

虛擬儀器技術的四大優勢：

虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全“繼承”了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷髮展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優勢。

這些軟硬件工具使得工程師和科學家們不再圈囿於當前的技術中。得益於軟件的靈活性，只需更新您的計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進您的整個系統。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。

在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用户的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使您輕鬆地配置、創建、發佈、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

虛擬儀器技術從本質上説是一個集成的軟硬件概念。隨着產品在功能上不斷地趨於複雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。虛擬儀器軟件平台為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助用户輕鬆地將多個測量設備集成到單個系統，減少了任務的複雜性 ^[2]  。

阿爾卡特美國公司是全球領先的世界上電信設備製造商領導者之一。位於加州佩塔盧馬的接入部，開發Litespan接入平台一種光纖數字環路載波（DLC）。DLC能夠將電話公司中心機房普通銅線上的電話業務傳遞到更遠的地方。通過LabVIEW，在相對短的時間內開發了一個全面測試方案。同時測試對每個信道單元的16個ANSI要求的環路和4條ISDN線路的一個信道單元進行測試時，每項測試所花費的時間為12分鐘。由於一些信道單元需要測試某個温度範圍內的狀況，因而整個測試需要幾天的時間。

Allen Klein美國阿爾卡特公司Litespan硬件質量部的一位工程師，在程序中增加了一項功能，使得測試可以全天進行，甚至在週末也行。這項功能極大地擴展豐富了測試平台，提高了測試效率。

虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術相結合的產物，是兩門學科最新技術的結晶，融合了測試理論、儀器原理和技術、計算機接口技術、高速總線技術以及圖形軟件編程技術於一體。

虛擬儀器是由計算機硬件資源和用於數字分析與處理、過程通訊以及圖形界面的軟件組成的測控系統，它把儀器生產廠家定義儀器功能的方式轉變為由用户自己定義儀器功能，也就是説傳統測試中使用廠家生產的儀器，儀器的性能及功能在出廠時已被廠家定義，用户只能根據自己的要求和需要選擇和使用；而虛擬儀器是在一定的硬件基礎上，用户可根據測試的需求，編寫軟件定義自己的儀器功能。同樣的硬件配置可開發出不同的儀器，例如在儀器面板上顯示採集信號在時域的波形，那麼該儀器為虛擬示波器；如果在程序中對採集信號進行FFT變換，那麼該儀器就是虛擬頻譜分析儀。筆者則用LabWindows/CVI來開發虛擬經紗張力測試儀，用來測試織機在工作時經紗張力的變化情況。

織機在織造過程中，經紗動態張力對織造的，順利進行有着很大的影響，張力過大，易引起斷頭，影響織造效率；張力不足易造成梭口不清，形成三跳疵點，使布面及紋路不夠清晰。當經紗穿過軸時，經紗對兩側傳力杆有壓力，通過傳力杆將壓力傳給彈性梁，使之產生應變，利用應變片將其應變轉化為電阻的變化，然後再通過轉化電路將電阻的變化轉化為電壓的變化，測量出電壓值，根據傳感器的標定就可求出相應的經紗張力。

虛擬經紗張力測試儀的測試系統由傳感器、數據採集卡、接口總線、硬件驅動程序和開發的測試軟件構成，數據採集卡採用6024E，LabWindows/CVI平台開發測試軟件，在Windows98操作系統下運行。

信號採集

由於要測出經紗張力與主軸轉角的關係，所以用了3個傳感器。傳感器1是經紗張力傳感器，把經紗張力物理信號轉化為電信號；傳感器2是光電脈衝傳感器，用來測量主軸轉角；傳感器3是霍爾傳感器，將霍爾電壓作為測量觸發信號。各個傳感器輸出的信號都要經過一個信號調理電路對信號進行處理(如濾波、放大等)，從混合信號中取出待測的有用信號，送入數據採集卡，並要適合數據採集卡的電壓範圍，通過總線結構送進計算機進行處理。

數據採集藉助軟件來控制整個DAQ系統，包括採集原始數據、分析數據等，調理後的信號經多路開關在軟件設定採樣率的控制下，巡迴採集並放大，再經採樣與保持及A/D轉換器單元被量化成數字信號，成為計算機可以處理的信號，由虛擬儀器軟件對測試信號進行計算、分析、顯示，並儲存結果。

經紗張力測試儀的面板結構

虛擬經紗張力測試儀的面板右邊的七個文本框輸入內容，是用户根據實際測量的需求以及與採集卡的連接通道在開始測試前設定的。測量時，打開測試儀器開關，儀器就可以工作；按下采集數據，稍等幾秒，面板上就會顯示出經紗張力的波形圖。保存數據就是對測量的原始數據、信號處理後的數據以及需要提供給用户的數據存取；讀數據是讀取事先已經測量的數據，然後在儀器面板上繪出曲線，這有利於事後分析；關閉儀器則退出測試狀態。

虛擬經紗張力測試儀的軟件

面板上的數據採集、關閉儀器、保存數據等命令按鈕通過回調函數來實現各自的功能，整個源代碼中數據採集的回調函數caiji是程序的關鍵。

用所設計的虛擬經紗張力測試儀系統對YC—425型噴氣織機測試，織機主軸每轉一轉，經紗張力週期變化一次，在0°附近，經紗張力最大，有利於打緯，最小張力出現在280°附近。在理論上來講，下一個最大值出現在開口滿開的位置，且一般只有兩個峯值，在曲線上除了打緯點外，還有兩個峯值，這説明在後梁裝有張力緩解機構。最小張力也就是經紗的上機張力曲線的重複性不很好，説明織機工作狀況不夠穩定。

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。虛擬儀器技術已經普遍被應用於測試行業，甚至自動化、石油鑽探和提煉、生產中的機器控制等領域。

傳統儀器在測量測試領域發揮着重要作用，但是同時也存在着諸多問題，如靈活性不夠，精度不夠高。而虛擬儀器解決了這些問題，更具有靈活性，同時性能和精度進一步提升，而甚至解決了傳統儀器無法實現的測量，其可擴展性和低成本讓廠商對虛擬儀器越來越重視。使用基於軟件配置的模塊化儀器很好的解決了資源配置和重複等問題，是未來儀器發展的主流方向。

虛擬儀器技術利用了快速發展的PC架構，高性能的半導體數據轉換器，以及引入了系統設計軟件，使得在提升了技術能力的同時降低了成本。尤其是隨着PC性能的不斷提升，使得虛擬儀器技術也快速發展起來，並實現了更多的新應用。

高性能、低成本的A/D和D/A轉換器的出現和發展，也推動了虛擬儀器技術的發展。虛擬儀器技術硬件可以利用大量生產的芯片作為測量的前端組件。系統設計軟件也成為虛擬儀器技術發展的一大動力，而採用圖形化的數據流語言的LabVIEW也被廣泛應用其中。

虛擬儀器技術的擴展功能越來越強大，能夠在PC上開發測試程序，在嵌入式處理器和FPGA(現場可編程門陣列)上設計硬件等。這些為用户設計測試系統，定義硬件功能等提供了一個獨立環境。因此虛擬儀器以其眾多優勢逐漸取代傳統儀器發揮着重要作用，其應用領域將會越來越廣泛。

虛擬儀器是今後儀器儀表、測試控制研究與發展的方向，用NI公司的LabWindows/CVI作為軟件開發平台，比常用的面向對象軟件編程難度大大降低，使得軟件開發效率高，界面友好，功能強大，且擴展性好，對採集到的數據可用於高級分析庫進行信號處理，也可以為了使所得測試曲線符合實際情況，進行擬合處理。總之，虛擬儀器有強大的功能，它強調“軟件就是儀器”，用軟件代替硬件，易開發、易調試，可有效節約資金。

LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instruments)推出的圖形化軟件編程平台，它是一種基於圖形的程序設計語言G語言構成的，它可用來進行數據採集和控制、數據分析和數據表達。它是一種結構化解釋型開發平台。

(1)LabVIEW 使用“所見即所得” 的可視化技術建立人機界面。針對測試和過程控制領域，Lab-VIEW 提供了大量的儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、圖表等。用户還可以通過控制編輯器將現有的控制對象修改成適合自己工作領域的控制對象。 

(2)LabVIEW 使用圖標表示功能模塊，使用圖標間的連線表示在各功能模塊間的數據傳遞, 使用為大多數工程師熟悉的數據流程圖式的語言書寫源程序代碼, 這樣使得編程過程與思維過程非常相似。 

(3)LabVIEW 提供程序調試功能, 可以在源代碼中設置斷點、單步執行源代碼、在源代碼中的數據流連線上設置探針, 觀察程序運行過程中數據流 的變化等。 

(4)LabVIEW 提供了大量的函數庫供用户直接調用。從基本的數學函數、字符串處理函數、數組運算函數和文件輸入輸出函數到高級的數字信號處理函數和數值分析函數。從底層的VXI 儀器、數據採集板和總線接口硬件的驅動程序到世界各大儀器廠商的GPIB 儀器的驅動程序，LabVIEW 都有現成的模塊幫助用户方便迅速組建自己的應用系統。 

(5)LabVIEW 提供DLL 庫接口和CIN 節點來使用户有能力在LabVIEW 平台上使用其它軟件平台編譯的模塊。因此LabVIEW 是一個開放式的開發平台，用户可在該平台上使用其它軟件開發平台生成的模塊 ^[3]  。