虚拟仪器—仪器科学与技术的未来
姜万录，吴胜强，张建成
（燕山大学机械工程学院，秦皇岛066004）
摘要：阐述了虚拟仪器的由来及概念，归纳了虚拟仪器的特点及系统构成，对虚拟仪器今后的发展趋势进行了展望。
关键词：自动测试系统；虚拟仪器；展望
中图分类号：TH137文献标识：B文章编号：1001-3881（2002）6-021-4
Virtual Instrument-The Future of Instrument Science and Technology
Jiang WanIu，Wu Shenggiang，Zhang Jiancheng
（Yanshan University，066004）
Abstract：The origin and conception of virtuaI instrument are expatiated.The characteristics and system constitution of virtuaI instrument are concIuded.The deveIoping trends of virtuaI instrument are prospected.
Keywords：Automatic testing system；VirtuaI instrument；Expectation
虚拟技术、通讯技术与计算机网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴含的巨大潜力，使发达国家趋之若鹜，在这一领域的研究上投入巨资。20世纪80年代首先在美国兴起的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分。
!虚拟仪器的由来
从20世纪40年代初期兴起的扫频测试技术，是电子测量技术自动化的开端，至今自动测试系统已经历了三个发展阶段。第一代测试系统大都是为了某种测试目的而专门设计制造的专用系统，难以改作它用。60年代后期，随着标准化接口系统的诞生和使用，出现了以积木概念为特点的第二代自动测试系统。但是，前两代自动测试系统，均使用传统测试设备，计算机只不过是被用来控制各器件的动作，并做一些数据的整理和计算工作，整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人工测试的步骤，而未能充分发挥作为中央控制器的电子计算机的作用。现代测控仪器不仅仅要求能单独测得某些物理量，而更希望它们能互相通信，实现信息共享，从而完成对被测各系统的综合分析、评估，以得出正确的判断。传统仪器在这方面显然存在严重不足，随着计算机总线技术、软件技术的发展，在目前正在研究的第三代自动测试系统中，计算机处于核心地位，计算机软件和测试系统更紧密地结合成为一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，出现了新的仪器概念—虚拟仪器（VI -VirtuaI Instrument）。
VI是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其它技术领域密集渗透过程中，与测试技术、仪器科学与技术密切结合孕育出的成果。20世纪80年代，美国国家仪器公司（NI）首先提出了VI的概念。NI提出的“软件就是仪器”（The software is the instrument）的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面。自20世纪80年代以来，NI公司已研制出多种总线系统的VI，特别是它推出的Lab-VIEW图形编程环境已享誉世界。在NI之后，美国惠普（HP）公司紧紧跟上，推出的HPVEE编程系统可提供数百种VI的组建单元和整机。
作为仪器领域中最新兴的技术，VI的研究、开发在国内已经过了起步阶段。90年代中期以来，国内很多高等院校和高科技公司，在研发VI产品和VI设计平台以及引进和消化NI公司、HP公司的产品等方面做了一系列有益工作，并取得了一批瞩目的成就。
VI技术的普及非常迅速，在电子测量、过程控制以及与人们的生活息息相关的众多领域，如电信、医学、教育、科研等方面都得到广泛应用。
"虚拟仪器的概念
VI是计算机技术在仪器科学与技术领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类，它是适应卡式仪器发展而提出的。传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成，而卡式仪器由于自身不带仪器面板，所以必须借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。
VI集成了当今的各领域高新技术，包括计量测试理论、传感技术（一次仪表）和二次仪表、计算机等相关技术，运用虚拟现实技术令硬件尽可能软化，软件尽可能集成化，其重心不仅是相应的软件系统，还应该包含硬件装置、测量方法和手段等的整个测试系统，甚至还包含了被测对象。VI应是对用户开放的，允许用户介入并定义其若干功能。
VI是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作计算机，就像操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测量的采集、分析、判断、显示、数据存储等工作。与传统仪器相似，它可分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块，如图1所示。
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《机床与液压》2002.No.6
图1VI内部职能划分
VI以透明方式将计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合，实现仪器的功能运作。应用程序将可选硬件（如GPIB、VXI、RS-232、DAO）和可重复使用源码库函数等软件结合实现模块间的通信、定时与触发，源码库函数为用户构造自己的VI系统提供基本的软件模块。
!虚拟仪器的特点
（1）它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器。VI通过硬件接口和仪器驱动实现了与测控设备的硬件通信，将信号采集、分析与处理等结合成一体。将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交于计算机来处理。
（2）强调“软件就是仪器”的新概念。软件在仪器中充当了以往由硬件实现的角色，在某种程度上可以完成传统仪器不可能实现的测试功能。
（3）VI具有图形化用户界面，体现“所见即所得”的思想。传统仪器的控制面板在各种VI中都有可被相应设置选项和结果输出控制的软面板所取代。
（4）VI采用了模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。VI软件的开发是基于模块化的设计思想，并大量运用动态链接库、类库和函数库，代码具有良好的可重复性。一个VI往往由多个VI组成。这样，在软件组织的树形图结构中，该VI是根结点，其它VI是子节点。一个VI既可以作为VI系统中主控模块，又可以为其它VI所调用。
（5）由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。
（6）仪器或系统的功能、规模由用户自己定义，加上VI的开放性和功能软件的模块化，使组建系统变得更加灵活、简单。
（7）VI的更新速度快，可维护性好。用户可定制其结构和功能。由于它的核心是软件程序，在一定开发环境下，用户可以对现有的VI程序作二次开发，修改、增加原有仪器的功能。与开发电子仪器相比，开发周期可大大缩短。
VI相对传统仪器的优势是显而易见的，VI与传统仪器的性能比较如表所示［1］。
VI与传统仪器性能比较表
虚拟仪器传统仪器
用户自己定义仪器厂商定义
面向应用的系统结构，可方
便地与网络、外设及其他仪
器相连接
与其他仪器设备的连接受限
制
自动化、智能化、信息远程
传输
功能单一，操作不便
充分利用计算机的图形界面，
并由计算机直接读数、分析
处理
图形界面少，人工读数，信
息量少
软件是关键硬件是关键
基于计算机技术的开放、灵
活的功能模块，可构成多种
仪器
系统封闭，功能固定
数据可进一步编辑、存储、
打印
扩展性差，一般来说数据无
法编辑
减少了硬件的使用，因而减
少了测量误差
信号每经过一次硬件处理都
会引起误差
价格低，可重复利用价格昂贵
技术更新快技术更新慢
软件结果大大节省开发和维
护费用
开发和维护费用高
"虚拟仪器的系统构成
从构成要素讲，VI系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。从构成方式讲，则有以DAO板和信号调理部分为硬件来组成的PC-DAO测试系统，以GPIB、VXI、PXI、串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件方式组成的GPIB系统、VXI系统、PXI系统、串行总线系统、现场总线系统等。VI系统构成如图2所示。
图2VI系统构成
VI主要包括三部分：数据输入部分（包括模拟量输入和数字量输入）；数据输出部分（包括模拟量输出和数字量输出）；数据处理部分（包括数据的处理、控制和显示等），有些VI还包含有传统的仪器。前两部分的实现是由插入计算机插槽的数据采集板（即DAO 卡）实现的，第三部分是由软件实现的。VI的关键是软件，一个好的VI开发平台应该使用户仅根据自己的专业知识，定义各种界面模式，设置检测方案或步骤，该软件平台就能完成相应的检测任务，并给出非常直观的分析结果。
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（l）虚拟仪器的硬件构成
VI随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型。
第一类：PC总线—插卡型VI。这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的测试软件（如Lab-VIEW、HPVEE等）相结合，完成测试任务。它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但它的关键取决于A/D转换技术。这类仪器受PC机机箱和总线限制，并存在电源功率不足、机箱内部噪声电平较高、插槽数目不多，插槽尺寸较小，机箱内无屏蔽等缺点。插卡式仪器最便宜，因个人计算机数量非常庞大，用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室使用。燕山大学研发的电液伺服阀静动态特性VICAT 系统是这种方式VI的成功应用实例［l~3］。
第二类：并行口式VI。最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上。软件安装在计算机上，通常可以完成各种VI的功能。典型产品有LINK公司的DSO-2lxx系列数字示波器。它们最大好处是可以与笔记本电脑相连，方便野外作业，又可与台式电脑相连，实现台式与便携式两用。
第三类：GPIB总线方式的VI。GPIB技术是IEEE488标准的VI早期的发展阶段，它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达l4台仪器，电缆长度可达20米。
GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，形成大型自动测试系统。GPIB测试系统的结构和操作命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场，适合在要求高精度，但不要求对计算机高速传输的状况下应用。
第四类：VXI总线方式的VI。VXI总线是高速计算机总线-VME总线在VI领域中的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持等优点，很快得到广泛的应用。
经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动化测量系统以及对速度、精度要求高的场合，有其它仪器无法比拟的优势。但组建成VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
第五类：PXI总线方式的VI。PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的参考时钟、用于精确定时的星形触发总线以及用于相邻模块的高速通讯的局部总线。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3~4个扩展槽，通过使用PCI-PCI桥接技术，可扩展到256个扩展槽。台式PC的性能价格比和PCI总线的优势二者结合起来，将形成未来主要的VI平台。
（2）虚拟仪器的软件构成
当给定计算机的计算能力和必需的仪器硬件后，构造和使用VI的关键就是应用不同的软件实现不同的功能。VI的应用软件主要有以下三个层面：集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和VI的用户界面。
在当今信息时代，提高软件编程效率的关键是采用面向对象的编程方式。可视化编程语言环境VisuaI C ++、VisuaI Basic的推出，为简化计算机编程迈出了可喜的一步。VI的应用软件应由用户编制，而目前基于C语言的Lab Windows/CVI、加载在VisuaI Basic下的Component Works以及EIectronics Workbench V4.0和Vi-suaI Lab等，都能使VC和VB成为强大的VI开发平
台。但对普通用户来说，使用起来有一定难度。
图3NI软件结构
近年来，基于PC机和工作站基础上的图形接口标准的制定及计算机计算能力的提高，促进了图形开发软件包和图形开发环境的迅速普及。在VI系统中最佳的软件平台是崭新的图形编程语言，如NI的Lab VIEW和HP的EVV。Lab VIEW是编译型图形化编程语言，该语言把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能（图形），并用线条把各种功能（图形）连结起来的简单图形编程形式。软件的可重用性在虚拟软件的设计中起着重要的作用，图形开发方式为每一个VI提供了可重用的代码模块，并允许用户从其它代码模块中分级调用（如图3所示）。这些重用部分是一些封装良好的、原子性的程序代码。理想情况下，重用部分应与硬件IC一样，可以不经过任何修改而被直接“插接”到其它程序中去。典型的重用部分包括函数库、过程程序包、宏、类库等，它们通过各自的接口被组装在一起，每一部分完成特定的功能。
!虚拟仪器的前景展望
VI的发展主要取决于三个重要因素：计算机是动力，软件是主宰，高质量的A/D采集卡及调理放大器与传感器是关键。
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《机床与液压》2002.No.6
无论哪种VI系统，都是将硬件仪器（传感器、调理放大器、A/D）搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台上，加上应用软件面板构成，实现基于计算机的全数字采集测试分析。VI的发展完全跟计算机的发展同步，所以显示出VI的灵活性和强大的生命力。未来的VI完全可以覆盖CAT的全部领域，几乎能替代所有的模拟测试设备。
（1）基于计算机的全数字化测量分析是采集测试分析的未来。VI必将在国防、电子测量、电气工程、机电一体化、教育和涉及到国计民生的越来越多的领域普及推广。“虚拟制造”、“虚拟工厂”将成为熟悉的名词，“VI实验室”将部分地取代传统的实验室，服务于教学和科研。
（2）标准化、通用化、系列化、模块化以及开放式的体系结构等VXI系统的观念，将成为仪器更新换代的重要方向。数据采集、测试、过程控制、信息传输和通信等现代信息技术汇集在一起，将使标准化、规范化及软件化仪器更广泛流行，传统仪器将逐渐失去主导地位。
（3）微电子、计算机、软件、通信及网络等技术的迅速发展，必将使通过高速计算机网络构成的分布式测试系统和监控系统进行远程监控及故障诊断的技术，即联网测量技术在更广泛的领域得到应用。VI发展将跟着通用计算机走、跟着通用软件走、跟着网络走。继“软件就是仪器”概念之后，很可能出现“网
络就是仪器”的新观念。
（4）VI的内涵也将不断深化。今后的VI将对用户更开放，自身更完善，且通常都具备自定义（Self-defining）、自联想（Self-associating）、自组织（Self-organizing）、自寻优（Self-optimizing）、自维修（Self-maintaining）、自检测（Self-detecting）、自适应（Self-adapting）、自标定（Self-calibrating）、自推理（Self-reasoning）、自修正（Self-compensating）、自学习（Self -learning）和自更新（Self-updating）等功能。
!结语
VI技术经过十几年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开放式、模块化的仪器标准为基础的VI标准正日趋完善，建立在VI技术上的各种先进仪器将会层出不穷。VI的兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们的仪器观，传统仪器将逐渐失去主导地位。VI技术预示着仪器科学与技术的未来。
参考文献
【1】王燕山.基于虚拟仪器的电液伺服阀动态特性CAT理论与实验研究.燕山大学硕士学位论文，2001
【2】姜万录，王燕山，王益群等.电液伺服阀综合性能VI-CAT系统.机床与液压，2002（1）
【3】张建成.基于小波信号处理理论的伺服阀静动态特性VI-CAT系统.燕山大学硕士学位论文，2001
收稿时间：2002-01-31
（上接第26页）
述刀架的质量主要取决于换刀时间和故障率，而Sauter公司产品的最大特点就是刀架转位时间最短且转位准确，见表2。这也正是Sauter公司产品代表转塔刀架发展前沿的一个最主要的因素。
（2）刀架定位精度高、动作迅速、稳定可靠。因为数控机床的切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置。由于在加工过程中刀尖位置不进行人工调整，因此，转塔刀架在结构上必须有良好的强度和刚性，以及合理的定位结构，以保证转塔刀架在每一次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度。Sauter公司产品正是满足了这一要求，才使其能够承受粗加工时的切削抗力同时满足各种精密加工的要求。
（3）可多刀夹持，双向转位和任意刀位就近选刀。
（4）应用范围广，维修方便等特点。
!结论
从国内外市场调研结果看，亟待开发设计一种性能最优，最有实用价值的转塔刀架，适应市场，替代
进口产品低价位的数控车床用转塔刀架，占领国内市场，并达到国际领先水平，为国产机床工业的发展作出贡献。
参考文献
【1】江苏省科学技术情报研究所查新中心（国家一级科技查新咨询单位）.关于“数控车床用转塔刀架”科技项目
查新报告.编号：SCXO0110942001年5月28日
【2】沈阳车床厂数控刀架分厂TSMA160系列产品样本
【3】曹琰.数控车床应用与维修.北京：电子工业出版社，1994
【4】余应良.机床数控改造设计与实例.北京：机械工业出版社，1997
【5】全国数控培训网络天津分中心编.数控机床.北京：机械工业出版社，1999.8
【6】德国Sauter公司产品样本
【7】意大利Baruffaldi公司产品样本
作者简介：郭永环，1967年1月出生，籍贯：山东省汶上县。现江苏徐州师范大学工学院机械系副教授，主要研究方向：机床制造及其自动化，现已发表专业论文20余篇。
收稿时间：2002-02-04
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虚拟仪器-仪器科学与技术的未来
作者：姜万录， 吴胜强， 张建成
作者单位：燕山大学机械工程学院,秦皇岛066004
刊名：
机床与液压
英文刊名：MACHINE TOOL & HYDRAULICS
年，卷(期)：2002(6)
被引用次数：15次
参考文献(3条)
1.王燕山基于虚拟仪器的电液伺服阀静动态特性CAT理论与实验研究[学位论文] 2000
2.姜万录;王燕山;王益群电液伺服阀综合性能VICAT系统[期刊论文]-机床与液压 2002(01)
3.张建成基于小波信号处理理论的伺服阀静动态特性VICAT系统 2001
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