虛擬儀器的發(fā)展研究現(xiàn)狀與展望

1、第 18 卷第 4 期 2003 年 12 月安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)Journal of Anhui University of T echnology and ScienceVol. 18. No. 4Dec. , 2003文章編號: 1672- 2477( 2003) 04- 0001- 04虛擬儀器的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀與展望李 震, 柯旭貴, 汪云祥( 安徽工程科技學(xué)院 機(jī)械工程系, 安徽 蕪湖 241000)摘要: 虛擬儀器是 2

2、0 世紀(jì) 80 年代興起的一項(xiàng)新技術(shù), 是現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的重要方向. 回顧了虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展歷史, 分析了虛擬儀 器技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中的重要作用, 評述了國內(nèi)外虛擬 儀器技術(shù)的研究現(xiàn)狀, 展望了虛擬儀器研究的發(fā)展趨勢.關(guān) 鍵 詞: 虛擬儀器; 研究現(xiàn)狀; 發(fā) 展趨勢文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 中圖分類號: TP 311. 5, T P3911 虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展及其在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)

3、物. 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展, 新的測試?yán)碚?、測試方法、測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn), 在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念, 電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化. 在此背景下, 1986 年美國國家儀器公司( Nat ional Inst ruments, NI) 提出了虛擬儀器 ( Virtual Inst rument, V I) 的概念 [1] . 盡管迄今為止虛擬儀器還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義

4、, 但是一般認(rèn)為 : 虛擬儀器是在 PC 基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測試儀器系統(tǒng). 和傳統(tǒng)儀器相比, 虛擬儀器具有巨大的優(yōu)越性:( 1) 融合計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源, 突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的限制, 大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能;( 2) 利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源, 實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化, 節(jié)省了物質(zhì)資源, 增加了系統(tǒng)靈活性; 通過軟件技術(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法, 實(shí)時(shí)、直接地對測試數(shù)據(jù)進(jìn)

5、行各種分析與處理; 通過圖形用戶界面技術(shù), 真正做到界面友好、人機(jī)交互;( 3) 虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn). 因此, 用戶可根據(jù)自己的需要, 選用不同廠家的產(chǎn)品, 使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活, 效率更高, 縮短了系統(tǒng)組建時(shí)間.作為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的方向, 虛擬儀器已迅速發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè). 美國是虛擬儀器的誕生地,也是全球最大的虛擬儀器制造國. 到 1994 年底, 虛擬儀器制造廠已達(dá) 95 家,

6、 共生產(chǎn) 1 000 多種虛擬儀器產(chǎn)品, 銷售額達(dá) 2. 93 億美元, 占整個(gè)儀器銷售額 73 億美元的 4% [3] . 到 1996 年, 虛擬儀器已在儀器儀表市場中占有 10% 的份額 [4] . 生產(chǎn)虛擬儀器的主要廠家 NI、 等公司, 目前都生產(chǎn)數(shù)百個(gè)型號的虛擬儀器HP產(chǎn)品. 這些產(chǎn)品在國際市場上有較強(qiáng)的競爭力, 已進(jìn)入中國市場.國內(nèi)虛擬儀器研究的起步較晚, 最早的研究也是從引進(jìn)消化 NI 的產(chǎn)品開始. 但經(jīng)過多年研究, 我

7、國已經(jīng)在虛擬儀器開發(fā)方面形成了自己的特色 [5] . 國家自然科學(xué)基金委員會(huì)已將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機(jī)械工程科學(xué)前沿學(xué)科之一, 并被列為/ 十五0期間優(yōu)先資助領(lǐng)域[ 6] . 我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展, 加快了企業(yè)的技術(shù)升級步伐, 先進(jìn)儀器設(shè)備的需求更加強(qiáng)勁; 虛擬儀器賴以生存的個(gè)人計(jì)算機(jī)最近幾年以極高的速度在中國發(fā)展, 這些都為虛擬儀器在我國的普及奠定了良好的基礎(chǔ). 因此, 我國的虛擬儀器存在巨大的發(fā)展?jié)摿? 據(jù)專家預(yù)測, 到/ 十

8、五0末我國虛擬儀器行業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到儀器儀表行業(yè)總產(chǎn)值的 50%收稿日期: 2003- 10- 10 基金項(xiàng)目: 安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 03042306) ; 安徽省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目( 2002kj070ZD)作者簡介: 李震( 1963 - ) , 男 , 安徽六安人, 副教授.[7][2].第 4期 李 震: 虛擬儀器的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀與展 望 # 3#識產(chǎn)權(quán).3. 2 高性能數(shù)字信號處理芯片將加速虛擬儀器的發(fā)

9、展大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷蛿?shù)字信號處理器技術(shù)的快速發(fā)展和芯片成本的降低, 不僅可以提高信號采集和處理的速度, 也將縮短虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間、提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性. 例如, 美國 XiLinx 公司的現(xiàn)場可編程邏輯器件( FP GA) , 將現(xiàn)代 VLSI 邏輯集成的優(yōu)點(diǎn)和可編程器件設(shè)計(jì)靈活、制作及上市快速的長處相結(jié)合, 使設(shè)計(jì)者在現(xiàn)場直接根據(jù)系統(tǒng)要求定義和修改邏輯功能加速其在虛擬儀器系統(tǒng)的應(yīng)用.3. 3 智能化軟件開發(fā)平臺是虛擬儀器一個(gè)重要

10、的發(fā)展方向[19] . 總之, 高性能數(shù)字信號處理芯片必將盡管目前虛擬儀器的研究已取得許多重大進(jìn)展, 但現(xiàn)在的虛擬儀器體系仍存在以下問題: ( 1) 儀器開發(fā)嚴(yán)重依賴經(jīng)驗(yàn). 調(diào)查表明, 虛擬儀器一般都是用戶根據(jù)自己的實(shí)際需要由自己開發(fā)完成的[2] . 但普通的虛擬儀器用戶中, 同時(shí)具有軟件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和儀器專業(yè)知識的十分有限. 因此, 對普通的用戶來說, 自我開發(fā)虛擬儀器還具有比較大的難 度; ( 2) 儀器設(shè)計(jì)的 效率低. 在 現(xiàn)行的虛擬

11、儀 器設(shè)計(jì)中, 盡管 OO、 iveX、ActCOM 技術(shù)的廣泛采用在一定程度上提高了軟件的重用性, 但設(shè)計(jì)時(shí)仍需要編寫大量代碼才能把這些部件聯(lián)接成一個(gè)完整的系統(tǒng); ( 3) 儀器的可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性差. 用戶若需要改變儀器的某些功能, 必須要通過開發(fā)平臺在代碼層次上重新修改、編譯才能實(shí)現(xiàn).因此, 采用人工智能技術(shù)提高虛擬儀器軟件系統(tǒng)的可重構(gòu)能力, 降低虛擬儀器的設(shè)計(jì)難度, 真正實(shí)現(xiàn)用戶自己定義儀器的目標(biāo), 是虛擬儀器研究中亟待解決的一

12、項(xiàng)重要工作.4 結(jié) 論虛擬儀器是現(xiàn)代機(jī)械工程科學(xué)前沿學(xué)科之一, 也是對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響的新興產(chǎn)業(yè). 虛擬儀器技術(shù)使得儀器儀表不再是功能單一的和固定的不可變結(jié)構(gòu), 而是越來越表現(xiàn)出柔性化和智能化, 其適應(yīng)性越來越強(qiáng), 功能也越來越豐富. 為了加速我國虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用推廣, 應(yīng)在虛擬儀器的智能化開發(fā)平臺、高性能數(shù)字信號處理芯片等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究. 國家也應(yīng)盡快制定國家標(biāo)準(zhǔn), 保護(hù)虛擬儀器的知識產(chǎn)權(quán).參考文獻(xiàn):[ 1][

13、2][ 3][ 4][ 5][ 6][ 7][ 8][ 9][ 10][ 11][ 12][ 13][ 14][ 15][ 16][ 17]National Instruments Corporation. T he measurement and automat ion catalog[ Z] . User manual, 1996.Emmet L, Froome P. Requirements for a guide on the

14、development of Virtual instrument. Technique report of NationalPhysical Laboratory of UK [ R] . 1999.王紅茹. 虛擬儀器 ) 儀器發(fā)展的新時(shí)代[ DB/ OL] . Http: / / www. libnet. sh. sn/ szzy/ kjqb/ 1/ 1- 12. htm.Strassberg D. Virtual- instr u

15、ment softwar e goes 32 bits [ J] . EDN, 1996, ( 1) : 77- 84.雷源忠, 黎明. 機(jī)械工程科學(xué)前沿和優(yōu)先領(lǐng)域的初步構(gòu)想 [ J] . 中國機(jī)械 工程, 2000, 11( 1- 2) : 16- 20.秦樹人, 張思復(fù). 集成測試技術(shù)與虛擬式儀器 [ J] . 中國機(jī)械工程. 1999, 10( 1) : 77- 80./ 九 五0 期 間儀 器儀 表科 學(xué)技 術(shù)進(jìn) 展報(bào) 告[ D

16、B/ OL] . Htt p: / / www. jicheng. net. cn/ resour ce/ auto_news/ shichangjujiao/1002676. html.林正盛. 虛擬儀器技術(shù)及其發(fā)展 [ J] . 現(xiàn)代計(jì)量測試, 1997, ( 4) : 10- 14.韓九強(qiáng). 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺的研究 [ J] . 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 31( 9) : 6- 9.儀器 流技術(shù) ) ) ) 虛擬儀器產(chǎn)品

17、網(wǎng)絡(luò)化的研究與開發(fā)[ DB/ OL] . htt p: / / www. nast. org. cn/ site/ cgcx/ nr. htm? jhdjh =2001000034& jhdqdm= 950.李震 . 基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)信號集成處理系統(tǒng)研究 [ J] . 安徽機(jī)電學(xué)院學(xué) 報(bào), 2002, 17( 2) : 5- 8.朱曉 華. 基于組件技術(shù)的虛擬儀器開發(fā)方法研究 [ J] . 上海大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 5( 4

18、) : 357- 361.劉亞 . 虛擬儀器構(gòu)建技術(shù)[ J] . 計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量與控制, 1999, 7( 3) : 40- 43.秦樹 人, 湯保平. 面向 21 世紀(jì)的綠色儀器系統(tǒng) [ J] . 中國機(jī)械工程, 2000, 11( 3) : 275- 278.IVI 技術(shù)研究[ DB/ OL] . http: / / www. jicheng. net. cn/ solution/ auto_news/ wenjiaokeyan/

19、1001735. html.Deitz D. I mpact codes for the virtual laboratory[ J] . Mechanical Engneering, 1995, 117( 5) : 66- 70.Saliah H H, Dumont B P. Design of a web- based virtual labor ator y instr ument measurement interface[ A