摘 要： 虛擬儀器的問世改變了儀器由廠家定義的方式，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)軟件。通過軟件提供的用戶界面窗口，創(chuàng)建和編輯等完成操作面板的設(shè)計(jì)，通過A/D卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，并能以多種形式輸出測(cè)試結(jié)果。本文以虛擬儀器用于風(fēng)速測(cè)試、汽車ECU測(cè)試和噪聲測(cè)試為例，說明其應(yīng)用的廣泛性。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 風(fēng)速檢測(cè) ECU 噪聲

虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念由美國(guó)儀器公司于1986年提出，它是由儀器硬件、數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試平臺(tái)構(gòu)成。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有開發(fā)周期短、費(fèi)用低、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)靈活、技術(shù)更新快、網(wǎng)絡(luò)接口便捷、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。由于虛擬儀器軟件不斷升級(jí)，功能得到了相應(yīng)的擴(kuò)展。利用A/D接口設(shè)備完成與信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和通信，計(jì)算機(jī)軟件的特定功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，從而完成測(cè)試功能。虛擬儀器利用軟件進(jìn)行編程，因其擁有良好的圖形用戶界面，操作簡(jiǎn)便，后期維護(hù)費(fèi)用低，應(yīng)用比較廣泛，如在農(nóng)業(yè)、汽車、機(jī)械等諸多領(lǐng)域。

一、 虛擬儀器系統(tǒng)

虛擬儀器系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，一部分由硬件系統(tǒng)構(gòu)成，它又分為計(jì)算機(jī)硬件和測(cè)控功能硬件；另一部分由軟件系統(tǒng)構(gòu)成，它的框架包括VISA庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。

虛擬儀器的軟件開發(fā)環(huán)境：一是圖形化的編程語(yǔ)言，如HPVEE、LabVIEW等。其中LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)是利用流程方框圖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，具有直觀、開發(fā)效率高的優(yōu)點(diǎn)。二是編程語(yǔ)言，如C、Visual C++、Lab Windows/CVI等。其中Lab Windows/CVI具有交互式開發(fā)平臺(tái)，通過編程和調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)過程通信，運(yùn)行速率比較高。

二、虛擬儀器在測(cè)試中的應(yīng)用

1.風(fēng)速檢測(cè)

由于我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)范圍較廣，特別是北方地區(qū)受氣候、土壤類型、植被的影響，土壤風(fēng)蝕呈地帶性規(guī)律變化。傳統(tǒng)測(cè)量風(fēng)速選用的是熱球式風(fēng)速儀，它的使用受環(huán)境影響較大，而且耗費(fèi)人力，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速值，數(shù)據(jù)記錄靠人工手工完成。為了對(duì)土壤風(fēng)蝕更好地研究，需測(cè)出地表不同高度的風(fēng)速值，以便研究土壤風(fēng)蝕變化。測(cè)試系統(tǒng)采用虛擬儀器，軟件開發(fā)環(huán)境選擇文本式的編程語(yǔ)言Lab Windows/CVI，它擁有圖形用戶界面，其中，用戶需對(duì)控件屬性進(jìn)行設(shè)置，生成回調(diào)函數(shù)源代碼，編輯相應(yīng)源代碼實(shí)現(xiàn)風(fēng)速數(shù)據(jù)通信，從而完成實(shí)時(shí)風(fēng)速測(cè)試。系統(tǒng)圖見圖1。

實(shí)驗(yàn)所需硬件設(shè)備包括傳感元件，感應(yīng)地表不同高度的氣流總壓和靜壓，并將信號(hào)輸入氣壓差變送器組形成壓差信號(hào)并轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出地表不同高度的風(fēng)速值。

風(fēng)速測(cè)試系統(tǒng)，需考慮到氣壓和溫度對(duì)氣流密度的影響？首先，輸入采樣頻率/采樣緩沖；其次，確定計(jì)數(shù)間隔/采樣次數(shù)；第三，選擇通道號(hào)，用戶可以自行選擇系統(tǒng)設(shè)定的通道號(hào)，如單通道測(cè)試，則選擇單通道號(hào)，如多通道同時(shí)測(cè)試，則選擇多通道進(jìn)行測(cè)試。最后，設(shè)定靈敏系數(shù)，根據(jù)微壓差變送器設(shè)定不同的靈敏系數(shù)，實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集卡共有16個(gè)通道，每個(gè)通道有不同的傳感器壓差信號(hào)。系統(tǒng)還設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，用戶根據(jù)需要設(shè)置存儲(chǔ)路徑。系統(tǒng)采集到的瞬時(shí)風(fēng)速值是在用戶設(shè)定的上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)測(cè)試并顯示出來(lái)的，軟件內(nèi)部將會(huì)計(jì)算采樣時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的平均值，并將結(jié)果顯示于平均風(fēng)速對(duì)應(yīng)的控件。

數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)采用Easy I/O for DAQ函數(shù)，在安裝NI-DAQ程序后，就可以使用Easy I/O for DAQ函數(shù)庫(kù)。采集實(shí)現(xiàn)過程，見圖2。

2.汽車ECU測(cè)試

ECU是負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能的電子控制模塊。由于近些年購(gòu)買汽車的人越來(lái)越多，對(duì)汽車的內(nèi)質(zhì)需求越來(lái)越高，一輛汽車裝有ECU的個(gè)數(shù)由十幾個(gè)甚至更多個(gè)組成，對(duì)測(cè)試人員來(lái)說，測(cè)試的難度大大提高。由于虛擬儀器軟件測(cè)試功能的優(yōu)勢(shì)，引入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計(jì)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、輔助測(cè)試電路、模擬執(zhí)行器等部分構(gòu)成，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃油和點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性并減少發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的氣體污染物。

測(cè)試系統(tǒng)以LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)，它以圖形方式組裝軟件模塊，生成專用儀器，它由面板、流程方框圖、圖標(biāo)/連接器組成，其中面板是用戶界面，流程方框圖是虛擬儀器源代碼，圖標(biāo)/連接器是調(diào)用接口。信號(hào)的采集通過I/O部件直接與數(shù)據(jù)采集板通信，計(jì)算機(jī)內(nèi)部完成數(shù)學(xué)或其他運(yùn)算，子VI部件調(diào)用其他虛擬儀器完成。

3.噪聲測(cè)試

傳統(tǒng)測(cè)量噪聲的儀器選用的是聲級(jí)計(jì)，它的原理是用電容式傳聲器接收信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)阻抗變換，前置放大器輸出低阻電壓信號(hào)，輸入衰減/輸入放大信號(hào)至計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，之后，再經(jīng)輸出衰減/放大器，將處理的信號(hào)輸入至均方根檢波器，得出噪聲的均方根聲壓值。如果想要對(duì)噪聲做進(jìn)一步的分析，可接示波器、記錄儀和信號(hào)分析系統(tǒng)，進(jìn)行信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析和存儲(chǔ)。若進(jìn)行再細(xì)致的分析，則還需外接其他設(shè)備，比較煩瑣。

噪聲測(cè)試系統(tǒng)采用虛擬儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，開發(fā)環(huán)境選用LabVIEW。測(cè)試系統(tǒng)的原理是電容式傳聲器負(fù)責(zé)接收被測(cè)聲壓信號(hào)，并將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大器對(duì)信號(hào)濾波，數(shù)據(jù)采集卡完成電信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，傳送給計(jì)算機(jī)，由編程軟件完成對(duì)所采信號(hào)的分析、處理、存儲(chǔ)和顯示。

三、結(jié)束語(yǔ)

虛擬儀器同時(shí)也可基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線，它可以大大縮小系統(tǒng)尺寸，而且具有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，可方便地與互聯(lián)網(wǎng)相連，可以廣泛支持如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，可構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制過程的網(wǎng)絡(luò)化，意味著它將在各個(gè)測(cè)試領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 季韶紅，盛立峰，侯天偉.虛擬儀器的構(gòu)成與發(fā)展.吉林廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）

[2] 趙芳.基于虛擬儀器的風(fēng)洞數(shù)據(jù)檢測(cè)與分析系統(tǒng)的研究.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009

[3] 薛雯，徐洋，胡彬.虛擬儀器技術(shù)在汽車測(cè)試中的應(yīng)用.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2009，23

[4] 吳偉斌，洪添勝，李震.基于虛擬儀器技術(shù)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)EUC仿真測(cè)試系統(tǒng).微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（2）

[5] 周明光，馬海潮.計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2005

[6] 劉君華. 虛擬儀器編程語(yǔ)言LabWindows/CVI教程. 電子工業(yè)出版社， 2001

[7] 尹秉奎，徐敏，黃鎮(zhèn)昌.基于LabVIEW 噪聲測(cè)試分析儀.現(xiàn)代制造工程， 2006（9）endprint

摘 要： 虛擬儀器的問世改變了儀器由廠家定義的方式，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)軟件。通過軟件提供的用戶界面窗口，創(chuàng)建和編輯等完成操作面板的設(shè)計(jì)，通過A/D卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，并能以多種形式輸出測(cè)試結(jié)果。本文以虛擬儀器用于風(fēng)速測(cè)試、汽車ECU測(cè)試和噪聲測(cè)試為例，說明其應(yīng)用的廣泛性。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 風(fēng)速檢測(cè) ECU 噪聲

虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念由美國(guó)儀器公司于1986年提出，它是由儀器硬件、數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試平臺(tái)構(gòu)成。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有開發(fā)周期短、費(fèi)用低、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)靈活、技術(shù)更新快、網(wǎng)絡(luò)接口便捷、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。由于虛擬儀器軟件不斷升級(jí)，功能得到了相應(yīng)的擴(kuò)展。利用A/D接口設(shè)備完成與信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和通信，計(jì)算機(jī)軟件的特定功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，從而完成測(cè)試功能。虛擬儀器利用軟件進(jìn)行編程，因其擁有良好的圖形用戶界面，操作簡(jiǎn)便，后期維護(hù)費(fèi)用低，應(yīng)用比較廣泛，如在農(nóng)業(yè)、汽車、機(jī)械等諸多領(lǐng)域。

一、 虛擬儀器系統(tǒng)

虛擬儀器系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，一部分由硬件系統(tǒng)構(gòu)成，它又分為計(jì)算機(jī)硬件和測(cè)控功能硬件；另一部分由軟件系統(tǒng)構(gòu)成，它的框架包括VISA庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。

虛擬儀器的軟件開發(fā)環(huán)境：一是圖形化的編程語(yǔ)言，如HPVEE、LabVIEW等。其中LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)是利用流程方框圖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，具有直觀、開發(fā)效率高的優(yōu)點(diǎn)。二是編程語(yǔ)言，如C、Visual C++、Lab Windows/CVI等。其中Lab Windows/CVI具有交互式開發(fā)平臺(tái)，通過編程和調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)過程通信，運(yùn)行速率比較高。

二、虛擬儀器在測(cè)試中的應(yīng)用

1.風(fēng)速檢測(cè)

由于我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)范圍較廣，特別是北方地區(qū)受氣候、土壤類型、植被的影響，土壤風(fēng)蝕呈地帶性規(guī)律變化。傳統(tǒng)測(cè)量風(fēng)速選用的是熱球式風(fēng)速儀，它的使用受環(huán)境影響較大，而且耗費(fèi)人力，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速值，數(shù)據(jù)記錄靠人工手工完成。為了對(duì)土壤風(fēng)蝕更好地研究，需測(cè)出地表不同高度的風(fēng)速值，以便研究土壤風(fēng)蝕變化。測(cè)試系統(tǒng)采用虛擬儀器，軟件開發(fā)環(huán)境選擇文本式的編程語(yǔ)言Lab Windows/CVI，它擁有圖形用戶界面，其中，用戶需對(duì)控件屬性進(jìn)行設(shè)置，生成回調(diào)函數(shù)源代碼，編輯相應(yīng)源代碼實(shí)現(xiàn)風(fēng)速數(shù)據(jù)通信，從而完成實(shí)時(shí)風(fēng)速測(cè)試。系統(tǒng)圖見圖1。

實(shí)驗(yàn)所需硬件設(shè)備包括傳感元件，感應(yīng)地表不同高度的氣流總壓和靜壓，并將信號(hào)輸入氣壓差變送器組形成壓差信號(hào)并轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出地表不同高度的風(fēng)速值。

風(fēng)速測(cè)試系統(tǒng)，需考慮到氣壓和溫度對(duì)氣流密度的影響？首先，輸入采樣頻率/采樣緩沖；其次，確定計(jì)數(shù)間隔/采樣次數(shù)；第三，選擇通道號(hào)，用戶可以自行選擇系統(tǒng)設(shè)定的通道號(hào)，如單通道測(cè)試，則選擇單通道號(hào)，如多通道同時(shí)測(cè)試，則選擇多通道進(jìn)行測(cè)試。最后，設(shè)定靈敏系數(shù)，根據(jù)微壓差變送器設(shè)定不同的靈敏系數(shù)，實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集卡共有16個(gè)通道，每個(gè)通道有不同的傳感器壓差信號(hào)。系統(tǒng)還設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，用戶根據(jù)需要設(shè)置存儲(chǔ)路徑。系統(tǒng)采集到的瞬時(shí)風(fēng)速值是在用戶設(shè)定的上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)測(cè)試并顯示出來(lái)的，軟件內(nèi)部將會(huì)計(jì)算采樣時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的平均值，并將結(jié)果顯示于平均風(fēng)速對(duì)應(yīng)的控件。

數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)采用Easy I/O for DAQ函數(shù)，在安裝NI-DAQ程序后，就可以使用Easy I/O for DAQ函數(shù)庫(kù)。采集實(shí)現(xiàn)過程，見圖2。

2.汽車ECU測(cè)試

ECU是負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能的電子控制模塊。由于近些年購(gòu)買汽車的人越來(lái)越多，對(duì)汽車的內(nèi)質(zhì)需求越來(lái)越高，一輛汽車裝有ECU的個(gè)數(shù)由十幾個(gè)甚至更多個(gè)組成，對(duì)測(cè)試人員來(lái)說，測(cè)試的難度大大提高。由于虛擬儀器軟件測(cè)試功能的優(yōu)勢(shì)，引入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計(jì)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、輔助測(cè)試電路、模擬執(zhí)行器等部分構(gòu)成，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃油和點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性并減少發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的氣體污染物。

測(cè)試系統(tǒng)以LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)，它以圖形方式組裝軟件模塊，生成專用儀器，它由面板、流程方框圖、圖標(biāo)/連接器組成，其中面板是用戶界面，流程方框圖是虛擬儀器源代碼，圖標(biāo)/連接器是調(diào)用接口。信號(hào)的采集通過I/O部件直接與數(shù)據(jù)采集板通信，計(jì)算機(jī)內(nèi)部完成數(shù)學(xué)或其他運(yùn)算，子VI部件調(diào)用其他虛擬儀器完成。

3.噪聲測(cè)試

傳統(tǒng)測(cè)量噪聲的儀器選用的是聲級(jí)計(jì)，它的原理是用電容式傳聲器接收信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)阻抗變換，前置放大器輸出低阻電壓信號(hào)，輸入衰減/輸入放大信號(hào)至計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，之后，再經(jīng)輸出衰減/放大器，將處理的信號(hào)輸入至均方根檢波器，得出噪聲的均方根聲壓值。如果想要對(duì)噪聲做進(jìn)一步的分析，可接示波器、記錄儀和信號(hào)分析系統(tǒng)，進(jìn)行信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析和存儲(chǔ)。若進(jìn)行再細(xì)致的分析，則還需外接其他設(shè)備，比較煩瑣。

噪聲測(cè)試系統(tǒng)采用虛擬儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，開發(fā)環(huán)境選用LabVIEW。測(cè)試系統(tǒng)的原理是電容式傳聲器負(fù)責(zé)接收被測(cè)聲壓信號(hào)，并將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大器對(duì)信號(hào)濾波，數(shù)據(jù)采集卡完成電信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，傳送給計(jì)算機(jī)，由編程軟件完成對(duì)所采信號(hào)的分析、處理、存儲(chǔ)和顯示。

三、結(jié)束語(yǔ)

虛擬儀器同時(shí)也可基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線，它可以大大縮小系統(tǒng)尺寸，而且具有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，可方便地與互聯(lián)網(wǎng)相連，可以廣泛支持如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，可構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制過程的網(wǎng)絡(luò)化，意味著它將在各個(gè)測(cè)試領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 季韶紅，盛立峰，侯天偉.虛擬儀器的構(gòu)成與發(fā)展.吉林廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）

[2] 趙芳.基于虛擬儀器的風(fēng)洞數(shù)據(jù)檢測(cè)與分析系統(tǒng)的研究.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009

[3] 薛雯，徐洋，胡彬.虛擬儀器技術(shù)在汽車測(cè)試中的應(yīng)用.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2009，23

[4] 吳偉斌，洪添勝，李震.基于虛擬儀器技術(shù)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)EUC仿真測(cè)試系統(tǒng).微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（2）

[5] 周明光，馬海潮.計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2005

[6] 劉君華. 虛擬儀器編程語(yǔ)言LabWindows/CVI教程. 電子工業(yè)出版社， 2001

[7] 尹秉奎，徐敏，黃鎮(zhèn)昌.基于LabVIEW 噪聲測(cè)試分析儀.現(xiàn)代制造工程， 2006（9）endprint

摘 要： 虛擬儀器的問世改變了儀器由廠家定義的方式，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)軟件。通過軟件提供的用戶界面窗口，創(chuàng)建和編輯等完成操作面板的設(shè)計(jì)，通過A/D卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，并能以多種形式輸出測(cè)試結(jié)果。本文以虛擬儀器用于風(fēng)速測(cè)試、汽車ECU測(cè)試和噪聲測(cè)試為例，說明其應(yīng)用的廣泛性。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 風(fēng)速檢測(cè) ECU 噪聲

虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念由美國(guó)儀器公司于1986年提出，它是由儀器硬件、數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試平臺(tái)構(gòu)成。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有開發(fā)周期短、費(fèi)用低、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)靈活、技術(shù)更新快、網(wǎng)絡(luò)接口便捷、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。由于虛擬儀器軟件不斷升級(jí)，功能得到了相應(yīng)的擴(kuò)展。利用A/D接口設(shè)備完成與信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和通信，計(jì)算機(jī)軟件的特定功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，從而完成測(cè)試功能。虛擬儀器利用軟件進(jìn)行編程，因其擁有良好的圖形用戶界面，操作簡(jiǎn)便，后期維護(hù)費(fèi)用低，應(yīng)用比較廣泛，如在農(nóng)業(yè)、汽車、機(jī)械等諸多領(lǐng)域。

一、 虛擬儀器系統(tǒng)

虛擬儀器系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，一部分由硬件系統(tǒng)構(gòu)成，它又分為計(jì)算機(jī)硬件和測(cè)控功能硬件；另一部分由軟件系統(tǒng)構(gòu)成，它的框架包括VISA庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。

虛擬儀器的軟件開發(fā)環(huán)境：一是圖形化的編程語(yǔ)言，如HPVEE、LabVIEW等。其中LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)是利用流程方框圖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，具有直觀、開發(fā)效率高的優(yōu)點(diǎn)。二是編程語(yǔ)言，如C、Visual C++、Lab Windows/CVI等。其中Lab Windows/CVI具有交互式開發(fā)平臺(tái)，通過編程和調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)過程通信，運(yùn)行速率比較高。

二、虛擬儀器在測(cè)試中的應(yīng)用

1.風(fēng)速檢測(cè)

由于我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)范圍較廣，特別是北方地區(qū)受氣候、土壤類型、植被的影響，土壤風(fēng)蝕呈地帶性規(guī)律變化。傳統(tǒng)測(cè)量風(fēng)速選用的是熱球式風(fēng)速儀，它的使用受環(huán)境影響較大，而且耗費(fèi)人力，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速值，數(shù)據(jù)記錄靠人工手工完成。為了對(duì)土壤風(fēng)蝕更好地研究，需測(cè)出地表不同高度的風(fēng)速值，以便研究土壤風(fēng)蝕變化。測(cè)試系統(tǒng)采用虛擬儀器，軟件開發(fā)環(huán)境選擇文本式的編程語(yǔ)言Lab Windows/CVI，它擁有圖形用戶界面，其中，用戶需對(duì)控件屬性進(jìn)行設(shè)置，生成回調(diào)函數(shù)源代碼，編輯相應(yīng)源代碼實(shí)現(xiàn)風(fēng)速數(shù)據(jù)通信，從而完成實(shí)時(shí)風(fēng)速測(cè)試。系統(tǒng)圖見圖1。

實(shí)驗(yàn)所需硬件設(shè)備包括傳感元件，感應(yīng)地表不同高度的氣流總壓和靜壓，并將信號(hào)輸入氣壓差變送器組形成壓差信號(hào)并轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出地表不同高度的風(fēng)速值。

風(fēng)速測(cè)試系統(tǒng)，需考慮到氣壓和溫度對(duì)氣流密度的影響？首先，輸入采樣頻率/采樣緩沖；其次，確定計(jì)數(shù)間隔/采樣次數(shù)；第三，選擇通道號(hào)，用戶可以自行選擇系統(tǒng)設(shè)定的通道號(hào)，如單通道測(cè)試，則選擇單通道號(hào)，如多通道同時(shí)測(cè)試，則選擇多通道進(jìn)行測(cè)試。最后，設(shè)定靈敏系數(shù)，根據(jù)微壓差變送器設(shè)定不同的靈敏系數(shù)，實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集卡共有16個(gè)通道，每個(gè)通道有不同的傳感器壓差信號(hào)。系統(tǒng)還設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，用戶根據(jù)需要設(shè)置存儲(chǔ)路徑。系統(tǒng)采集到的瞬時(shí)風(fēng)速值是在用戶設(shè)定的上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)測(cè)試并顯示出來(lái)的，軟件內(nèi)部將會(huì)計(jì)算采樣時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的平均值，并將結(jié)果顯示于平均風(fēng)速對(duì)應(yīng)的控件。

數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)采用Easy I/O for DAQ函數(shù)，在安裝NI-DAQ程序后，就可以使用Easy I/O for DAQ函數(shù)庫(kù)。采集實(shí)現(xiàn)過程，見圖2。

2.汽車ECU測(cè)試

ECU是負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能的電子控制模塊。由于近些年購(gòu)買汽車的人越來(lái)越多，對(duì)汽車的內(nèi)質(zhì)需求越來(lái)越高，一輛汽車裝有ECU的個(gè)數(shù)由十幾個(gè)甚至更多個(gè)組成，對(duì)測(cè)試人員來(lái)說，測(cè)試的難度大大提高。由于虛擬儀器軟件測(cè)試功能的優(yōu)勢(shì)，引入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計(jì)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、輔助測(cè)試電路、模擬執(zhí)行器等部分構(gòu)成，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃油和點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性并減少發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的氣體污染物。

測(cè)試系統(tǒng)以LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)，它以圖形方式組裝軟件模塊，生成專用儀器，它由面板、流程方框圖、圖標(biāo)/連接器組成，其中面板是用戶界面，流程方框圖是虛擬儀器源代碼，圖標(biāo)/連接器是調(diào)用接口。信號(hào)的采集通過I/O部件直接與數(shù)據(jù)采集板通信，計(jì)算機(jī)內(nèi)部完成數(shù)學(xué)或其他運(yùn)算，子VI部件調(diào)用其他虛擬儀器完成。

3.噪聲測(cè)試

傳統(tǒng)測(cè)量噪聲的儀器選用的是聲級(jí)計(jì)，它的原理是用電容式傳聲器接收信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)阻抗變換，前置放大器輸出低阻電壓信號(hào)，輸入衰減/輸入放大信號(hào)至計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，之后，再經(jīng)輸出衰減/放大器，將處理的信號(hào)輸入至均方根檢波器，得出噪聲的均方根聲壓值。如果想要對(duì)噪聲做進(jìn)一步的分析，可接示波器、記錄儀和信號(hào)分析系統(tǒng)，進(jìn)行信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析和存儲(chǔ)。若進(jìn)行再細(xì)致的分析，則還需外接其他設(shè)備，比較煩瑣。

噪聲測(cè)試系統(tǒng)采用虛擬儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，開發(fā)環(huán)境選用LabVIEW。測(cè)試系統(tǒng)的原理是電容式傳聲器負(fù)責(zé)接收被測(cè)聲壓信號(hào)，并將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大器對(duì)信號(hào)濾波，數(shù)據(jù)采集卡完成電信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，傳送給計(jì)算機(jī)，由編程軟件完成對(duì)所采信號(hào)的分析、處理、存儲(chǔ)和顯示。

三、結(jié)束語(yǔ)

虛擬儀器同時(shí)也可基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線，它可以大大縮小系統(tǒng)尺寸，而且具有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，可方便地與互聯(lián)網(wǎng)相連，可以廣泛支持如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，可構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制過程的網(wǎng)絡(luò)化，意味著它將在各個(gè)測(cè)試領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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