仪器世界中的变形金刚--虚拟仪器::Transformers in the instrument world--VIs

虚拟仪器的结构介绍

前面对虚拟仪器的概念作了简单介绍，接下来让我们通过揭开虚拟仪器的面纱，通过了解其内部结构来更加深入的认识它与传统仪器及与传统智能仪器的差异之处。

首先，虚拟仪器主要由硬件与虚拟仪器的核心软件两部分组成，如图08所示。其中硬件部分与传统仪器没有太大差异，包括待测/待分析样品、传感器/探测器、执行模块、信号调理、数模与模数转换及其他硬件。虚拟仪器的核心--软件部分主要包括面向硬件的接口或驱动、面向用户的人机输入输出接口界面与核心的信号处理与数据分析模块三大部分。取决于虚拟仪器的硬件接口，虚拟仪器可分为桌面 /膝上型虚拟仪器、远程/网络虚拟仪器与掌上/手持式虚拟仪器三大类，它们分别对应于串口并口等传统仪器接口、局域广域拨号等网络接口与红外蓝牙WiFi等新兴接口。值得一提的是，掌上/手持式虚拟仪器得益于便携媒体技术的蓬勃发展，彻底颠覆了传统仪器的结构与使用模式，有可能是将来进入千家万户甚至人手一套的虚拟仪器模式。

尽管虚拟仪器的核心在软件，但传感器与执行器是虚拟仪器面向现实世界的的眼耳鼻手，是虚拟仪器能够真正实现对现实世界测试的必要条件。当然，虚拟仪器与眼耳鼻手之间的连接也是必须的，如图09所示，现实世界中的力学电学与光学信号通过传感器或探测器变换成电信号，经过信号调理并转换成数字信号之后通过各种各样的接口连接到虚拟仪器。接口通常可通过仪器之间的连接线体现出来，如图10所示两种工业与科研中最常用的接口，GPIB(通用接口总线)与RS232串口。

虚拟仪器的软件实现有很多选项，从机器语言、文本语言(Basic, C, Visual Studio等)到图形化语言均可以用作虚拟仪器开发工具，这些工具各有特点，机器语言安全性高，但实现高级应用费时费事，高级语言使用方便，但安全性通常不可知(君不见伊朗的“震网”Stuxnet蠕虫病毒的植入途径可能与软件开发工具有关)。在通常的虚拟仪器开发中，对安全性要求并不高，这时高级语言，尤其是图形化G语言成为首选。据作者所知的G语言有美国国家仪器NI公司的Labview, HP公司的hpvee与吉林大学开发的LabScene，吉大的软件我略有耳闻，但并未见过，HP的vee我见过，但相比较而言Labview对我的吸引力更大，因此我多年来开发虚拟仪器使用工具正是Labview，本文中的举例也都基于Labview。Labview意思是laboratory virtual instrument engineering workbench--实验室虚拟仪器工程工作台，使用Labview开发的虚拟仪器结构如图11所示，分为前台面板与后台程序框图两部分，前台面板与后台程序紧密联系，但主要功能由后台程序实现。图08已经显示出，虚拟仪器是连接硬件与用户之间的桥梁，虚拟仪器的实现与其他的软硬件、仪器设计过程并无明显差异，一个根本的宗旨是化繁为简，即将仪器系统的实现分成一个个简单模块，如图12-图20所示，在这些实例中可以看到的不是一个一个的仪器整体，而是一个一个的组件，如图12所示的磁路设计模块、图13-14的马达设计模块、图15的分立器件电路设计、图16的微波网络π与T分布等效换算模块、图17的电路元器件参数的设计优化、图18的信号时频联合分析模块、图19的参数拟合模块，与图20的模糊逻辑控制模块。从诸多的这些虚拟仪器结构实现的模块实例不难看出其又一个奇特之处在于虚拟仪器组件设计与实现的灵活性是传统智能仪器所难以比拟的，这极大的方便了虚拟仪器组件的分解与装配。


图08 虚拟仪器结构图示，本人原创

图09 虚拟仪器需要的传感器与调理采样硬件示意图，本人原创

图10 虚拟仪器常用接口示意图，来自NI公司的ppt

图11 虚拟仪器制作图示，本人原创

图12 虚拟仪器的组件特点举例1/9--磁路设计，来自参考文献[13]

图13 虚拟仪器的组件特点举例2/9--三相交流电机设计，来自参考文献[13]

图14 虚拟仪器的组件特点举例3/9--步进电机设计，来自参考文献[13]

图15 虚拟仪器的组件特点举例4/9--电路设计，来自参考文献[11]

图16 虚拟仪器的组件特点举例5/9--微波网络设计之T网络与π网络结构参数换算，本人原创

图17 虚拟仪器的组件特点举例6/9--电路参数优化，来自参考文献[11]

图18 虚拟仪器应用举例7/9--时频联合分析仪，来自参考文献[10]

图19 虚拟仪器应用举例8/9--建模与参数拟合，来自参考文献[10]

图20 虚拟仪器应用举例9/9--模糊逻辑控制机，来自参考文献[12]

虚拟仪器应用举例

将各个传感、执行、分析等模块组装在一起即形成智能测量或分析系统。在这里主要结合自己的研发经历举几个系统级的例子，如图21-图25所示：图21是NI公司利用虚拟仪器制作的一个机器人、图22-图25是本人先后开发的磁致伸缩测量设备、交流回线测量系统、磁输运测量系统与磁电耦合测量系统。由于具体的设计与研发过程超过本文的范围与目的，在此不再进行更加深入的讨论，请读者从以下的图片中更多的感受虚拟仪器。如有读者想深入了解更多，我在后面提供不少参考文献与实例程序供下载、参考。


图21 虚拟仪器应用举例1/5--工业机器人，来自参考文献[12]

图22 虚拟仪器应用举例2/5--磁致伸缩测量仪，本人原创

图23 虚拟仪器应用举例3/5--回线测量仪，本人原创

图24 虚拟仪器应用举例4/5--交流磁电阻测量仪，本人原创

图25 虚拟仪器应用举例5/5--交流磁电效应测量仪，本人原创

结束语

本文根据作者对虚拟仪器的理解，跟读者分享虚拟仪器的结构与研发特点，最后结合自己研制的若干仪器作为实例展示虚拟仪器的应用。根据本人的理解，虚拟仪器核心的竞争力在于自由、灵活与方便便捷的联系真实世界与仪器用户，犹如仪器世界里的变形金刚，这就是本文题目的由来。虚拟仪器实质上是数学与仪器之间的直通车，虚拟仪器之所以成为仪器世界里的变形金刚，正是其拥有了软件与数学的灵魂与推动力。


附--本人专注于研发的物性测量系统及性能指标(当前水平，随着研发的深入自然持续更新)，有兴趣的朋友请站短或给我邮件咨询更多信息：
0、精密的宽频变频锁相仪(硬件+软件)，1Hz以下～1 GHz (锁相频率计专利技术[14])；
1、交流基本电磁性能(复阻抗、复介电率、复磁导率)测试频率范围(硬件+软件)，1Hz以下～100 MHz以上、典型阻抗测量范围0.1 Ω～10 MΩ、不确定度最优小于0.01%(宽频电桥补偿专利技术[15])；
2、交流耦合电磁性能，指标同上(磁电测量专利技术[16])；
3、高(1100 K)、低温(20 K)变温条件下的交流电磁性能测量；
4、角分辨磁矩测量VSM系统，最优灵敏度1e-6 emu；
5、回线测量、外场伸缩应变测量、交流IV测量；
6、其他定制磁、宽频电、光、热效应测量系统。


参考文献(含下载链接，这些文献有些是网上搜罗的，有些是自己转成pdf的，本人以为知识既然已经公开，通过共享能产生更强大的力量，故而无偿将其上传至此，不过任何对其拥有版权的人如果持有异议，请务必告知我删除其链接，并请接受我的道歉。)

[01]电子测量与智能仪器-孙焕根1992
[02]智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用-杨振江2001
[03]Handbook of networked and embedded control systems-Birkhauser2005.pdf
[04]Labview高级编程与虚拟仪器工程应用-雷振山2009
[05]LabVIEW Advanced Programming Techniques-Bitter2007
[06]LabVIEW based Advanced Instrumentation Systems-Sumathi2007.pdf
[07]Labview2009中文版虚拟仪器从入门到精通-李瑞2010
[08]Labview虚拟仪器程序设计从入门到精通-林静2010
[09]Labview虚拟仪器数据采集与串口通讯测控应用实战-李江全2010::推荐阅读！其书附带的cd-rom文档，其中有丰富的教程、视频、图片和例程
[10]Labview高级程序设计-杨乐平2003
[11]Analog Electronics with Labview-Ashley2000::模拟电子电路模型设计，对spice了解的人不妨一看。
[12]Intellegent control systems with Labview_Ponce-Cruz2009
[13]Labview for Electric Circuits, Machines, Drives, and Laboratories-Ertugrul2002::电路、磁路、电机相关组件的虚拟仪器搭建与介绍，原书亦包含cd-rom。
[14]一种抗噪音宽带频率测量方法及锁相频率计，中国发明专利号：CN 102495280 A
[15]一种宽频阻抗测量系统及宽频阻抗测量方法，中国发明专利申请号：201210081375.6
[16]一种全自动磁电材料磁电性能测量装置及其测量方法，国际发明专利号：G01R-033/06

其他推荐资料：

虚拟仪器基础教程(上)—袁渊2001.pdf
虚拟仪器基础教程(下)—袁渊2001.pdf
智能仪器-杨吉祥1986.pdf
智能仪器设计基础-赵新民1999.pdf
智能仪器入门-刘家松1987.pdf
智能仪器检修技术-林其鎏1990.pdf
智能仪器-黄圣国1993.pdf
虚拟仪器技术分析与应用-张毅2004.pdf
现代测控技术与智能仪器-杨欣荣1996.pdf
智能仪器原理与设计-杨欣荣1989.pdf
智能仪器设计基础-暴金生1989.pdf
智能仪器原理设计与发展-杨欣荣2003.pdf
虚拟仪器技术分析与应用-张毅2004.pdf
高级智能仪器理论基础-章少华1992.pdf

本人2008年初上传在资料中心的原创虚拟仪器vi程序包

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最后，在2012龙年到来之际，祝大家新年快乐，

万事如意，更上一层楼!!

楼主这个虚拟仪器在大学毕业论文上有看到过，我同学当时用3D MAX等工具模拟出实验室仪器的实际工作状态，对于初学者可以先在软件上练手，然后再去实际操作，效果很好

应助达人

如此nb的原创,直接把全场hold住了~

p.s.看到电子科大的校徽了~~ 洒家以前也是成电毕业的~~

楼上过奖了。难怪你topas用的这么专业，原来有这样一层背景啊。

拜读 了解了解

大陆，专门注册个ID给你捧场。对于远离这个行业的我，看到虚拟仪器的窗口依然感到无比的亲切，不禁让我想到教这个东西并且放我一马的老师，可是名字还是记不起来。并且借此祝你新年工作生活愉快。

应助达人

虚拟仪器其实有很大的市场价值，如果能同时控制仪器的话，相信大陆应该对这方面有所研究，真的很不错。