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 月安徽工程科技學院學報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( 安徽工程科技學院 機械工程系, 安徽 蕪湖 241000)摘要: 虛擬儀器是 2

2、0 世紀 80 年代興起的一項新技術, 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的發(fā)展歷史, 分析了虛擬儀 器技術在國民經(jīng)濟中的重要作用, 評述了國內外虛擬 儀器技術的研究現(xiàn)狀, 展望了虛擬儀器研究的發(fā)展趨勢.關 鍵 詞: 虛擬儀器; 研究現(xiàn)狀; 發(fā) 展趨勢文獻標識碼: A 中圖分類號: TP 311. 5, T P3911 虛擬儀器技術的發(fā)展及其在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要作用現(xiàn)代儀器儀表技術是計算機技術和多種基礎學科緊密結合的產

3、物. 隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展, 新的測試理論、測試方法、測試領域以及新的儀器結構不斷出現(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統(tǒng)一的定義

4、, 但是一般認為 : 虛擬儀器是在 PC 基礎上通過增加相關硬件和軟件構建而成的、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) 融合計算機強大的硬件資源, 突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制, 大大增強了傳統(tǒng)儀器的功能;( 2) 利用計算機豐富的軟件資源, 實現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化, 節(jié)省了物質資源, 增加了系統(tǒng)靈活性; 通過軟件技術和相應數(shù)值算法, 實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進

5、行各種分析與處理; 通過圖形用戶界面技術, 真正做到界面友好、人機交互;( 3) 虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點. 因此, 用戶可根據(jù)自己的需要, 選用不同廠家的產品, 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 95 家,

6、 共生產 1 000 多種虛擬儀器產品, 銷售額達 2. 93 億美元, 占整個儀器銷售額 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] . 生產虛擬儀器的主要廠家 NI、 等公司, 目前都生產數(shù)百個型號的虛擬儀器HP產品. 這些產品在國際市場上有較強的競爭力, 已進入中國市場.國內虛擬儀器研究的起步較晚, 最早的研究也是從引進消化 NI 的產品開始. 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] . 國家自然科學基金委員會已將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機械工程科學前沿學科之一, 并被列為/ 十五0期間優(yōu)先資助領域[ 6] . 我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展, 加快了企業(yè)的技術升級步伐, 先進儀器設備的需求更加強勁; 虛擬儀器賴以生存的個人計算機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. 因此, 我國的虛擬儀器存在巨大的發(fā)展?jié)摿? 據(jù)專家預測, 到/ 十

8、五0末我國虛擬儀器行業(yè)的產值將達到儀器儀表行業(yè)總產值的 50%收稿日期: 2003- 10- 10 基金項目: 安徽省自然科學基金資助項目( 03042306) ; 安徽省教育廳自然科學基金重點資助項目( 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#識產權.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)時間、提高系統(tǒng)的擴展性. 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)點和可編程器件設計靈活、制作及上市快速的長處相結合, 使設計者在現(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)的應用.3. 3 智能化軟件開發(fā)平臺是虛擬儀器一個重要

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)嚴重依賴經(jīng)驗. 調查表明, 虛擬儀器一般都是用戶根據(jù)自己的實際需要由自己開發(fā)完成的[2] . 但普通的虛擬儀器用戶中, 同時具有軟件設計經(jīng)驗和儀器專業(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) 儀器設計的 效率低. 在 現(xiàn)行的虛擬

11、儀 器設計中, 盡管 OO、 iveX、ActCOM 技術的廣泛采用在一定程度上提高了軟件的重用性, 但設計時仍需要編寫大量代碼才能把這些部件聯(lián)接成一個完整的系統(tǒng); ( 3) 儀器的可擴展性和可重構性差. 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、編譯才能實現(xiàn).因此, 采用人工智能技術提高虛擬儀器軟件系統(tǒng)的可重構能力, 降低虛擬儀器的設計難度, 真正實現(xiàn)用戶自己定義儀器的目標, 是虛擬儀器研究中亟待解決的一

12、項重要工作.4 結 論虛擬儀器是現(xiàn)代機械工程科學前沿學科之一, 也是對國民經(jīng)濟發(fā)展有重要影響的新興產業(yè). 虛擬儀器技術使得儀器儀表不再是功能單一的和固定的不可變結構, 而是越來越表現(xiàn)出柔性化和智能化, 其適應性越來越強, 功能也越來越豐富. 為了加速我國虛擬儀器技術的基礎研究和應用推廣, 應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行進一步研究. 國家也應盡快制定國家標準, 保護虛擬儀器的知識產權.參考文獻:[ 1][

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