1 虛擬儀器簡介
美國NI(National Instruments)公司在20世紀(jì)80年代中期提出了虛擬儀器的概念。到目前為止，NI公司已研制和推出了多種總線式系統(tǒng)的虛擬儀器，美國的HP公司、Racal公司等也相繼推出了多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器。虛擬儀器是目前發(fā)達(dá)國家研究的熱點(diǎn)之一。
虛擬儀器就是利用PC計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立中英文界面的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，代替了傳統(tǒng)儀器并改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能［1］，提高儀器的使用功能和效率，大幅度降低儀器的價(jià)格。
虛擬儀器除具有普通儀器的功能外，還可以完成傳統(tǒng)儀器不可能實(shí)現(xiàn)的測試功能。它的最大特點(diǎn)就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，用戶可根據(jù)自己定義的測試功能的需要，設(shè)計(jì)所需要的儀器系統(tǒng)，滿足多種應(yīng)用需求。虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的儀器控制面板。軟面板上具有與實(shí)際儀器相擬的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件，用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作來檢驗(yàn)儀器的通信和操作。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實(shí)現(xiàn)了軟件化，任何一個(gè)使用者都可能通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的新思路。
2 虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)
軟件的研制是虛擬儀器的關(guān)鍵，一個(gè)高效的開發(fā)平臺(tái)有利于構(gòu)建強(qiáng)大的虛擬儀器系統(tǒng)，其代表產(chǎn)品是美國NI公司的Lab View和Lab Windows。Lab View面向的是沒有編程經(jīng)驗(yàn)的用戶，尤其適合從事科研、開發(fā)的科學(xué)家、工程技術(shù)人員。有C語言編程經(jīng)驗(yàn)的用戶則可以使用NI的另一種虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)Lab Windows/CVI來簡化程序開發(fā)，提高編程速度。本文虛擬儀器的軟件開發(fā)采用了NI公司最新版本的Lab Windows/CVI 5.0。
2.1 Lab Windows/CVI簡介
Lab Windows/CVI是美國NI公司專門用于虛擬儀器的基于ANSIC、交互式C語言的開發(fā)平臺(tái)。它提供了豐富的儀器儀表的界面和控件，并帶有數(shù)值分析、數(shù)字信號(hào)處理、GPIB、VXI、VISA、TCP等庫函數(shù)，同標(biāo)準(zhǔn)C/C++兼容。Lab Windows/CVI是一種開放的開發(fā)環(huán)境，以工程文件為主體框架將C原代碼文件、庫文件、目標(biāo)模塊、用戶界面文件、動(dòng)態(tài)連接庫、儀器驅(qū)動(dòng)器等多種功能組合集于一體，可編譯性能強(qiáng)；可以在Win3.X/Win95/WinNT/Unix和并行Power MAX中應(yīng)用，具有交叉平臺(tái)兼容性。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
Lab Windows/CVI是一種可視化編程技術(shù)，通過彈出式菜單定義用戶界面，并將它存儲(chǔ)在后綴名為.UIR的文件中，由用戶界面編輯器對其進(jìn)行編輯、保存，Lab Windows/CVI將自動(dòng)生成源代碼文件，聲明界面對象常量及相關(guān)回調(diào)函數(shù)。
利用Lab Windows/CVI提供的代碼生成器和函數(shù)面板這兩種交互式編程工具，可自動(dòng)生成各種結(jié)構(gòu)命令框架，極大減少源碼語句的輸入量，減少程序的語法錯(cuò)誤，提高應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的效率和可靠性。功能強(qiáng)大的函數(shù)庫的調(diào)用大大提高了對數(shù)據(jù)的分析和處理能力。如HPVEE可提供200種以上的數(shù)學(xué)運(yùn)算和分析功能，從最基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算到微積分及回歸分析等。以圖形或?qū)ο蠓绞秸{(diào)用各種功能各異、使用方便的庫函數(shù)，既能完成對數(shù)據(jù)的分析處理，又節(jié)省了大量的開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。
使用Lab Windows/CVI開發(fā)Windows3.X—95/NT平臺(tái)下的應(yīng)用程序，凡涉及復(fù)雜的Windows的編程細(xì)節(jié)，Lab Windows/CVI會(huì)自行處理好，而無需使用者再去鉆研這些技術(shù)。
3 監(jiān)測水質(zhì)的虛擬儀器系統(tǒng)
3.1 軟面板設(shè)計(jì)
軟面板的設(shè)計(jì)分為兩個(gè)步驟：使用界面編輯器產(chǎn)生一個(gè)圖形面板；編寫程序代碼對圖形面板進(jìn)行處理。
圖1是利用Lab Windows/CVI 5.0開發(fā)的一個(gè)水質(zhì)物理指標(biāo)監(jiān)測的軟面板設(shè)計(jì)實(shí)例。此虛擬儀器可以同時(shí)或分別對水溫、pH值、電導(dǎo)率、濁度等進(jìn)行監(jiān)測。面板中間具有4個(gè)數(shù)值顯示窗口和4個(gè)圖形顯示窗口，分別顯示數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)兩種讀取方式：用鼠標(biāo)讀取；在顯示屏上放一個(gè)游標(biāo)，利用鍵盤控制。
存儲(chǔ)數(shù)據(jù)命令按鈕與顯示屏相對應(yīng)，按下它就表示要把顯示屏上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來。存儲(chǔ)方式有兩種：存儲(chǔ)在文件里或通過打印機(jī)打印。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可以多種方式顯示：如柱型圖，三維立體圖，直方圖等。
通過數(shù)據(jù)分析庫(按鈕)能夠?qū)λ鶞y數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、回歸、分析(調(diào)用函數(shù)等)，使用幫助菜單(按鈕)將熟悉和了解儀器的功能、操作等，按下“退出”按鈕后將關(guān)閉虛擬儀器。
3.2 硬件結(jié)構(gòu)
虛擬儀器的硬件平臺(tái)主要包括用于數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析處理和信號(hào)輸出顯示等硬件。由于從傳感器直接得到的信號(hào)很微弱，因此選用了美國Burr Brown公司專門用于數(shù)據(jù)采集、具有高精度及強(qiáng)抗干擾能力的精密隔離儀表放大器ISO165作為信號(hào)處理單元的主放大器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國Iotech WaveBook/512 Data Acquisition System，其主要性能指標(biāo)：采樣頻率為IMHz，通道數(shù)為8，A/D精度為±0.025%，抗混濾波器，F(xiàn)IFO緩沖器64 k。
3.3 應(yīng)用實(shí)例
圖1和圖2是自行研制開發(fā)的水質(zhì)物理指標(biāo)和化學(xué)離子檢測指標(biāo)測定的虛擬儀器前面板，面板中間的4個(gè)數(shù)值顯示窗口和4個(gè)圖形顯示窗口可以同時(shí)對水溫、pH值、電導(dǎo)率、濁度和氟離子、氯離子、氰離子、溶解氧等濃度進(jìn)行監(jiān)測。
系統(tǒng)設(shè)置了采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率等，通過通道選擇，可以以一個(gè)大的顯示窗口分別顯示水溫、pH值、電導(dǎo)率、濁度以及氟離子、氯離子、氰離子、溶解氧濃度等由外設(shè)端口或從數(shù)據(jù)文件中讀出的原始信號(hào)數(shù)據(jù)。
4 在水工業(yè)中的發(fā)展前景
虛擬儀器以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，將計(jì)算機(jī)和測試系統(tǒng)有機(jī)地融合為一體，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于用戶自定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等。虛擬儀器將眾多的測試儀器功能、技術(shù)參數(shù)和精度指標(biāo)集成在一個(gè)軟件庫中，通過與專用的硬件卡和接口搭配，完成眾多復(fù)雜儀器的功能，使得測試系統(tǒng)開發(fā)周期縮短、費(fèi)用降低，同時(shí)使得測試系統(tǒng)體積小、靈活方便，提高了測量精度及測量速度，它已成為現(xiàn)代測試系統(tǒng)發(fā)展的主流。
參考文獻(xiàn)：
［1］樂德廣，郭東輝，劉瑞堂.虛擬儀器結(jié)構(gòu)及其可視化編程的技術(shù)進(jìn)展［J］.計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量與控制，2001，9(1)：1-3.
