虚拟仪器技术论文范文精选

1《虚拟仪器技术》课程的教学目标

《虚拟仪器技术》课程是为大三、大四阶段的通信工程专业的学生开设，该目标人群的特点是有一定的专业基础知识和文本编程基础。针对该类型的学生课程开设的目的有二：首先，学生能够掌握虚拟仪器软件开发环境，能够进行软件编程；其次，根据学生专业课程的特点，学生可以实现本专业课程的仿真实验。例如，根据《信号与系统》课程的知识实现信号的FFT变换、根据《通信原理》课程中掌握的原理实现模拟信号的调制解调。在该过程中学生既掌握了虚拟仪器软件编程的方法，也对过去学过的专业知识进行了复习并加深理解；最后，学生能够结合数据采集装置和相应传感器来实现工程设备的开发。

2《虚拟仪器技术》课程的教学方式

该门课程的教学方式采取的是课堂讲授、学生练习以及基于项目的动手实践相结合的教学方式。

（1）通过课堂理论教学使学生熟悉虚拟仪器技术的概念、原理和应用，使学生了解虚拟仪器在实际应用中的重要地位及其发展与应用前景。

（2）通过LabVIEW软件编程的练习和实践，使学生掌握虚拟仪器软件平台的操作和使用规则，在培养学生解决问题的能力的同时也给学生掌握专业基础知识提供了一个平台。

（3）通过专业实际训练使学生能够进行具体实际工程的设计，培养学生的实际动手能力和独立思考与综合运用所学知识解决实际问题的能力。

3《虚拟仪器技术》课程体系设置

近年来，虚拟仪器技术在航空、航天、航海、通信、汽车、半导体、生物医学等众多领域得到了广泛应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测控和工业自动化，从大学实验室到工业现场，从探索研究到技术集成，可以发现虚拟仪器技术应用的很多实例。国内外学者对此作了很多的研究工作，也发表了不少相关文章或论文，但在运动控制方面，却探讨的不多。因此，笔者想就虚拟仪器技术在步进电机控制系统中的应用，谈谈自己的一些初步探讨和体会。

一、虚拟仪器与运动控制

1.虚拟仪器与图形化编程语言-LabVIEW

虚拟仪器(即VirtualInstrument，简称NI)是一种基于计算机的仪器，就是在通用计算机上加上软件和(或)硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户(而不是厂家)可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。

虚拟仪器系统是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用PC计算机强大的图形编程环境和在线帮助功能，结合相应的硬件，快速建立人机交互界面的虚拟仪器面板，完成对仪器或设备的控制、数据分析与显示，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，方便地对其进行维护、扩展、升级等。

LabVIEW是美国NI公司利用虚拟仪器(virtualinstnlments)技术开发的32位，主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台。LabVIEW同时也是一一种功能强大的图形编程语言，但它与传统的文本编程语言(如c语言)不同，采用了一种基于流程图的图形化编程形式，因此也被称为G语言(graphicallanguage)。这种图形化的编程形式，方便了非软件专业的工程师快速编制程序。LabVIEW也不同于传统文本式的编程语言的顺序执行方式，而是采用了数据流的执行方式，这种方式要求程序仅在各节点已获得它的全部数据后才执行。

多任务并行处理一般是通过多线程技术来实现的，不同的任务实际上通过各自的线程轮流占用CPU时间片来达到“同时”处理的目的。LabVIEW也采用了多线程技术，而且与传统文本式的编程语言相比，有两大优点：LabVIEW把线程完全抽象出来，编程者不需对线程进行创建、撤销及同步等操作；LabVIEW使用图形化的数据流的执行方式，因此在调试程序时，可以非常直观地看到代码的并行运行状态，这使编程者很容易理解多任务的概念。

LabVIEW图形化编程语言有效地利用了当今图形用户接口的点击特性。编写程序只包含以下的一些简单步骤：

1系统结构组成

1．1传感器

本设计采用的传感器型号是Vaisala公司生产的气象变送器WXT520，是一个轻巧的小型变送器，采用紧凑式包装，可提供6种气象参数。WXT520用于测量风速、风向、降水、气压、温度和相对湿度。传感器外壳的等级为IP65/IP66，适合于我国北方的恶劣天气。WXT520采用32VDC，并使用可选择的通信协议输出串行数据:SDI－12、ASCII自动和轮询。有4个串行接口可供选择:RS－232、RS－485、RS－422和SDI－12;并配备了一个安装用8针M12接头和一个维护用4针M8接头。

1．2主控系统

主控系统包括数据采集器与控制器，具体包括控制器、采集器、通讯模块、供电电源和存储模块等部分。主控器通过嵌入式软件与供电、采集、通讯、存储等单元协调工作来完成。自动气象站的核心是数据采集器，负责数据收集、传输、统计分析和数据存储［4］。采集器电路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板，具有良好的扩展性，操作性、支持第三方控制器，包括时钟管理、实时及周期间隔定时器、复位、关机、高级中断及调试单元(DBGU)。通讯单元为西门子6GK7型工业以太网通讯单元，可以做到网络统一，可与支持EtherNet/IP的设备连接，结合使用Ethernet功能使其具有传感器监控器及控制值备份等现场实际应用功能，要想完成任务下达命令和数据上传功能需要通过网络来实现。通讯模块起到关键作用，所以要求其具备以下功能:①支持国际标准通讯协议，如TCP/IP(6．0)、UDP或者PPP，具有标准RS232串口;②可以自动监测联网状态，短线1min内自动拨号重新连接，防止数据的丢失;③接口速率为可选的1200～9600kB/s范围。存储单元:因采集数据的频率较短和跟踪监测的时间范围较长，因此采用存储容量为闪迪256G固态硬盘，用于保证存储容量及数据的安全性、稳定性和读取速度，同时存储单元可以记录系统工作状态。防雷单元:由于监测系统需要全天候连续工作，所以需要面对复杂天气状况，因此加装防雷设备对于整个系统的安全性尤为关键，本系统采用的是雷太LY1－B系列电涌保护器(一级防雷器)。供电单元:由于本系统需要在田间进行监测，不宜采用城市供电，因此选用了太阳能电池进行供电，对电池的容量要求为在无光线的环境中可以连续供电10天。扩展单元:新型传感器需要有相应的端口或接口与主控系统相连接，以满足系统升级或新添设备需要。

2系统设计

农田气象信息远程监测系统的主控器选用的是Atmel公司的ARM9系列的AT91SAM9260处理器。该处理器可以采用Linux操作系统，通过嵌入式应用控制程序，实现农田环境多要素气象数据的采集、处理及存储的功能。被采集到的气象要素基于TCP/IP协议的通讯网络，采用无线GPRS方式，根据实际情况选择最佳的组网方案，实现无线气象数据传输，并基于LabVIEW开发农业气象信息管理软件，使气象信息能够被读取。

2．1采集控制设计

1物联网技术与虚拟仪器应用结合

1.1实验室资源共享由于测控专业学生相对较少，所以大多高校都不愿花大量经费去建立测控专业的实验室，基本都采用共享其它专业实验室的方式，这也限制了测控专业的发展。我们学院也同样存在这个问题，目前针对测控技术与仪器专业开放的专业实验室有传感器实验室、自动控制实验室和计算机仿真实验室，没有专门的虚拟仪器实验室。之前学生只能在计算机仿真实验室里做些虚拟仪器课程的基础实验，无法做专业实验，在将物联网技术引入之后，我们摸索出了实验室资源共享的模式，也就是将不同实验室的资源共享使用，以此完成虚拟仪器课程的专业实验教学任务。其中传感器实验室拥有近20种传感器、30套ZigBee模块(WSN的一种)和30套GPRS模块(无线传输技术的一种)等设备；计算机仿真实验室拥有50台计算机和配套虚拟仪器软件，可以完成虚拟仪器课程的所有基础实验。在教学安排上只要将传感器技术和虚拟仪器课程分在两个学期，就可以实现两个实验室的资源共享，学生就可以借助于传感器实验室的资源完成虚拟仪器课程的大多数专业实验。

1.2科研成果转化虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合灵活高效的软件来完成各种自动测试、测量应用。将虚拟仪器技术和物联网技术结合起来，在自动测试测量、无线通信、故障诊断和远程测控等方面有着极大的应用价值和应用前景。目前，国内很多高校和科研机构积极致力于这两者结合模式的研究，如天津大学、华北电力大学等。我们学院在这方面也开展了很多研究，譬如开展了“基于LabVIEW和物联网的风光互补电站监控系统的研究”、“虚拟仪器与GPRS无线通信测试研究”等多项校厅级项目，并取得了一些成果。我们已经将项目涉及的无线传感器技术、GPRS无线数据传输技术应用到虚拟仪器课程当中，对整个虚拟仪器课程的教学起到了很大的推动作用。

2物联网技术的应用体现

物联网技术在虚拟仪器课程中的应用体现在实验教学环节，主要针对专业实验。因为基础实验仅依靠软件编程就可以实现，譬如学生编程练习数组函数、结构等知识。但对于专业实验，必须要有硬件配套才能完成，借助于传感器实验室的WSN和GPRS将传感器测量的信号传给计算机仿真实验室的上位机，再通过上位编程对各种参数进行分析处理，就实现了一套从数据采集、数据传输、数据分析、数据存储、远程监控的完整流程，让学生体会到虚拟仪器作为自动测试测量领域专业开发工具的优势所在，掌握到该领域的一些前沿技术，此类专业实验的实验流程如图1所示，只要改变传感器类型、ZigBee组网方式和数据中心程序，就可以完成不同的专业实验。在实验内容安排上，我们追求量少质高。开设了几个目前科研应用中比较常用的无线通信、远程测控和故障诊断方面的实验。譬如开设的“虚拟仪器与GPRS无线通信测试”实验，就是由校级精品实验项目转化而来，旨在通过借助虚拟仪器的实验平台，快速搭建一套GPRS无线通信系统，模拟实际工程中无线通信的全过程，通过LabVIEW编程，设计出友好的人机交互界面，将无线通信的原理和过程直观形象地展现出来，让学生充分理解无线通信的原理和设计思想，在实验室里就能接触到要在科研项目或企业里才能用到的新技术。同时在课堂教学上将实验中涉及到的物联网技术进行讲解，譬如ZigBee组网选择、ZigBee组网协议、用于GPRS通信的TCP/IP协议等，讲解时可结合项目实例进行，课堂上现场演示利用GPRS技术通过简单编程实现手机短信和彩信的收发，让学生能直观地感受到所学课程的实用性和前沿性，让学生从心底里产生要将这门课学好的冲动。

3教学效果

引入物联网技术之前，由于无法开展专业性的实验，使得很多理论无法得到实践运用和验证，学生只能通过编程练习数组函数、结构等基础实验，普遍感觉实验比较空洞、枯燥，积极性不高，学生感觉不到该课程的工程应用价值，也体会不到虚拟仪器作为自动测试、测量领域专业开发工具的优势所在。在将物联网技术引入之后，使这一问题得到很大改观。开设的实验项目涉及的内容是目前很流行的无线通信领域，而且GPRS通信中还可以实现手机短信的接收和发送，所以学生的积极性都很高。另外，在项目的实验过程当中，每组学生会对程序界面的设计和调试过程进行探讨，所以实验氛围也很好。另外该类项目要求学生要对所做内容有个清晰的思路和具体实现方案，要求学生具备一定的编程能力和程序调试能力，所以对学生实践能力的锻炼，创新意识的培养、探究性思维的启发都起到一定作用。

4结语

应用领域：

手机测试

挑战：

中国的手机市场发展迅猛，世界各大手机厂商竞相争夺手机用户。在如此激烈的竞争中，手机的功能日趋丰富，比如摄像头、MP3、FM调频收音机等等。同时，手机通讯协议也层出不穷，GSM、CDMA、GPRS、CDMA2000、EDGE、WCDMA等等。为了应对产品的不断变化，工程师面临着提高效率并缩短产品市场化时间的挑战，他们需要一个灵活而强大的通用测试平台。我们先来看一个通用测试平台针对手机通讯协议的变化而表现出来的优势。大家知道，2G的协议比如GSM和CDMA都已被成功地运用于市场了，而3G的协议比如WCDMA，CDMA2000等等是未来的必然趋势。在从2G到3G的转变中，面临客户群、设备置换、技术的成熟度风险等等问题。运营商希望能够进行平滑的过渡，在不丢失已有手机用户的情况下，首先升级交换网络部分，这使得用户可以使用过渡期的2.5G产品，然后等时机成熟时再升级无线网络部分达到3G的标准。2G的测试仪器已经比较成熟，3G的测试产品正在加紧开发，2.5G的专用测试设备却由于传统仪器制造商考虑到研发成本和市场前景的问题而匮乏。

一家著名的手机制造商制造了支持EDGE(EnhancedDataratesforGSMEvolution)协议的2.5G手机产品，需要针对这一产品的测试方案。EDGE是一个专业协议，由于它的出现时间比较短，了解它的人也比较少，要在短期内构建一个EDGE测试系统是一个巨大的挑战。为了在市场上与同行竞争，需要在一个月内能够使用这套测试设备。

应用方案：

利用TestStand模块化，兼容性强，可自定义的特点，根据生产测试的需要对其进行修改与完善，并结合LabVIEW，GPIB卡，以及相应的测试仪器，创建百分之百符合自己需要的CDMA基站测试系统。

使用的产品：

【摘要】 虚拟仪器是利用软件技术，搭建模拟平台，利用虚拟仪器，学生可以在计算机上完成实验操作，既能使学生熟悉实验过程，也有助于提高学生的实践技能。因此，在高校中虚拟仪器得到了广泛应用，一方面解决了硬件器材不足，另一方面可以更好地M足学生完成实验的要求。虚拟仪器在高校中的应用作用是巨大的，但通过虚拟仪器完成的实验与在真实硬件环境下完成的实验也是有一定差别的。本论文主要从虚拟仪器的构成，分类及特点，虚拟仪器的现状与发展，虚拟仪器在教学系统中的应用等方面，阐述虚拟仪器的发展趋势，希望可以为研究虚拟仪器的学者提供一定的理论参考依据。

【关键词】 虚拟仪器 模拟平台 实验操作 发展趋势

一、虚拟仪器的构成、分类及特点

1.1虚拟仪器构成

虚拟仪器主要由硬件和软件构成，其中硬件是虚拟仪器的基础，主要由电路板和计算机两部分组成；软件是虚拟仪器的核心，在具体利用虚拟仪器进行工作的过程中，主要是通过软件完成基本操作的，进而达到实验的目的，在一定程度上能提高实验效果，并最终完成实验。

1.2虚拟仪器分类

虚拟仪器在使用过程中，通常分为PCI总线--插片型虚拟仪器、并行口式虚拟仪器、GPIB总线方式虚拟仪器、VXI总线方式虚拟仪器和PXI总线方式虚拟仪器。每种类型的虚拟仪器都有自身的特点及功能，在实际应用过程中，应选择适宜的虚拟仪器。

1.3虚拟仪器特点

【摘要】虚拟示波器是虚拟仪器的一个重要代表，其采用计算机基本的虚拟技术，用来模拟通用示波器的面板操作和处理功能，完成信号采集、调理、分析及显示等功能。既有通用示波器的功能，又有滤波，频谱分析，波形储存调用的特点，成本低廉且灵活，有很大的发展空间。本文根据计算机软件开发平台在虚拟示波器方面的应用，对Labview软件，MATLAB软件，Visual Basic软件，JAVA软件的优缺点进行详细的比较。

【关键词】Labview软件;MATLAB软件;Visual Basic软件;JAVA软件;优缺点

1.引言

传统示波器是电子工业、科学研究和教学实验领域中一种必备的仪器，并且都在这些领域中占有重要的地位。在高速发展的现代科技技术下，对传统测控仪器提出了新的技术要求，主要包括智能化、自动化、多样化等等[1]。传统仪器跟其他传统测控仪器一样，越来越不能满足这些新技术的要求，与此同时，新仪器的开发对开发商与用户都带来了更大的挑战。基于上述原因，新型的测控仪器设备的出现是当务之急，虚拟仪器这个概念变得不再陌生。

虚拟仪器的开发基于强大的计算机软件和硬件，把传感器技术，自动化控制技术等有效的融合在一起[2]。软件设计平台的灵活性，依据用户不同的特殊需求创建出人机友好操作界面，实现并取代各类特殊、昂贵的测试仪器的功能。

实现用户友好操作界面的软件操作平台有很多，例如，Labview软件，MATLAB软件，Visual Basic软件，JAVA软件等，本文将对实现虚拟示波器用户操作界面的开发性软件进行比较。

2.虚拟仪器的发展

2.1 国外发展状况

【摘 要】虚拟仪器是20世纪80年代兴起的一项新技术，是现代仪器仪表发展的重要方向.回顾了虚拟仪器技术的发展历史，分析了虚拟仪器技术在国民经济中的重要作用，评述了国内外虚拟仪器技术的研究现状，展望了虚拟仪器研究的发展趋势.

【关键词】虚拟仪器 研究现状 发展趋势

1.虚拟仪器技术的发展

现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物.随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化.在此背景下，1986年美国国家仪器公司提出了虚拟仪器的概念。尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为：虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。

和传统仪器相比，虚拟仪器具有巨大的优越性：

（1）融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能；

（2）利用计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性；通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理；通过图形用户界面技术，真正做到界面友好、人机交互；

（3）虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点.因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活，效率更高，缩短了系统组建时间。

摘要：虚拟技术在教学上的应用得到了教育界的广泛重视。文章介绍了常见的虚拟技术，总结了虚拟技术在测绘工程专业实践教学中的应用形式，提出基于虚拟技术的新实践教学模式是以实践为核心，理论教学围绕着实践展开，是一种“虚拟实践教学+物理实践教学”教学模式。

关键词：虚拟技术；仿真；测绘工程；实践教学

1常用虚拟技术

1.1虚拟仪器技术

虚拟仪器是基于计算机强大的数据存储、处理和显示能力，利用软件编程，模拟仪器各项功能，通过友好互动的图形界面让使用者在计算机上操作就像使用仪器操作一样。目前世界上最著名的3个虚拟仪器开发平台是LabWindows/CVI，Labview和HPVEE，也有学者利用3dmax，Unity3D等三维模型软件构建模拟三维虚拟仪器。

1.2虚拟现实技术

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它主要是利用计算生成所设定的三维立体虚拟环境或物体，使用人体感知技术将人类的思维、动作、感觉等经过三维交互设备与计算机交互反应，让人有身临其境的真实感觉。虚拟现实技术是现今仿真研究领域的前沿和热门，应用范围遍及各行各业。

1.3虚拟地理环境

【摘要】虚拟仪器技术是电子测量技术和计算机技术集成发展的结晶，虚拟仪器代表了现代仪器和测试技术发展的最新方向。本文着重介绍虚拟仪器的发展和应用，并对虚拟仪器的未来做出理性的分析。

【关键词】虚拟仪器；发展；应用

1.引言

随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，电子测量技术领域发生了巨大的变化；仪器结构的日趋复杂，仪器性能的不断提高，仪器的测试技术已成为测量领域的研究重点。美国国家仪器公司于20世纪80年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入了新的发展时期，随后研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向。虚拟仪器代表着从传统的以硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性改变。

2.仪器发展过程

到目前为止，电子测量仪器的发展大致分为4代，第1代为模拟仪器，如指针式万用表；第2代为数字化仪器，如数字频率计，此类仪器目前应用甚为广泛；第3代是智能仪器，不但可以自动检测，还能处理数据；第4代就是虚拟仪器，完全由计算机控制。

一立的装置是传统仪器的特征，传统仪器由操作面板、信号输入端口、检测结果输出等几部分组成。传统仪器用硬件电路或固化软件实现其功能。这种只能由仪器厂家来定义、制造的框架式结构决定了传统仪器的用户无法随意更改其结构和功能。从而也推动了虚拟仪器的面世。

所谓虚拟仪器，就是用户在通用计算机上加上软件和硬件，根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台他本人设计的专用传统仪器一样。