原创 虚拟仪器的应用与校准

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 美国国家仪器公司（NI）在20世纪80年代最早提出虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）的概念。其核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。 
在近20年里，虚拟仪器这种计算机操纵的模块化仪器系统在世界范围内已得到了广泛的认同和应用。近几年中国对虚拟仪器应用的需求开始急剧高涨。虚拟仪器的概念逐渐被中国的工程师所接受，其应用范围也在不断扩大，并已有很多不同行业的应用案例。但是不少传统仪器厂商仍然对虚拟仪器持有不同的看法，他们的观点可大体分为反对派，折衷派，沉默派。安捷伦对虚拟仪器技术表现得不以为然，称虚拟仪器只能用于教育用途，在工程界的实际应用前景很有限。而罗德与施瓦茨（R&S）的看法则相对折衷，R&S产品支持经理安毅博士认为虚拟仪器具有一些优点，近几年的发展也较快。同时又指出其存在一定的局限性，如传统仪器在中高端测试方面的优势仍然非  
常明显。他强调，R&S的产品也在不断地吸收虚拟仪器的精华，如采用软件定义无线电（SDR）的技术，用更多的数字处理器件和相应软件来实现测量功能等等，从而缩小体积，提高仪器性能。他认为虚拟仪器和传统仪器都会有很大发展和广泛的应用。安立公司则认为虚拟仪器尽管有很多的应用模块，但是其整体性能相对于目前的传统仪器要落后一年左右。而泰克公司则对虚拟仪器技术的发展未发表评论。 

虚拟仪器概念简介 

虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。用户可以通过友好的图形界面（这里称作虚拟前面板）操作计算机，如同操作功能相同的单台传统仪器一样。 

在以PC计算机为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。虚拟仪器采用的开发平台LabVIEW现在已经成为行业标准的测试测量软件平台。LabVIEW软件为不同领域的工程师简化了各种技术融合的复杂性，帮助工程师通过同一个软件平台，在第一时间内运用最先进的主流商业技术，加快工作效率。例如一个没有学习过FPGA编程的工程师使用LabVIEWFPGA模块，可以借助LabVIEW这一已经掌握的工具开发FPGA应用，使用其自动生成的VHDL代码，而无需花时间了解FPGA的技术细节。LabVIEW的优势在于其图形化的编程方式，直观、便于用户自定义；LabVIEW可集成多种I/O和硬件平台；并且可以连接到多种第三方算法和不同的测试仪器。 

虚拟仪器与传统仪器的比较 

虚拟仪器技术通过计算机的软硬件平台来实现测试测量仪器的功能，具有体积小，成本低的特点。与传统仪器相比，虚拟仪器的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵活以及其开放性。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：虚拟仪器的关键是软件。 

虚拟仪器的特点可归纳为： 

1.在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。
2.仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。
3.仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器。
4.研制周期较传统仪器大为缩短。
5.虚拟仪器开放、灵活。可与计算机技术同步发展，可与网络及其它周边设备互联。

虚拟仪器在中国的应用 

尽管虚拟仪器近几年在中国发展得较快，但也遇到了一些问题。首先虚拟仪器的维护成本较高。据哈尔滨工业大学深圳研究生院博士后和军平介绍，传统的仪器出现故障后，常常由公司内部的仪器部门通过更换相应的故障模块，得到较快的解决，维护成本较低。而虚拟仪器采用的插卡式硬件密度很高，维修难度较大，维护费用较为昂贵。 


同时中国用户的使用习惯也会影响虚拟仪器的发展。据赛宝计量检测中心高级工程师王勇解释，中国的测试工程师习惯于直接使用测量设备。而使用虚拟仪器还要根据特定需要做二次开发，设计针对自身应用的自定义测试系统。因此需要富有经验的工程师，较长的学习和培训时间与一定的开发周期。同时他认为现在虚拟仪器的实现成本相比传统仪器并没有明显的优势，因此对中国厂商的吸引力还不够强。 

而且虚拟仪器单个插卡模块的性能固然可能做得很高，但是其整体性能会受到PC/PXI系统的总线带宽的限制。而总线速度的提升相对于计算机性能的提升周期要慢得多。对于某些需要很高带宽的测量应用，虚拟仪器的使用常常受到限制。 

虚拟仪器开发平台将从测试向设计领域拓展 

伴随着计算机技术的飞速发展，计算机的性能相比以前有了极大的提高，因此以软件作为核心的虚拟仪器技术也得到了快速发展。NI的中国市场部经理朱君女士说，NI始终会把PC、总线、半导体等现成即用的主流商业技术快速集成到NI的软硬件平台，提供给用户可用的、开放的、模块化和自定义的平台，为测试测量和自动化方面的工程师提供最佳的集成解决方案，帮助他们提高效率，降低成本。 

她同时介绍说，为了提高工程流程的效率，在原来的基础之上，NI正在将Labview平台扩展到设计领域，通过在同一个平台上集成从设计到测试的全过程，进一步提高整个工程流程的效率。她介绍道，NI将为整个工业流程中的工程师——包括从设计、原型、测试、生产的全过程——带来一个前所未有的、强大高效的平台，实现整体的效率提升。对于未来发展，LabVIEW平台将继续发挥重要的作用。 

  虚拟仪器的应用领域非常广泛，包括产品测试，维护现场测试，桥梁结构健康检测及预警，消费电子产品测试，大学教育，机械故障检测，自动控制，电子工程，仿真/应用，电力行业，汽车工业，研发/实验室自动化，生物医用图象，控制设计，汽车测试等。

虚拟仪器的种类有很多种，大致可分为7种，包括PC-总线插卡式虚拟仪器，并行口式虚拟仪器，GPIB总线方式的虚拟仪器，VXI总线方式的虚拟仪器，PXI总线方式的虚拟仪器，外挂型串行总线的虚拟仪器，网络化虚拟仪器。

为保证虚拟仪器在应用中的准确，我们需要对它进行校准。

虚拟仪器是电子测量技术与计算机结合的新型电子仪器，由软件和硬件组成。硬件有计算机、为实现各种测量功能的VXI、PXI模块化即插件仪器。通过LabVIEW 虚拟仪器开发平台软件把计算机资源和模块化即插件仪器结合在一起完成测量任务。模块化仪器包括：数字电压表、数据采集DAQ卡、高速数字化仪/示波器、信发生器、各种信号调理器等。虚拟仪器的准确度取决与功能模块的采样精度、交直流电压特性、频率特性等。

一、          测量原理及主要配套设备

测量原理框图：

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多功能标准器产生DCV、ACV、DCI、ACI、DCR、f、tr标准信号输到被校准模块化仪器。用LabVIEW软件编制相应模块化仪器虚拟面板，虚拟面板参数设置与模块功能相对应，或使用功能模块固定化虚拟面板。校准数据与Excel相联记录校准结果。

由LabVIEW7.1编制的测量程序：

主要配套设备：

二、          量值传递与溯源

虚拟仪器量值传递与溯源的有电学参数和频率特性参数：

直流电压DCV

直流电流DCI

交流电压ACV

交流电流ACI

直流电阻 DCR

频率f

上升时间 tr

以上量值可溯源到国家基准。

量传与溯源框图：

三、          标准器稳定性考查

参数及

不确定度

k=2

名义值

允许变差

（年）

2005年

2006年

变 差

2007年

变 差

DCV（V）

0.002%

1.00000

±0.00002

1.00000

0.999999

-0.000001

0.999998

-0.000001

10.0000

±0.0002

10.00002

10.00002

0.00002

10.00002

0.0000

100.000

±0.002

100.0005

99.9995

-0.0005

99.9999

0.0004

ACV（V）

1kHz

0.03%

1.0000

±0.0003

1.00004

1.00001

0.00001

1.00001

0.0000

10.000

±0.003

10.0001

9.9999

-0.0001

9.9999

0.000

100.00

±0.03

99.992

99.994

-0.006

99.998

0.004

DCI（A）

0.05%

1.0000

±0.0005

0.99999

1.00004

0.00004

1.00000

-0.00004

10.000

±0.005

10.001

10.002

0.001

10.001

-0.001

ACI（A）

1kHz

0.1%

1.000

±0.001

1.00006

0.99982

-0.0002

0.99982

0.000

10.00

±0.01

10.003

10.001

-0.002

10.001

0.000

DCR(Ω)

0.03%

1.0000k

±0.0003k

0.99999k

1.00000k

0.00001k

1.00000k

0.0000k

1.0000M

±0.0003M

0.99996M

0.999998M

0.00004M

0.999998M

0.0000M

10.000M

±0.003M

9.9999M

10.0003M

0.0004M

10.0002M

0.0001M

f（Hz）

正弦波

0.00025%

10

±0.000025

10.00000

10.00000

0.00000

10.00000

0.00000

1k

±0.0000025k

1.000000k

1.000000k

0.00000k

0.999999

-0.000001k

50k

±0.000125k

50.00001k

49.99999k

-0.00002k

49.99999

0.00000k

tr（ns）

1MHz

< 300ps

|- 100ps|

227ps

249ps

22ps

240ps

-9ps

Fluke 5520A/6标准器包括多功能校准源和600MHz示波器校准仪，三年的稳定性考查，其变差远小于参数的测量不确定度。

四、          影响测量装置不确定度的因素

虚拟仪器主要由控制机箱、数据采集模块、软件、必要的信号调理组成。一个模拟电信号，经过数据采集器模数转换为数字量，从而被计算机接收，完成数据采集过程，除了数据采集模块的性能决定虚拟仪器的用途和测量准确度外，控制机箱、虚拟仪器程序面板中参数的选取，会影响测量结果。

1．直流测量（以直流电压DCV为例）

若在虚拟模块输入端输入一模拟标准直流电压E，通过数据采集器模数转换为n个离散的数字量Xi（n）。

虚拟仪器测量软面板显示计算机接收的直流电压DCV为 ：

  =

Δ = - E

是n个采样数据的平均值。DCV不确定度与标准直流电压E、数采卡的采样数据n设定有关。选取不同n对测量结果影响如下表：

从以上测量结果中可以看到，采样数n≥500，实验标准差最小，远小于数采卡的DCV偏差Δ ，影响量可忽略不计。

2．交流测量（以交流电压ACV为例）

若在虚拟模块输入端输入一模拟标准交流电压U，经数字采集器序列采样后，转换为离散的数字量Ui(n)，虚拟仪器测量软面板显示计算机接收的交流电压Ui。Ui (n)与数据采集卡的采样率υ、模拟信号频率f、采样数n，信号周期数NT取值有关，其关系：

υ = f﹒n / NT

ΔUi = Ui- U

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2.1信号周期内采样点数对交流测量的影响

根据赖奎斯特定理，信号周期内采样点数υ/f > 2即每个周期必须采到2个以上的点，但要将模拟输入信号还原是远远不够的。υ/f 越大，交流电压Ui的测量误差越小。υ/f的取值对交流电压Ui的影响如下表：

从实验结果可得到，当υ/f >200时实验标准差小于ΔUi，在测量中取υ/f ≥500，其影响量可忽略不计。

2.2 周期数NT的选取对交流电压Ui的影响

数据采集卡的采样率为υ，测量一个频率为f的交流电压，υ/f =500已设置，信号周期数NT对Ui的影响。

当信号υ/f ≥500，周期数NT≥2时，影响可忽略不计。

3．控制机箱

虚拟仪器模块插入计算机控制机箱中实现测量功能，控制机箱的结构、温度的变化可能影响测量结果。控制机箱PXI-1042中安装高速数字化仪PXI-5122模块，开机10分钟后开始测量，考查4h稳定性下表：

开机后4h稳定性小于测量参数的误差，远小于参数的技术指标。当控制机箱开机预热10分钟后进行测量，其稳定性对测量结果影响可忽略。

4．测量装置不确定度

   开机预热10分钟，采样数n≥1000，υ/f ≥500，周期数NT≥2，测量装置不确定度为标准器的不确定度。

五、          开展校准的虚拟仪器与校准项目