1、8 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2008 NO.31Science and Technology Innovation Herald 综 述科技创新导报1 引言发展现代科技 , 仪器仪表技术是重要的基础。 按物理基础来划分， 仪器仪表技术经历了模拟指针式仪器仪表到以微处理器为核心的智能化仪器仪表等若干发展进程。 这些发展进程包括了对同一技术基础改进式的量变过程， 也包括跨越式发展的质变 （如从分立元件到集成到智能化等） 过程。 目前， 随着现代测试理论、 信息电子科学、 计算机技术及网络技术的充分发展及学科间的充分融合， 全新概
2、念的仪器仪表技术已经出现即虚拟仪器技术。 可以预见， 虚拟仪器技术将是今后测试科学发展在相当一段时期内的主要方向。 位居科学研究和教育前沿的我国高等理科教育， 如何抓住这一历史机遇， 承担起发展、 研究、 传播和应用虚拟仪器技术这一历史重任， 已是一个十分紧迫的问题。2 电子测量仪器的发展历程2.1 传统测试仪器仪表的发展历程测量仪器是科学技术发展的基础， 而科学技术的发展又推动着测量仪器的发展进程。 测量仪器仪表技术发展至今 , 主要经历了以下几个阶段 1 ， 2 ;(1) 以电磁技术为基础的指针式仪表阶段 ;(2) 以模拟电子技术为基础的模拟式仪表阶段 ;(3) 以数字电子技术为基础， 引
3、入了锁相技术、 频率合成技术、 数字取样技术等的数字化仪表阶段 ;(4) 以大规模、 超大规模集成电路为基础的智能化仪器仪表阶段。 这一阶段是电子仪器领域取得重大发展的标志性联阶段， 在一定时期内曾开创了现代电子测量、 测试技术的先河 ;(5) 以电子测量技术、 自动控制技术和计算机技术的发展相融合为基础的自动测试系统阶段。 这是电子测量技术的又一次飞跃，它真正实现了高速度、 高准确度、 多参数和多功能的测试， 甚至在一定程度上实现了不同地域上的网络化测试功能。自动测试系统阶段是基于传统仪器仪表技术的测量测试技术发展的高级阶段， 它是当今科学技术高度发展的必然结果， 同时也为科学技术的进一步发
4、展提供了基础性的保障。上述不同阶段的仪器仪表技术 , 还同属于具有一定的物理形态、 主要靠自身硬件来实现其功能的仪器仪表 , 即传统观念上的具有物理实体的仪器仪表 , 其共同特征为都是不脱离物质基础的实体仪器， 也具有形状规格、 功能特性不易更改和消耗物质资源等共同的物质特征。上述传统仪器仪表的发展进程， 可用图1 表示如下。 图中最后一个发展阶段就是指后面将要讨论的虚拟仪器发展阶段， 它的出现为仪器技术的发展创造了一种新的理念，是仪器技术在 21 世纪发展的主要方向， 将会使人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。2.2 虚拟仪器的概念及特点随着当今微电子技术、 计算机技术、 软件技术、 网络
5、技术的飞速发展， 新的测试理论、 测试方法及测试领域的新仪器结构不断出现 , 在测试技术与计算机深层次融合中出现了一种全新的仪器结构虚拟仪器 , 这一概念最先由美国国家仪器公司 (NationalInstruments ， NI) 在 1986 年提出 , 之后便一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。虚拟仪器这一概念在很多文献中都有介绍 2,3 , 所谓虚拟仪器 , 就是在以计算机为核心的硬件平台上， 配合以相应的输入 / 输出接口， 具有计算机显示器的虚拟面板， 测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。 它是由测量仪器技术、 计算机技术和总线技术共同孕育的一种全新仪器技术。
6、 其突出特点是打破了传统仪器的封闭性 , 把仪器的绝大部分硬件变成计算机上的文件 ; 用户可以自行定义、 自行设计、 自行组建自己需要的仪器 , 并可将组建的多种仪器存放在计算机的仪器库中， 配以数据通讯卡和传感器， 构成功能、 性能、 外观和操作方式都和传统仪器相同或超过传统仪器功能的新型概念仪器系统。 其实质就是利用计算机强大的软件功能虚拟仪器新技术及其在我国的发展现状与展望黄进文( 云南省保山师专物理系 云南保山 678000)摘 要 : 文章从仪器技术的发展历程、 虚拟仪器的创新特点及虚拟仪器对今后我国科学技术及国民经济发展的促进作用等方面， 说明了我国发展虚拟仪器技术的前瞻性和重要性
7、， 讨论和肯定了高等理工院校在我国虚拟技术发展领域的重要作用， 同时探讨了在我国发展虚拟仪器技术的目标和步骤。关键词 : 虚拟仪器 新技术 高校 发展中图分类号 :TP391.9 文献标识码 :A 文章编号 :1674-098X(2008)11(a)-0008-03图 1 仪器仪表技术的主要发展阶段表 1 虚拟仪器与传统仪器比较表 2 虚拟仪器的应用领域9 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2008 NO.31Science and Technology Innovation Herald 科技创新导报综 述实现信号调理及数据的运算、
8、 分析和处理，利用相应接口设备来完成信号的采集、 输入 / 输出， 从而完成各种仪器功能。 “虚拟” 的含义有二 ：(1) 虚拟仪器的面板是虚拟的， 它只不过是计算机的显示器模拟而已。 而传统仪器面板上的器件都是实物， 而且是由手动和触摸进行操作的。(2) 虚拟仪器的测量功能主要是通过软件来完成的。 虚拟仪器是在以 PC 为核心组成的硬件平台支持下， 通过软件编程来实现仪器的功能的。2.3 虚拟仪器与传统仪器之比较2.3.1 虚拟仪器的特点虚拟仪器具有可变性、 多层性、 自创性的面板， 而传统仪器的面板一经制造完成便不可更改虚拟仪器具有传统仪器所无法比拟的强大信号处理能力。 因为虚拟仪器可以充
9、分利用计算机强大的软件资源， 对信号灵活地进行计算、 分析、 判断、 处理、 显示或输出等。虚拟仪器的功能、 性能、 指标由用户根据需要由软件来定义 , 而传统仪器一经设计、 制造完成后 , 就很难改变。具有标准的、 开放的、 功能强大的接口总线、 板卡及相应的应用软件， 为虚拟仪器的数据采集和接口控制提供强大的支持。虚拟仪器开放、 灵活， 可与计算机同步发展， 可灵活地与网络及其周边设备实现互联。虚拟仪器具有开发周期短、 成本低、维护方便、 易于集成应用的特点。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”。 虚拟仪器与传统仪器相比， 有四大优势 ： 性
10、能高、 扩展性强、 开发时间少和完美的集成功能虚拟食仪器与传统仪器的各方面的比较如表 1 所示。2.3.2 虚拟仪器技术的应用领域虚拟仪器不但可以完成几乎所有传统仪器的功能， 而且其功能比传统仪器更为先进。 如网络化仪器、 一机多用、 实时更换更新， 在信号调理、 数据分析、 数据存储、数据显示等多个方面， 都具有传统仪器无法相比的优越性。 由于其主要的仪器功能是靠软件来完成， 这也使设备制造的物质成本降到了最低， 在当今世界范围内都非常符合绿色环保、 节约能源的时代要求。 所以虚拟仪器技术是电子信息时代仪器技术发展的新理念， 它代表了仪器仪表技术在 21 世纪的发展方向。虚拟仪器可广泛用于电
11、子、 石化、 冶金、 机械、 航空航天、 能源、 电信、 医学、 通信、 汽车、 半导体、 科研和教学等世界范围内的众多领域。 具体如表 2 所示 4 。正如计算机发明的初衷仅是为了科学计算， 发明者没有预见到后来会获得如此广泛的应用一样， 随着虚拟仪器技术的进一步发展与完善， 其应用范围将会扩展到更加广阔的领域。3 国内外虚拟仪器目前的发展现状3.1 国外发展情况国外虚拟仪器技术自上世纪 80 年代由美国 NI 公司提出以来， 一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。 近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发平台，但最早和最具影响力的还是 NI
12、 公司的图形化开发平台 LabVIEW （ NI 也推出了基于 C 语言模式的了 Labwindows CVI 等交互式开发平台）。 虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。 美国是虚拟仪器的诞生地， 目前也是全球最大的虚拟仪器制造国。3.2 国内发展情况国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化 NI 的产品开始。 国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一 , 列入过为 “十五” 期间优先资助领域。 目前有些研究已取得可喜成绩，如由重庆大学测试中心秦树人教授承担的国家 863 项目 “虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”， 所研发的 “一体化虚拟仪器” 就是一种不同于欧
13、美虚拟仪器的新技术。 这项成果表明我国在虚拟式仪器方面走出一条与欧美技术线路完全不同的自主创新路子 , 并成为国际上嵌入式一体化虚拟仪器研发的先行者 5 。3.3 国内的发展潜力我国国民经济的持续快速发展， 加快了企业的技术升级步伐， 先进仪器设备的需求更加强劲 ； 虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展， 这些都为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础。 据专家预测， 我国虚拟仪器行业的产值在未来若干年内将超过仪器仪表行业总产值的 50 ， 虚拟仪器技术代表了今后仪器仪表技术发展的先进方向， 我国的虚拟仪器技术存在巨大的发展潜力。 国内许多高校， 如清华大学、 哈尔滨工业大
14、学、 重庆大学、 华中科技大学、 复旦大学、 上海交通大学、 国防科技大学、 成都电子科技大学、 中国科技大学、 暨南大学、 四川大学等数十所高校已展开了虚拟仪器技术领域的研究、 开发和教学 1 ， NI 公司也已 2006 年在中国高校广泛推广虚拟仪器技术列入了战略发展规划 （ NI 中国高校推广计划）， 这标志着自提出虚拟仪器的概念之后， 虚拟仪器技术在我国也进入了一个全新的快速发展时期。3.4 目前我国虚拟仪器技术发展现状尚不容乐观从全国整体的虚拟仪器技术发展现状分析看来， 目前的情况还处于 “有点无面” 的零星状况， 甚至对于部份长期基于传统仪器研究的科研工作者， 还不太把握虚拟仪器的
15、概念， 或误解为虚拟仪器就是一种新型仿真技术或虚拟现实技术。 实际上， 虚拟仪器技术与仿真技术或虚拟现实技术是有本质区别的。 如有的文献将 “基于虚拟仪器的实验室” 称为 “虚拟实验室”， 本文作者认为这是不妥的。 所谓 “虚拟仪器”， 是要完成真实仪器功能的。 虚拟仪器， 从其处理信号和数据的角度来说， 它也是一种仪器， 基于虚拟仪器构建的实验室， 原则上讲和基于传统仪器构建的实验室无异， 但具备了更强大、 更完善的功能。 虚拟仪器实质上是一种新型的、 特殊的、 且是真实的仪器！而仿真或虚拟现实技术却不是这样， 它仅是对真实情况的一种模拟。 虚拟仪器系统的完整结构如图 2 所示。从图 2 可
16、以看出， 完整的虚拟仪器系统包括计算机系统、 虚拟仪器软件系统和相应的接口设备 （接口设备部份也可称为虚拟仪器的 “硬件系统”） 构成， 从应用层面上讲， 虚拟仪器是具备仿真和虚拟现实功能的， 但它更是一种性能卓越的真实仪器系统3 。 对具体指导仪器的概念进行规范已慢一图 2 虚拟仪器系统的完整结构10 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2008 NO.31Science and Technology Innovation Herald 综 述科技创新导报个非常现实的问题。4 我国高校在发展与推广虚拟仪器技术进程中的重要地位3.1 高
17、等理工科院校具备研发和推广虚拟仪器技术的得天独厚的实力高等学校， 特别是高等理工科院校的相关技术力量雄厚， 有相当的研究实力， 又有广大理工科学生作为教学和推广的对象， 在我国创新研究、 推广应用虚拟仪器技术， 我国高等教育机构应起到桥头堡的作用， 有责任、 也有实力推动虚拟仪器新技术在我国的发展。3.2 高校发展虚拟仪器技术有利于高校自身实力的加强引入虚拟仪器进行实验和教学的优点，是容易实现以下目标 ：(1) 先进仪器的低成本化(2) 缩短新型仪器的开发周期(3) 降低仪器的维护、 配置成本(4) 容易实现基于网络的交互式实验和教学(5) 强化学习、 实验过程的自主性和自创性而达到上述目标的
18、相应教学模式， 将为培养适应新世纪需要的创新人才创造十分有利的条件， 也为高校自身实力的提升和教学成本的降低提供了理想的发展空间。4 我国目前发展虚拟仪器技术的主要措施虚拟仪器技术在部份发达国家已具备相当的水平， 在我国发展自己的虚拟仪器技术， 根据我国目前的国情应注重以下方面 ：(1) 尽快引进并消化、 吸收目前国外先进的虚拟仪器技术(2) 采取高起点发展的战略 , 严格把握虚拟仪器今后的发展方向 , 即把握虚拟仪器在今后标准化、 集成化、 智能化和网络化的发展趋势(3) 尽快在我国建立保护虚拟仪器知识产权的体系(4) 制定中长期发展目标 , 增大或倾斜基金投入 , 切实保证虚拟仪器技术发展
19、的基础条件5 总结与展望历史的发展进程已多次证明， 领导新技术革命或最先掌握并有效推广运用划时代新科技的国家， 其国民经济与综合国力将因此而获得跨越式发展。 目前正值我国国民经济高速发展、 综合国力迅速提升的关键时期， 科学技术的发展以引进消化国外先进技术、 大力鼓励自主创新相结合的方式超常发展。 测量、 测试仪器是科学研究、 工程应用的重要基础性领域， 面对仪器技术的新发展趋势， 虚拟仪器技术在我国如何获得发展与推广， 既是摆在我们每一位相关科技工作者面前的一个重要课题， 更是作为人才培养基地和科学研究中心的高等学校理应主动承担时代重任。参考文献1 李震 , 柯旭贵 , 汪云祥 . 虚拟仪器
20、的发展历史、 研究现状与展望 J. 安徽工程科技学院学报 ,2005,18,(4):1-4.2 李纪欣 . 虚拟仪器技术及其发展趋势 J. 电子材料与电子技术 ,2005:(3)41-46.3 张毅刚 . 虚拟仪器技术介绍 J. 国外电子测量技术 ,2006,25,(6):1-6.4 陆绮荣 . 基于虚拟仪器技术个人实验室的构建 M. 电子工业出版社 , 北京 ,2006.5 “重庆大学虚拟仪器关键技术的研究课题验收 ” , 科技日报 ,2006-12-19.6 周又平 , 梅长彤 , 徐慧 . 虚拟仪器教学实验平台在电子技术类课程的应用 J. 实验技术与管理 ,2006,23(3):73-7
21、5.7 李国安 . 当前高校实验教学过程存在的问题和对策 J. 丽水学院学报 ,2007 年 (5)117-120.8 郝丽萍 , 李秀敏 , 王肇华 . 虚拟仪器的引入对提高实验教学水平的意义 J. 天津商学院学报 ,2003(6):12-14.办刊宗旨深入研究、 预测、 报道科教创新发展现状以及改革热点、 焦点 ； 广泛探讨、 交流科教工作中的优点 ; 多方位、 多层次介绍科教创新的前沿性内容 ; 有效传播我国科教工作中的新理论、 新方法 ; 合理构建我国科研教育学术交流平台。本刊为 中国核心期刊 ( 遴选 ) 数据库 收录期刊、 中国学术期刊 ( 光盘版 ) 收录期刊、 万方数据数字化期
22、刊群 收录期刊。为更好的提升本刊的信息技术全面性， 我刊现面向各级科技与教育管理部门的领导、 科教领域管理人员、 科技教育人员、各类院校的广大师生征集优秀稿件。投稿须知1. 稿件应具有科学性、 先进性和实用性 , 论点鲜明、 论据充分、 数据真实、 逻辑严谨、 文字准确、 语句通顺。2. 文章以 2200 2700 字为宜 ； 文章标题字数在 20 字以内 ； 摘要、 关键词、 参考文献 （按引用的先后顺序列于文末） 等要素齐全。3. 计量单位以国家法定计量单位为准 ； 统计学符号须按国家标准 统计学名词及符号 的规定书写 ； 标点符号使用准确 ；表格设计合理， 推荐使用三线表 ； 图片清晰， 注明图题图号。4. 投稿请使用 word 格式并注明作者姓名、 联系电话、 工作单位、 通讯地址、 邮编、 电子邮箱。5. 本刊编辑部有权对所投稿件进行修改。6. 本刊已被相关电子期刊等网络媒体所收录， 本刊发表的文章将在网络媒体上全文发布 。7. 严禁一稿多投、 剽窃或抄袭行为， 否则一切后果由作者本人负责。中国科教创新导刊 办刊宗旨及投稿须知
