虛擬儀器在實(shí)驗和自動(dòng)灌溉中的應用

一、簡(jiǎn)介
虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是虛擬現實(shí)技術(shù)在儀器領(lǐng)域的一種應用。VI可由用戶(hù)自己設計、自己定義，變換非常靈活。它由計算機、儀器模塊和軟件3部分組成。儀器模塊部分的數據采集卡、GPIB卡等僅用于信號的輸人和輸出；儀器的功能主要由軟件實(shí)現。虛擬儀器不僅能執行傳統儀器的功能，而且，還能執行傳統儀器所無(wú)法實(shí)現的許多功能。
二、虛擬儀器的應用
1．在醫學(xué)領(lǐng)域中的應用
醫用泵是用來(lái)向病人輸液的設備，醫務(wù)人員通過(guò)它還可獲得診斷信息，因此，對泵的精度有較高的要求。IEC提出了一種較完善的測試標準；（1）測量輸液開(kāi)始后的流速；（2）測定不同時(shí)間間隔流速的相對變化，以描述泵的性能。為了簡(jiǎn)化數據采集和分析，減少測試時(shí)間和操作的間斷次數，研發(fā)人員用虛擬儀器軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)了一套計算機化的自動(dòng)測試系統。
這套測試系統由電子天平、奔騰PC機、LabVIEW軟件和連接電纜組成。天平上放一只燒杯，用來(lái)收集由泵輸送的液體。天平通過(guò)其上的RS-232串行口連到PC機的串行口上，進(jìn)行雙向通信。PC機上運行以L(fǎng)ab VIEW開(kāi)發(fā)的采集虛擬儀器（采集VI），周期性地詢(xún)問(wèn)天平，收集信息。采集到數據后，另一臺獨立的Lab VIEW分析虛擬儀器（分析VI）立即執行分析任務(wù)。用天平測得的質(zhì)量除以液體的密度和測試的持續時(shí)間，求得流速（ml/min），并用屏幕面板顯示流速隨時(shí)間的變化。用戶(hù)通過(guò)屏幕能直觀(guān)地觀(guān)察到流速的均勻性和輸送過(guò)程中由于機械響應產(chǎn)生的延遲。通過(guò)分析計算，VI面板還顯示特定時(shí)間間隔內或觀(guān)察窗上流速的精度。
這是用測得的流速減去編程的流速后，除以編程的流速求得的偏差。以這種分析，用戶(hù)能用觀(guān)察窗的時(shí)間間隔校正輸出藥物一半的時(shí)間，決定這只泵對特定應用是否合適等。
2．在電子實(shí)驗領(lǐng)域中的應用
虛擬儀器最簡(jiǎn)單的應用是代替獨立的儀器，如示波器、函數發(fā)生器、萬(wàn)用表等。用戶(hù)利用虛擬的函數發(fā)生器產(chǎn)生實(shí)驗所需的激勵信號，利用虛擬的示波器測量實(shí)驗電路對激勵信號的響應。兩種儀器通過(guò)窗口進(jìn)行切換。函數發(fā)生器發(fā)生的波形、頻率、占空比、幅值、偏置等或示波器的測量通道、標尺比例、時(shí)基、極性、觸發(fā)信號（沿口、電平、類(lèi)型）等都可用鼠標器或按鍵進(jìn)行設置，如同常規儀器一樣使用。不過(guò)，虛擬器具有更強的分析處理能力，而且，用戶(hù)重新定義后，它又能變成數字萬(wàn)用表、溫度計或頻譜分析儀等不同的儀器儀表。
3．在農業(yè)中的應用
幾年前，美國Geomatica，Inc.利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套AgriMate自動(dòng)溉系統，系統中的現場(chǎng)處理器由運于Lab VIEW的個(gè)人計算機控制（它利用RS-232串行通信口與計算機連接）?，F場(chǎng)處理器配置了模擬輸入、鎖存和繼電器板，各種檢測器和傳感器以星形排列的方式與它相連。
Lab VIEW圖形化用戶(hù)接口提供給農民一個(gè)總的狀態(tài)面板。這些狀態(tài)用定做的指示器識別，它們類(lèi)似農民關(guān)心的不同領(lǐng)域，如水箱水位，泵和閥門(mén)狀態(tài)，溫度、土壤濕度和性能報警。這些定做的目標能方便地用Lab VIEW輸入和激勵；農民只要監測這個(gè)狀態(tài)面板和簡(jiǎn)單地注視指示器的顏色，即可監測整個(gè)系統。綠色表示系統部件工作正常，紅色表示此部件需要注意，屏幕右邊的按鈕用來(lái)研究狀態(tài)由綠變紅的原因。
農民以這種面板能夠監控水箱水位、閥門(mén)位置、泵的狀態(tài)和土壤濕度等；而修改設定點(diǎn)即可改變灌溉計劃；通過(guò)監測降雨情況，可使灌溉計劃中考慮到額外的水。外加的水、水的用法、水箱水位和降雨情況等都是存儲在灌溉數據庫文件里的數據。農民能夠讀出這些數據以與當前月份進(jìn)行比較；以圖形方式顯示給定月份的土壤濕潤度和外加的水。AgriMate產(chǎn)生的制表軟件數據庫也提供硬拷貝灌溉狀態(tài)報告。檢測到降雨時(shí)，這種報告每天或每小時(shí)進(jìn)行修改。Lab VIEW使編程變得容易。通過(guò)協(xié)調，可使所有灌溉都服從本地電力公司的時(shí)間使用規定，因為在晚上有利的時(shí)間灌溉，能節約50%用泵抽水的費用?，F在A(yíng)griMate已成為當地農民監控水的用法、降低費用的有效工具。
三、結束語(yǔ)
虛擬儀器是一種主要靠軟件實(shí)現的儀器。它正緊跟計算機技術(shù)和儀器儀表技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。
（1）智能進(jìn)一步提高。虛擬儀器的功能越來(lái)越強，用戶(hù)自己設計、定義的范圍進(jìn)一步擴大，實(shí)時(shí)性越來(lái)越好。
（2）標準化程度進(jìn)一步提高。虛擬儀器廠(chǎng)商將同時(shí)對硬件和軟件標準化，將儀器細分成硬件模塊、驅動(dòng)程序模塊和軟件開(kāi)發(fā)平臺等若干層，對各層與相鄰層之間的接口都加以規范。
（3）網(wǎng)絡(luò )測控系統迅速發(fā)展。網(wǎng)絡(luò )化技術(shù)將推動(dòng)虛擬儀器向更大空間拓展，而且，還醞釀著(zhù)創(chuàng )新的可能性。 可以預見(jiàn)，虛擬儀器將在測試測量技術(shù)和自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。