虛擬儀器在實驗和自動灌溉中的應用

一、簡介
虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在儀器領(lǐng)域的一種應用。VI可由用戶自己設(shè)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(shù)據(jù)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現(xiàn)。虛擬儀器不僅能執(zhí)行傳統(tǒng)儀器的功能，而且，還能執(zhí)行傳統(tǒng)儀器所無法實現(xiàn)的許多功能。
二、虛擬儀器的應用
1．在醫(yī)學領(lǐng)域中的應用
醫(yī)用泵是用來向病人輸液的設(shè)備，醫(yī)務人員通過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）測量輸液開始后的流速；（2）測定不同時間間隔流速的相對變化，以描述泵的性能。為了簡化數(shù)據(jù)采集和分析，減少測試時間和操作的間斷次數(shù)，研發(fā)人員用虛擬儀器軟件LabVIEW開發(fā)了一套計算機化的自動測試系統(tǒng)。
這套測試系統(tǒng)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，用來收集由泵輸送的液體。天平通過其上的RS-232串行口連到PC機的串行口上，進行雙向通信。PC機上運行以Lab VIEW開發(fā)的采集虛擬儀器（采集VI），周期性地詢問天平，收集信息。采集到數(shù)據(jù)后，另一臺獨立的Lab VIEW分析虛擬儀器（分析VI）立即執(zhí)行分析任務。用天平測得的質(zhì)量除以液體的密度和測試的持續(xù)時間，求得流速（ml/min），并用屏幕面板顯示流速隨時間的變化。用戶通過屏幕能直觀地觀察到流速的均勻性和輸送過程中由于機械響應產(chǎn)生的延遲。通過分析計算，VI面板還顯示特定時間間隔內(nèi)或觀察窗上流速的精度。
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，用戶能用觀察窗的時間間隔校正輸出藥物一半的時間，決定這只泵對特定應用是否合適等。
2．在電子實驗領(lǐng)域中的應用
虛擬儀器最簡單的應用是代替獨立的儀器，如示波器、函數(shù)發(fā)生器、萬用表等。用戶利用虛擬的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生實驗所需的激勵信號，利用虛擬的示波器測量實驗電路對激勵信號的響應。兩種儀器通過窗口進行切換。函數(shù)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、時基、極性、觸發(fā)信號（沿口、電平、類型）等都可用鼠標器或按鍵進行設(shè)置，如同常規(guī)儀器一樣使用。不過，虛擬器具有更強的分析處理能力，而且，用戶重新定義后，它又能變成數(shù)字萬用表、溫度計或頻譜分析儀等不同的儀器儀表。
3．在農(nóng)業(yè)中的應用
幾年前，美國Geomatica，Inc.利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了一套AgriMate自動溉系統(tǒng)，系統(tǒng)中的現(xiàn)場處理器由運于Lab VIEW的個人計算機控制（它利用RS-232串行通信口與計算機連接）。現(xiàn)場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圖形化用戶接口提供給農(nóng)民一個總的狀態(tài)面板。這些狀態(tài)用定做的指示器識別，它們類似農(nóng)民關(guān)心的不同領(lǐng)域，如水箱水位，泵和閥門狀態(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(nóng)民只要監(jiān)測這個狀態(tài)面板和簡單地注視指示器的顏色，即可監(jiān)測整個系統(tǒng)。綠色表示系統(tǒng)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研究狀態(tài)由綠變紅的原因。
農(nóng)民以這種面板能夠監(jiān)控水箱水位、閥門位置、泵的狀態(tài)和土壤濕度等；而修改設(shè)定點即可改變灌溉計劃；通過監(jiān)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(shù)據(jù)庫文件里的數(shù)據(jù)。農(nóng)民能夠讀出這些數(shù)據(jù)以與當前月份進行比較；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(shù)據(jù)庫也提供硬拷貝灌溉狀態(tài)報告。檢測到降雨時，這種報告每天或每小時進行修改。Lab VIEW使編程變得容易。通過協(xié)調(diào)，可使所有灌溉都服從本地電力公司的時間使用規(guī)定，因為在晚上有利的時間灌溉，能節(jié)約50%用泵抽水的費用?，F(xiàn)在AgriMate已成為當?shù)剞r(nóng)民監(jiān)控水的用法、降低費用的有效工具。
三、結(jié)束語
虛擬儀器是一種主要靠軟件實現(xiàn)的儀器。它正緊跟計算機技術(shù)和儀器儀表技術(shù)的進步而發(fā)展。
（1）智能進一步提高。虛擬儀器的功能越來越強，用戶自己設(shè)計、定義的范圍進一步擴大，實時性越來越好。
（2）標準化程度進一步提高。虛擬儀器廠商將同時對硬件和軟件標準化，將儀器細分成硬件模塊、驅(qū)動程序模塊和軟件開發(fā)平臺等若干層，對各層與相鄰層之間的接口都加以規(guī)范。
（3）網(wǎng)絡測控系統(tǒng)迅速發(fā)展。網(wǎng)絡化技術(shù)將推動虛擬儀器向更大空間拓展，而且，還醞釀著創(chuàng)新的可能性。 可以預見，虛擬儀器將在測試測量技術(shù)和自動化領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。