虚拟仪器在实验和自动灌溉中的应用

方案综述:

一、简介

    虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是虚拟现实技术在仪器领域的一种应用。VI可由用户自己设计、自己定义，变换非常灵活。它由计算机、仪器模块和软件3部分组成。仪器模块部分的数据采集卡、GPIB卡等仅用于信号的输人和输出；仪器的功能主要由软件实现。虚拟仪器不仅能执行传统仪器的功能，而且，还能执行传统仪器所无法实现的许多功能。

二、虚拟仪器的应用

    1．在医学领域中的应用

    医用泵是用来向病人输液的设备，医务人员通过它还可获得诊断信息，因此，对泵的精度有较高的要求。IEC提出了一种较完善的测试标准；（1）测量输液开始后的流速；（2）测定不同时间间隔流速的相对变化，以描述泵的性能。为了简化数据采集和分析，减少测试时间和操作的间断次数，研发人员用虚拟仪器软件LabVIEW开发了一套计算机化的自动测试系统。

    这套测试系统由电子天平、奔腾PC机、LabVIEW软件和连接电缆组成。天平上放一只烧杯，用来收集由泵输送的液体。天平通过其上的RS-232串行口连到PC机的串行口上，进行双向通信。PC机上运行以Lab VIEW开发的采集虚拟仪器（采集VI），周期性地询问天平，收集信息。采集到数据后，另一台独立的Lab VIEW分析虚拟仪器（分析VI）立即执行分析任务。用天平测得的质量除以液体的密度和测试的持续时间，求得流速（ml/min），并用屏幕面板显示流速随时间的变化。用户通过屏幕能直观地观察到流速的均匀性和输送过程中由于机械响应产生的延迟。通过分析计算，VI面板还显示特定时间间隔内或观察窗上流速的精度。

    这是用测得的流速减去编程的流速后，除以编程的流速求得的偏差。以这种分析，用户能用观察窗的时间间隔校正输出药物一半的时间，决定这只泵对特定应用是否合适等。

    2．在电子实验领域中的应用

    虚拟仪器最简单的应用是代替独立的仪器，如示波器、函数发生器、万用表等。用户利用虚拟的函数发生器产生实验所需的激励信号，利用虚拟的示波器测量实验电路对激励信号的响应。两种仪器通过窗口进行切换。函数发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等或示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号（沿口、电平、类型）等都可用鼠标器或按键进行设置，如同常规仪器一样使用。不过，虚拟器具有更强的分析处理能力，而且，用户重新定义后，它又能变成数字万用表、温度计或频谱分析仪等不同的仪器仪表。

    3．在农业中的应用

    几年前，美国Geomatica，Inc.利用虚拟仪器技术开发了一套AgriMate自动溉系统，系统中的现场处理器由运于Lab VIEW的个人计算机控制（它利用RS-232串行通信口与计算机连接）。现场处理器配置了模拟输入、锁存和继电器板，各种检测器和传感器以星形排列的方式与它相连。

    Lab VIEW图形化用户接口提供给农民一个总的状态面板。这些状态用定做的指示器识别，它们类似农民关心的不同领域，如水箱水位，泵和阀门状态，温度、土壤湿度和性能报警。这些定做的目标能方便地用Lab VIEW输入和激励；农民只要监测这个状态面板和简单地注视指示器的颜色，即可监测整个系统。绿色表示系统部件工作正常，红色表示此部件需要注意，屏幕右边的按钮用来研究状态由绿变红的原因。

    农民以这种面板能够监控水箱水位、阀门位置、泵的状态和土壤湿度等；而修改设定点即可改变灌溉计划；通过监测降雨情况，可使灌溉计划中考虑到额外的水。外加的水、水的用法、水箱水位和降雨情况等都是存储在灌溉数据库文件里的数据。农民能够读出这些数据以与当前月份进行比较；以图形方式显示给定月份的土壤湿润度和外加的水。AgriMate产生的制表软件数据库也提供硬拷贝灌溉状态报告。检测到降雨时，这种报告每天或每小时进行修改。Lab VIEW使编程变得容易。通过协调，可使所有灌溉都服从本地电力公司的时间使用规定，因为在晚上有利的时间灌溉，能节约50%用泵抽水的费用。现在AgriMate已成为当地农民监控水的用法、降低费用的有效工具。

三、结束语

    虚拟仪器是一种主要靠软件实现的仪器。它正紧跟计算机技术和仪器仪表技术的进步而发展。
    （1）智能进一步提高。虚拟仪器的功能越来越强，用户自己设计、定义的范围进一步扩大，实时性越来越好。

    （2）标准化程度进一步提高。虚拟仪器厂商将同时对硬件和软件标准化，将仪器细分成硬件模块、驱动程序模块和软件开发平台等若干层，对各层与相邻层之间的接口都加以规范。

    （3）网络测控系统迅速发展。网络化技术将推动虚拟仪器向更大空间拓展，而且，还酝酿着创新的可能性。 可以预见，虚拟仪器将在测试测量技术和自动化领域发挥越来越大的作用。