虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)和自動(dòng)灌溉中的應(yīng)用

一、簡(jiǎn)介
虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在儀器領(lǐng)域的一種應(yīng)用。VI可由用戶(hù)自己設(shè)計(jì)、自己定義，變換非常靈活。它由計(jì)算機(jī)、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(hào)的輸人和輸出；儀器的功能主要由軟件實(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的許多功能。
二、虛擬儀器的應(yīng)用
1．在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
醫(yī)用泵是用來(lái)向病人輸液的設(shè)備，醫(yī)務(wù)人員通過(guò)它還可獲得診斷信息，因此，對(duì)泵的精度有較高的要求。IEC提出了一種較完善的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；（1）測(cè)量輸液開(kāi)始后的流速；（2）測(cè)定不同時(shí)間間隔流速的相對(duì)變化，以描述泵的性能。為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集和分析，減少測(cè)試時(shí)間和操作的間斷次數(shù)，研發(fā)人員用虛擬儀器軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)了一套計(jì)算機(jī)化的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。
這套測(cè)試系統(tǒng)由電子天平、奔騰PC機(jī)、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(jī)的串行口上，進(jìn)行雙向通信。PC機(jī)上運(yùn)行以Lab 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(shù)據(jù)后，另一臺(tái)獨(dú)立的Lab VIEW分析虛擬儀器（分析VI）立即執(zhí)行分析任務(wù)。用天平測(cè)得的質(zhì)量除以液體的密度和測(cè)試的持續(xù)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)屏幕能直觀地觀察到流速的均勻性和輸送過(guò)程中由于機(jī)械響應(yīng)產(chǎn)生的延遲。通過(guò)分析計(jì)算，VI面板還顯示特定時(shí)間間隔內(nèi)或觀察窗上流速的精度。
這是用測(cè)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(duì)特定應(yīng)用是否合適等。
2．在電子實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中的應(yīng)用
虛擬儀器最簡(jiǎn)單的應(yīng)用是代替獨(dú)立的儀器，如示波器、函數(shù)發(fā)生器、萬(wàn)用表等。用戶(hù)利用虛擬的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的激勵(lì)信號(hào)，利用虛擬的示波器測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路對(duì)激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)。兩種儀器通過(guò)窗口進(jìn)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(cè)量通道、標(biāo)尺比例、時(shí)基、極性、觸發(fā)信號(hào)（沿口、電平、類(lèi)型）等都可用鼠標(biāo)器或按鍵進(jìn)行設(shè)置，如同常規(guī)儀器一樣使用。不過(guò)，虛擬器具有更強(qiáng)的分析處理能力，而且，用戶(hù)重新定義后，它又能變成數(shù)字萬(wàn)用表、溫度計(jì)或頻譜分析儀等不同的儀器儀表。
3．在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
幾年前，美國(guó)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(tǒng)，系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)處理器由運(yùn)于Lab VIEW的個(gè)人計(jì)算機(jī)控制（它利用RS-232串行通信口與計(jì)算機(jī)連接）?，F(xiàn)場(chǎng)處理器配置了模擬輸入、鎖存和繼電器板，各種檢測(cè)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(nóng)民一個(gè)總的狀態(tài)面板。這些狀態(tài)用定做的指示器識(shí)別，它們類(lèi)似農(nóng)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(bào)警。這些定做的目標(biāo)能方便地用Lab VIEW輸入和激勵(lì)；農(nóng)民只要監(jiān)測(cè)這個(gè)狀態(tài)面板和簡(jiǎn)單地注視指示器的顏色，即可監(jiān)測(cè)整個(gè)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(lái)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(mén)位置、泵的狀態(tài)和土壤濕度等；而修改設(shè)定點(diǎn)即可改變灌溉計(jì)劃；通過(guò)監(jiān)測(cè)降雨情況，可使灌溉計(jì)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(chǔ)在灌溉數(shù)據(jù)庫(kù)文件里的數(shù)據(jù)。農(nóng)民能夠讀出這些數(shù)據(jù)以與當(dāng)前月份進(jìn)行比較；以圖形方式顯示給定月份的土壤濕潤(rùn)度和外加的水。AgriMate產(chǎn)生的制表軟件數(shù)據(jù)庫(kù)也提供硬拷貝灌溉狀態(tài)報(bào)告。檢測(cè)到降雨時(shí)，這種報(bào)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(diào)，可使所有灌溉都服從本地電力公司的時(shí)間使用規(guī)定，因?yàn)樵谕砩嫌欣臅r(shí)間灌溉，能節(jié)約50%用泵抽水的費(fèi)用?，F(xiàn)在AgriMate已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民監(jiān)控水的用法、降低費(fèi)用的有效工具。
三、結(jié)束語(yǔ)
虛擬儀器是一種主要靠軟件實(shí)現(xiàn)的儀器。它正緊跟計(jì)算機(jī)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(qiáng)，用戶(hù)自己設(shè)計(jì)、定義的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，實(shí)時(shí)性越來(lái)越好。
（2）標(biāo)準(zhǔn)化程度進(jìn)一步提高。虛擬儀器廠商將同時(shí)對(duì)硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)化，將儀器細(xì)分成硬件模塊、驅(qū)動(dòng)程序模塊和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)等若干層，對(duì)各層與相鄰層之間的接口都加以規(guī)范。
（3）網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)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，還醞釀著創(chuàng)新的可能性。 可以預(yù)見(jiàn)，虛擬儀器將在測(cè)試測(cè)量技術(shù)和自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。