1 虛擬儀器技術(shù)的概念及其應(yīng)用前景
　　自1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)提出虛擬儀器(Virtual Instrument)的概念以來，這種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和測(cè)量技術(shù)于一體的模塊化儀器便在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)同與應(yīng)用，逐步體現(xiàn)了儀器儀表技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和軟件技術(shù)的高度發(fā)展，以及它們與各種測(cè)量技術(shù)在儀器儀表上的應(yīng)用，使新的測(cè)試?yán)碚摗y(cè)試方法、測(cè)試領(lǐng)域以及儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)并發(fā)展成熟，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，儀器測(cè)量的功能和作用也發(fā)生了質(zhì)的變化。虛擬儀器概念的產(chǎn)生正是基于這樣一種技術(shù)背景。
　　儀器儀表技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下兩條發(fā)展主線：從測(cè)量的技術(shù)和方法上劃分，經(jīng)歷了從機(jī)械儀表、模擬電子儀表、數(shù)字化電子儀表到智能儀表的發(fā)展過程；從儀表結(jié)構(gòu)上劃分，經(jīng)歷了單機(jī)儀表、疊架式儀器系統(tǒng)到虛擬儀器系統(tǒng)的發(fā)展過程。傳統(tǒng)儀器一般均為一個(gè)獨(dú)立的裝置，有機(jī)箱、操作面板、信號(hào)I/O端子、信號(hào)處理機(jī)構(gòu)或電路等，檢測(cè)結(jié)果輸出方式有數(shù)字、指針或圖形窗口等，有的還有打印輸出口。傳統(tǒng)儀表的功能可概括描述為：信號(hào)采集與控制、信號(hào)分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出，這些功能均以硬件或固化軟件的形式存在。這種架構(gòu)形式?jīng)Q定了傳統(tǒng)儀器只能由儀器的生產(chǎn)廠來定義制造，而用戶無法改變。傳統(tǒng)儀器基本上未能擺脫獨(dú)立使用、手動(dòng)操作、功能相對(duì)固定、使用具有局限性的模式。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，給傳統(tǒng)儀表技術(shù)注入了強(qiáng)大的活力，在微電子技術(shù)和LSIC技術(shù)推動(dòng)下，有力地促進(jìn)了數(shù)字化儀器、智能儀器的快速發(fā)展。
　　在虛擬儀器系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)靈活強(qiáng)大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，通過一組軟件和硬件，形成了既有普通儀器的基本功能、又有一般儀器所不具備的特殊功能的新型儀器。虛擬儀器本質(zhì)上是利用PC機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力、圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立具有良好人機(jī)交互性能的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，并通過一組軟件和硬件，實(shí)現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對(duì)象的各種功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是解決信號(hào)的輸入/輸出問題的方法和軟件賴以生存、運(yùn)行的物理環(huán)境，軟件才是整個(gè)儀器的核心構(gòu)件，正如NI公司提出的口號(hào)“軟件就是儀器”，任何使用者只要通過調(diào)整或修改儀器的軟件，便可方便地改變和增減儀器的功能和規(guī)模，甚至儀器的性質(zhì)。
　　虛擬儀器的構(gòu)成：如果按照構(gòu)成儀器的三大功能部件來分，所有控制系統(tǒng)、工業(yè)計(jì)測(cè)系統(tǒng)均可歸納至虛擬儀器的框架中來。目前較為常見的虛擬儀器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)，見圖1?？删幊虄x器的信號(hào)處理、定時(shí)控制、集成總線、高速緩存、DMA等技術(shù)的應(yīng)用，使這樣的SCADA系統(tǒng)能達(dá)到儀器級(jí)的性能、精度與可靠性。

　　虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)：虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)目前主要有兩類：第一類是基于傳統(tǒng)語言的Turbo C、VB、VC++等，這類語言具有適應(yīng)面廣、開發(fā)靈活的特點(diǎn)，但開發(fā)人員需有較多的編程經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的調(diào)試能力；第二類是基于圖形組態(tài)和編程的圖形組態(tài)軟件，如HP公司的VEE、IOtech公司的Dasylab、NI公司的LabVIEW、Capital Equipment公司的Testpoint 2.0和HEM公司的Snap－Master等。這類組態(tài)軟件都通過建立和連接圖標(biāo)來構(gòu)成虛擬儀器工作程序并定義其功能，而不是用傳統(tǒng)的文本編輯形式。它們具有編程效率高、通用性強(qiáng)、交叉平臺(tái)互換性好的特點(diǎn)，適用于大批量多品種儀器的生產(chǎn)。該類軟件缺點(diǎn)是缺少程序流程控制，大都解釋執(zhí)行。
　　當(dāng)今的儀器儀表開發(fā)技術(shù)正與計(jì)算機(jī)技術(shù)日益緊密地結(jié)合在一起，利用虛擬儀表技術(shù)開發(fā)基于PC機(jī)的多功能無紙記錄儀，可使其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、兼容性好、功能大大增強(qiáng)、使用更為靈活，并且可通過更新軟件實(shí)現(xiàn)不同的記錄要求，真正達(dá)到一機(jī)多用的目的。
2 多功能無紙記錄儀的技術(shù)要求和系統(tǒng)功能
　　記錄儀是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)中十分常見的二次儀表。傳統(tǒng)型模擬記錄儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一，存在著卡紙、卡筆、斷線等易發(fā)故障和換筆、換紙、添墨等大量日常維護(hù)工作。此類記錄儀由于其結(jié)構(gòu)與功能的局限性，無法滿足綜合生產(chǎn)管理、生產(chǎn)過程智能化、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化和在線數(shù)據(jù)分析處理的需要。90年代以來，隨著虛擬儀器技術(shù)的日益發(fā)展，采用低成本自動(dòng)化技術(shù)，研制與開發(fā)各類多功能智能型記錄儀表呈迅猛發(fā)展之勢(shì)，并逐漸批量進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在石化、冶金等行業(yè)的基礎(chǔ)自動(dòng)化與過程自動(dòng)化系統(tǒng)中，已大量融入各種類型的虛擬嵌入式儀表，其卓越的性能、良好的數(shù)據(jù)在線處理能力和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊能力以及友好的人機(jī)交互平臺(tái)，得到人們?nèi)找嬷匾暋?BR>　　基于虛擬儀器的多功能無紙記錄儀在技術(shù)上不僅要具備傳統(tǒng)式儀表所應(yīng)具有的電氣性能和環(huán)境適應(yīng)能力，而且還應(yīng)具備如下的通用技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)功能：
　　(1)信號(hào)采樣：設(shè)置模擬輸入通道1～16路，采樣周期可選0.25秒/0.5秒/1秒。記錄間隔可通過設(shè)置畫面設(shè)定為1秒/2秒/4秒/8秒/20秒/40秒/120秒等。開關(guān)量輸入24點(diǎn)，接收被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)信號(hào)。模擬量輸入通道可允許0～10V、1～5V、4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和S、B、R、K、N、T、E、J熱電偶以及Pt100、Cu50熱電阻等多種信號(hào)輸入，且可提供隔離輸入。
　　(2)設(shè)置功能：系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)大的設(shè)置功能，可對(duì)儀表的通道名稱、量程、報(bào)警上下限、信號(hào)類型、單位、記錄周期、流量累計(jì)、流量溫度壓力補(bǔ)償參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。允許保存100組用戶自定義設(shè)置。
　　(3)存儲(chǔ)功能：配置硬盤，使存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)量達(dá)GB級(jí)。根據(jù)采樣時(shí)間不同，16個(gè)通道數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)三年以上，形成數(shù)據(jù)文件并能調(diào)出任意歷史時(shí)刻曲線、數(shù)據(jù)、報(bào)警、流量累計(jì)值；可通過軟盤轉(zhuǎn)存任意時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)或通過RS－232接口傳送給其他PC機(jī)，在其上進(jìn)行回放和分析打印。
　　(4)顯示功能：全中文人機(jī)界面，顯示信息豐富直觀，操作簡(jiǎn)單。主要顯示畫面應(yīng)有：①單通道趨勢(shì)、棒圖、瞬時(shí)數(shù)字顯示(選顯/循顯)畫面；②單通道歷史趨勢(shì)追憶；③多通道棒圖、數(shù)字顯示畫面；④多通道歷史趨勢(shì)追憶；⑤多通道流量累計(jì)畫面；⑥參數(shù)設(shè)置畫面；⑦報(bào)警顯示畫面；⑧軟盤轉(zhuǎn)存畫面；⑨RS－232通訊畫面。
　　(5)連鎖與報(bào)警功能：配置24點(diǎn)開關(guān)量輸出通道，根據(jù)采樣信號(hào)，提供簡(jiǎn)單的連鎖和狀態(tài)控制信號(hào)；并可任意設(shè)置各通道上限、上上限、下限、下下限報(bào)警，在各顯示畫面上實(shí)時(shí)顯示報(bào)警值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警輸出。
　　(6)數(shù)據(jù)管理功能：①顯示各通道記錄信號(hào)平均值、瞬時(shí)峰值、谷值等；②顯示流量累積的班平均值、日平均值、月平均值；③顯示流量累積的班累積值、日累積值、月累積值、年累積值；④提供常用數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具，方便調(diào)用分析。
　　(7)打印功能：可連接通用打印機(jī)，隨時(shí)打印任意時(shí)刻歷史數(shù)據(jù)，打印單通道和多通道趨勢(shì)曲線、報(bào)警信息、流量累積值等。
　　(8)流量溫壓補(bǔ)償功能：包括對(duì)蒸汽、天然氣、液體等各類流體的溫壓補(bǔ)償。根據(jù)每種流體不同的測(cè)試方法，通過參數(shù)設(shè)置畫面，以實(shí)現(xiàn)合適的測(cè)量與補(bǔ)償功能。
　　(9)通訊功能：可選擇使用RS－232C、RS－485通道接口與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊，可多臺(tái)儀表組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)集中管理。
　　(10)主要技術(shù)參數(shù)：
　　·顯示精度：工程量實(shí)時(shí)顯示精度為±0.3%FS(滿量程)，曲線棒狀圖顯示及追憶精度為±0.5%FS；
　　·存儲(chǔ)時(shí)間：僅受硬盤容量限制，一般16路模擬信號(hào)值可保存三年以上；
　　·通訊接口：提供RS－232C/RS－485兩個(gè)串行通訊接口。
　以上技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)功能定義是多功能無紙記錄儀軟、硬件配置與設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。
3 多功能無紙記錄儀的硬件平臺(tái)與軟件開發(fā)
3.1硬件方案
　　目前無紙記錄儀的硬件平臺(tái)的架構(gòu)大致分為兩類：第一類采用通用型單片機(jī)(MCS51系列、MCS96系列、MCS196系列等)或?qū)Ｓ醚谀る娐?，并輔以外圍I/O通道、存儲(chǔ)電路等，具有成本低廉的特點(diǎn)，但開發(fā)周期長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量小、軟件通用性差；第二類是采用ALL－IN－ONE結(jié)構(gòu)模板，構(gòu)成嵌入式PC機(jī)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大、可靠性高、兼容性好、應(yīng)用靈活方便、支持自開發(fā)、開發(fā)周期短等特點(diǎn)?？紤]到多功能無紙記錄儀不同于其他專用檢測(cè)儀，它必須具有良好的數(shù)據(jù)分析處理能力、較大的存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，因此選用ALL－IN－ONE型PC/104嵌入式模板構(gòu)成記錄儀的硬件平臺(tái)是合適的。
　　PC/104總線的嵌入式工控模板是針對(duì)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的惡劣條件而設(shè)計(jì)的，與PC機(jī)完全兼容，硬件接口均符合PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn),可直接駁接硬盤、軟驅(qū)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等外部設(shè)備，共享PC機(jī)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和其它基于PC的成熟軟件。
　　本機(jī)采用了PC/104家族中的PCM－3335模板，其配置為386SX－40CPU、板載4MRAM、一個(gè)ATA硬盤接口、一個(gè)1.44MB軟驅(qū)接口、一個(gè)VGA接口、一個(gè)平板顯示器接口、一個(gè)打印機(jī)并口和RS－232串口。
　　除PCM－3335模板外，構(gòu)成硬件平臺(tái)的其它部件有：
　　·一個(gè)1GB硬盤驅(qū)動(dòng)器和1.44MB軟盤驅(qū)動(dòng)器，用于記錄數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、組態(tài)文件的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)儲(chǔ)。
　　·一個(gè)分辨率為320×RGB×240的6″彩色液晶顯示器，自帶控制器和顯示緩沖區(qū)VRAM，用于圖形、圖表、數(shù)據(jù)的顯示，允許數(shù)據(jù)并行傳輸。
　　·2×3薄膜數(shù)字鍵盤，主要用于人工設(shè)定或功能切換等操作。
　　·16路12位A/D轉(zhuǎn)換模板，可編程信號(hào)增益為1～16，A/D轉(zhuǎn)換速率達(dá)30kHz，用于對(duì)模擬信號(hào)的采樣和轉(zhuǎn)換。
　　·熱電偶轉(zhuǎn)換卡可編程增益為0.5～500，板上自帶冷端補(bǔ)償電路；熱電阻轉(zhuǎn)換卡可接鉑、銅電阻，測(cè)量范圍為－200℃～+500℃；熱電偶、熱電阻轉(zhuǎn)換卡與A/D轉(zhuǎn)換模板配合可直接接收熱電偶或熱電阻的溫度信號(hào)。
　　·48路開關(guān)量輸入/輸出模板，24×2通道TTLDIO為8255方式0，可通過軟件設(shè)置來決定某一路的輸入或輸出狀態(tài)。
　　·RS－485轉(zhuǎn)換器，將PCM－3335上的RS－232C端口轉(zhuǎn)換為RS－485端口，可實(shí)現(xiàn)單主站、多從站類型的分布式系統(tǒng)，其節(jié)點(diǎn)既可以是多臺(tái)多功能無紙記錄儀，也可以是其它控制設(shè)備如PC機(jī)、PLC或智能儀表等。
　　·開關(guān)電源，提供+5V/7A、－5V/1A、+12V/3A、－12V/1A四組電源供各模板使用，PC/104模板大多只需+5V單一電源，且具有先進(jìn)的電源管理功能、功耗低，從而降低了系統(tǒng)對(duì)電源的要求。
　　上述部件通過標(biāo)準(zhǔn)插件聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)了模塊化儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)需要可更換部分模件，配以相應(yīng)的軟件，即可方便地組成適用各種應(yīng)用場(chǎng)合的記錄型智能儀表。
　　多功能無紙記錄儀硬件配置示意圖見圖2。本記錄儀開發(fā)無需專用開發(fā)環(huán)境，只需在本配置上外接VGA顯示器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。