隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，新的測(cè)試?yán)碚�、測(cè)試方法，新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，數(shù)字化儀器、智能化儀器快速發(fā)展，繼而誕生了新的儀器—虛擬儀器。虛擬儀器具有很多傳統(tǒng)儀器所不能代替的顯著優(yōu)點(diǎn)，它代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，是信息技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)產(chǎn)生了重要的影響。在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，虛擬儀器具有廣闊的應(yīng)用前景。將虛擬儀器應(yīng)用于農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)檢測(cè)，農(nóng)產(chǎn)品等級(jí)分選，自動(dòng)化農(nóng)場(chǎng)的監(jiān)控與田間數(shù)據(jù)采集，種子、秧苗或細(xì)胞生物特性的檢測(cè)等方面，能夠縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，提高科研效率與測(cè)試精度，滿足系統(tǒng)靈活性的要求。
2虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成
從構(gòu)成要素講，虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的。從構(gòu)成方式講，則有以插人式數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)和信號(hào)調(diào)理部分為硬件來(lái)組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，GPIB, VXI、串行總線和現(xiàn)場(chǎng)總線等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件方式組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串行總線系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等。虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示}2.3.81。無(wú)論哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都是將硬件儀器搭載到筆記本電腦、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成，因而虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)與計(jì)算機(jī)的發(fā)展完全同步。1虛擬儀器的概念任何一臺(tái)儀器，不外乎由信號(hào)的采集與控制、信號(hào)的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出這三大功能構(gòu)
成。若這些功能全部是以硬件的形式存在，只能由儀器生產(chǎn)廠家來(lái)定義、制造，用戶無(wú)法改變，這便是傳統(tǒng)儀器。
如果把計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將信號(hào)的采集與控制做成插件式，每個(gè)插件可以插人計(jì)算機(jī)的總線擴(kuò)展槽內(nèi)或插人專門的儀器插件板、插件箱上，將儀器的信號(hào)分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出由計(jì)算機(jī)來(lái)完成;用計(jì)算機(jī)屏幕形象、方便地模擬各種儀器控制面板，以各種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，并用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)各種各樣的信號(hào)分析、處理，完成
多種多樣的測(cè)試功能，這便是虛擬儀器[al0
圖1應(yīng)擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成
Fig. 1 The constitution of virtual instrument
收稿日期:
作者簡(jiǎn)介:張淑娟，副教授，博士生，杭州市凱旋路268號(hào)浙江大學(xué)華家池校區(qū)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，3100293虛擬儀器的性能特點(diǎn)
在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸人、輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)修改軟件的方法，很方便地改變儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，因此有“軟件就是儀器”之說(shuō)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開(kāi)放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器功能，利用基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)放
機(jī)遇，挑戰(zhàn).創(chuàng)新2002年靈活的功能模塊，將具有一種或多種功能的模塊組建起來(lái)，構(gòu)成所需的儀器。所需要的只是一些必要的硬件、軟件，加上通用計(jì)算機(jī)。由于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)
據(jù)處理能力，借助于數(shù)據(jù)采集板，用戶通過(guò)軟件可以構(gòu)造幾乎是任意功能的儀器，這大大提高了使用效率，減少了投資，克服了傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)封閉，功能固定，其數(shù)據(jù)編輯能力差，研制周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有以下顯著特點(diǎn)〔1-31，見(jiàn)表I o 衰1傳統(tǒng)儀器與應(yīng)擬儀器比較
Table 1 Comparison between traditional instrument
and virtual instrument
傳統(tǒng)儀器虛擬儀器系統(tǒng)儀器廠商定義
硬件是關(guān)鍵儀器功能、規(guī)模固定系統(tǒng)較封閉，與其它設(shè)備連接受
限價(jià)格貴技術(shù)更新慢(周期5-10年)開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高用戶自己定義
軟件是關(guān)建系統(tǒng)功能、規(guī)�？赏ㄟ^(guò)軟件修改、增減開(kāi)放的系統(tǒng)，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用連接綜合價(jià)格低，可重復(fù)利用技術(shù)更新快(周期1-2年)軟件結(jié)構(gòu)，節(jié)省開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用為每一個(gè)子任務(wù)設(shè)置一個(gè)子虛擬儀器，最后建成的頂層虛擬儀器就成為一個(gè)包括所有應(yīng)用功能的子虛擬儀器的集合。3)LabVIEW的查錯(cuò)、調(diào)試功能也非常強(qiáng)大�？梢栽O(shè)定程序斷點(diǎn)，進(jìn)行帶數(shù)據(jù)探針的單步運(yùn)行，加亮執(zhí)行程序進(jìn)行數(shù)據(jù)流追蹤，這些功能使程序的調(diào)試更為容易。4)LabVIEW是一個(gè)帶有擴(kuò)展功能庫(kù)和程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其開(kāi)發(fā)環(huán)境下提供的應(yīng)用程序有180多種，幫助用戶迅速組建自己的應(yīng)用系統(tǒng)。5)LabVIEW提供了600多個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序，可以驅(qū)動(dòng)50多家廠商所制造的儀器。6)LabVIEW支持多種系統(tǒng)平臺(tái)，在任何一個(gè)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的LabVIEW應(yīng)用程序都可直接移植到其他平臺(tái)上巨1.4-610 同傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言相比，采用LabVIEW圖形編程方式可以節(jié)省大約80寫的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，是一種典型的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。4.2其它開(kāi)發(fā)平臺(tái)4虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件技術(shù)是定義、構(gòu)造虛擬儀器的核心。構(gòu)造一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定以后，就可以通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。作為虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用軟件，應(yīng)該具有三個(gè)主要的功能:集成的開(kāi)發(fā)環(huán)
境，與儀器硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序和虛擬儀器的用戶界面。當(dāng)今流行的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是一種嶄新的圖形編程語(yǔ)言，其代表產(chǎn)品是美國(guó)NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE o
4.1 LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW是世界上第一個(gè)采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它具有十分強(qiáng)大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、輸人/輸出控制、信號(hào)生成、圖像的獲取、處理和傳輸?shù)鹊�。它采用了工程界熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)等圖形化符號(hào)來(lái)代替常規(guī)的文字編程。通過(guò)鼠標(biāo)操作，菜單或圖標(biāo)提示選擇功能，并用線條把各種功能(圖形)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)編程。在Lab VIEW中編程就像在畫流程圖，流程圖畫好了，編程也基本完成了。 Lab VIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)的特點(diǎn)是:1)LabVIEW使用不同的圖標(biāo)來(lái)表示不同的功能模塊。連線表示各功能模塊間傳遞的數(shù)據(jù)。LabVIEW編寫程序的過(guò)
程也就是將多個(gè)圖標(biāo)用連線連接起來(lái)的過(guò)程。2)La bV1EW繼承和發(fā)展了結(jié)構(gòu)化和模塊化程序設(shè)計(jì)的概念，使虛擬儀器分層次和模塊化，這樣用戶可以有C語(yǔ)言編程經(jīng)驗(yàn)的用戶也可以使用NI公司的另一種虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindowslCVI。偏愛(ài)VisuaIBASIC語(yǔ)言者，NI還提供了另一種軟件工具Component Works，加載于VisuaIBASIC下，同樣可使VisuaIBASIC成為虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。5虛擬儀器技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程數(shù)據(jù)采集與處理中的應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶自己定義自己的儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以在國(guó)內(nèi)外的農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的測(cè)量、檢測(cè)、計(jì)量、測(cè)控等方面應(yīng)用極為廣泛。5.1虛擬儀器技術(shù)在國(guó)外農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用
室自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，由一臺(tái)486DX66MH:計(jì)算機(jī)、兩個(gè)多路轉(zhuǎn)換模塊及附件、一塊AT-MIO-16多功能數(shù)據(jù)采集板和虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)組成，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以獲得柴油機(jī)排放的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)包括一個(gè)由計(jì)算機(jī)、測(cè)力儀表控制器和測(cè)壓元件等組成的控制系統(tǒng)，用于測(cè)量溫度、壓力、氣體排放、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載等。所有測(cè)量結(jié)果都是為了描述柴油機(jī)及其輔助設(shè)備的運(yùn)行情況，因此數(shù)據(jù)點(diǎn)每次進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換后測(cè)量結(jié)果都要顯示于屏幕上。屏幕顯示控制面板和采集面板。采集面板以數(shù)字方式顯示一系列當(dāng)前值并以圖形方式表達(dá)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)，一個(gè)圖表顯示發(fā)動(dòng)機(jī)速度與負(fù)載，一個(gè)同時(shí)顯示5處用戶定義的溫度走向，一個(gè)用于顯示壓力;控制面板包括2個(gè)控制輸出—發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速，通過(guò)下拉菜單，用戶可以選擇不同的控制模式(手動(dòng)或預(yù)置控制點(diǎn))。發(fā)動(dòng)機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集是彼此獨(dú)立的，這樣即使無(wú)測(cè)量結(jié)果記錄或顯示，同樣可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)，用戶可以隨意關(guān)閉或啟動(dòng)采集系統(tǒng)。最后系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存人文件，該文件可由用戶使用EXCEL軟件進(jìn)行后續(xù)處理。
美國(guó)Goldmith種子公司于1997年利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具和計(jì)算機(jī)視覺(jué)軟件，在MicrosoftWindows系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)化秧苗分析系統(tǒng)(CASA>，用于監(jiān)視秧苗質(zhì)量和預(yù)測(cè)在最后發(fā)芽期限發(fā)芽良好的秧苗數(shù)量。CASA系統(tǒng)通過(guò)GUI操作界面來(lái)設(shè)置應(yīng)用參
數(shù)，對(duì)每種秧苗開(kāi)發(fā)了參數(shù)配置數(shù)據(jù)庫(kù)及最終結(jié)果的圖形化表達(dá);利用數(shù)據(jù)分析庫(kù)提供的線性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、回歸等分析函數(shù)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算;最后利用視覺(jué)軟件為系統(tǒng)提供必要的視覺(jué)功能，以實(shí)現(xiàn)視頻捕捉、圖像顯示、圖像處理及分析等操作。a- A虛擬儀器技術(shù)在國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用
印。具有多層菜單和軟面板，使得操作非常方便，大大縮短了測(cè)量的時(shí)間。該系統(tǒng)更換傳感器，可完成多種生物實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
數(shù)多，精度高，重復(fù)性好，對(duì)超差項(xiàng)有報(bào)替功能，明顯優(yōu)于氣動(dòng)量?jī)x的檢測(cè)方法，更適用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)及實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。
信息的采集與處理。綜上所述，虛擬儀器技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)必將推動(dòng)精細(xì)農(nóng)業(yè)，農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的自動(dòng)檢測(cè)，農(nóng)產(chǎn)品的自動(dòng)檢測(cè)與分級(jí)，生物信息自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)的發(fā)展。
6結(jié)語(yǔ)現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開(kāi)現(xiàn)代的測(cè)試儀器，而且要求電子儀器品種多、功能強(qiáng)、精度高、自動(dòng)化程度高，要求測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好的人機(jī)界面。然而我國(guó)傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，與國(guó)外比較，測(cè)量精度、可靠性和自動(dòng)化程度還較低。廣泛采用虛擬儀器技術(shù)能滿足現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)測(cè)試儀器的要求，且節(jié)省儀器開(kāi)發(fā)的時(shí)間、人力和費(fèi)用，因
此，虛擬儀器技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)有著十分現(xiàn)實(shí)的意義和廣闊的前景。
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