1 虚拟仪器系统的构成

虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。

（1）虚拟仪器系统的硬件构成

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。

按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。

（2）虚拟仪器系统的软件构成

测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分。

①仪器面板控制软件

仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化的技术，从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。

②数据分析处理软件

利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时间。

③仪器驱动软件

虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，它还能提供特定的使用开发环境信息。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数/VI集，函数/VI是指组成驱动的模块化子程序。驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据、查看仪器状态等。高层是应用函数/VI层，它根据具体测量要求调用底层的函数/VI。

④通用I/O接口软件

在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O接口软件模型即VISA。作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点， 即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带GPIB接口仪器所写的软件，也可以于VXI系统或具有RS232接口的设备上，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。

虚拟仪器是一个新型的概念，是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类，它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。虚拟仪器通过提供给用户组件自己仪器的可重用的源代码库，处理模块间通讯、定时、触发等功能，强调在通用计算机平台的基础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变成为用户定义的、由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，虚拟仪器技术给了用户以充分发挥自己能力和想象力的空间。虚拟仪器与传统仪器相比，有以下 6 个特点：

（1）传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在数个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从面提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标难件”和“加工工艺”的限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。

（2）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能，使得开发与维护费用降至最低，而且系统升级方便。

（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。

（4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器，价格低廉，资源可重复利用率高。

（5）研制和技术更新周期较传统仪器大为缩短。

（6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。

决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于虚拟仪器的关键是软件。由于通过软件能定义各种仪器，故可以说“软件就是仪器”。正因为虚拟仪器有这样的特点，故其能满足科技高速发展对测量技术提出的新要求，在工程应用和杜会经济效益方面具有突出的优势。

在监测水质环境的过程中，用到了许多不同方面的知识和技术。应用温度、pH、流量、等传感器测量原理的知识，同时把这些测量的数值通过调理后转换成一定的量送到数据采集卡进行采样。本系统为了完全分析水质的成分和多个参数，应用了多类传感器同时对水质监测。保证了水质分析的全面性和可靠性，为使用都提供了可靠的依据。

随着科技的发展，无线技术越来越成熟，可以为人们提供便利、可靠的数据水质分析。所以本系统中应用无线传感器，在保证数据快速传输、稳定和安全的前提下、为整个系统的安装、应用提供了便利。

水环境的恶化迫切需要研制水质在线监测系统，从而对排放的污水加以严格控制。这种系统可以对影响水质的多种参数实现监测，使操作人员可以同时监测到各种参量，并分析出此参数对水环境的破坏程度，最终对水质进行一个总体的评价。这种多参数监测系统最好能实现实时监测，这样才能够让操作人员实时监测到水质的各种参量的变化，并对水质进行实时的评价，以保证及时采取各种措施以改善水质或者对污水进行进一步的净化处理。

从整体上来讲，对整体水质的环境进行了监测，并进行网络的传输。这在实际中为各类水质分析系统的运行环境提供了自动监测，并可以实时保存数据和同步传输，让人们在实时监测的同时，进行一些系统的控制和预见分析等，从而可以实现水质分析无人看守的自动化监测。

系统是实现工业污水多参数的实时在线监测，其工作原理是首先在PC机上进行采集卡参数设置，通过接口将命令发送到数据采集模块。在数据采集时利用传感器获取污水参数信号，模拟信号经信号调理后传至数据采集卡，通过数据采集卡进行A/D转换后传递到PC机。通过键盘、鼠标、显示器等计算机设备进行人机交互，实现污水参数信号的实时采集、显示和保存。系统还满足查询的功能，输入条件即能显示符合条件的数据结果。此外，还可以进行添加、删除、修改记录等数据操作。确定系统的整体功能和特点后，进行任务划分，系统完成的任务主要包括以下几项：

1)系统能够进行污水参数的信号采集和显示。

2)系统能够进行信号分析处理，提供小波降噪。

3)系统能够对采集的污水参数信息和用户信息进行保存和管理。

本系统包括硬件 (数据采集卡、传感器、信号调理电路)和 PC机的软件应用程序两部分。