虚拟仪器在水质监测中的应用

1　虚拟仪器简介

        美国NI(National Instruments)公司在20世纪80年代中期提出了虚拟仪器的概念。到目前为止，NI公司已研制和推出了多种总线式系统的虚拟仪器，美国的HP公司、Racal公司等也相继推出了多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器是目前发达国家研究的热点之一。

        虚拟仪器就是利用PC计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立中英文界面的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示，代替了传统仪器并改变传统仪器的使用方式，用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，提高仪器的使用功能和效率，大幅度降低仪器的价格。

        虚拟仪器除具有普通仪器的功能外，还可以完成传统仪器不可能实现的测试功能。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，用户可根据自己定义的测试功能的需要，设计所需要的仪器系统，满足多种应用需求。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的仪器控制面板。软面板上具有与实际仪器相拟的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件，用户通过鼠标或键盘操作来检验仪器的通信和操作。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何一个使用者都可能通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了“软件就是仪器”的新思路。

2　虚拟仪器的软件设计

        软件的研制是虚拟仪器的关键，一个高效的开发平台有利于构建强大的虚拟仪器系统，其代表产品是美国NI公司的Lab View和Lab Windows。Lab View面向的是没有编程经验的用户，尤其适合从事科研、开发的科学家、工程技术人员。有C语言编程经验的用户则可以使用NI的另一种虚拟仪器开发平台Lab Windows/CVI来简化程序开发，提高编程速度。本文虚拟仪器的软件开发采用了NI公司最新版本的Lab Windows/CVI 5.0。

2.1　Lab Windows/CVI简介

        Lab Windows/CVI是美国NI公司专门用于虚拟仪器的基于ANSIC、交互式C语言的开发平台。它提供了丰富的仪器仪表的界面和控件，并带有数值分析、数字信号处理、GPIB、VXI、VISA、TCP等库函数，同标准C/C++兼容。Lab Windows/CVI是一种开放的开发环境，以工程文件为主体框架将C原代码文件、库文件、目标模块、用户界面文件、动态连接库、仪器驱动器等多种功能组合集于一体，可编译性能强；可以在Win3.X/Win95/WinNT/Unix和并行Power MAX中应用，具有交叉平台兼容性。

2.2　软件设计

        Lab Windows/CVI是一种可视化编程技术，通过弹出式菜单定义用户界面，并将它存储在后缀名为.UIR的文件中，由用户界面编辑器对其进行编辑、保存，Lab Windows/CVI将自动生成源代码文件，声明界面对象常量及相关回调函数。

        利用Lab Windows/CVI提供的代码生成器和函数面板这两种交互式编程工具，可自动生成各种结构命令框架，极大减少源码语句的输入量，减少程序的语法错误，提高应用软件设计的效率和可靠性。功能强大的函数库的调用大大提高了对数据的分析和处理能力。如HPVEE可提供200种以上的数学运算和分析功能，从最基本的数学运算到微积分及回归分析等。以图形或对象方式调用各种功能各异、使用方便的库函数，既能完成对数据的分析处理，又节省了大量的开发时间和费用。

        使用Lab Windows/CVI开发Windows3.X—95/NT平台下的应用程序，凡涉及复杂的Windows的编程细节，Lab Windows/CVI会自行处理好，而无需使用者再去钻研这些技术。

3　监测水质的虚拟仪器系统

3.1　软面板设计

        软面板的设计分为两个步骤：使用界面编辑器产生一个图形面板；编写程序代码对图形面板进行处理。

        图1是利用Lab Windows/CVI 5.0开发的一个水质物理指标监测的软面板设计实例。此虚拟仪器可以同时或分别对水温、pH值、电导率、浊度等进行监测。面板中间具有4个数值显示窗口和4个图形显示窗口，分别显示数据。设计两种读取方式：用鼠标读取；在显示屏上放一个游标，利用键盘控制。
 

        存储数据命令按钮与显示屏相对应，按下它就表示要把显示屏上的数据存储起来。存储方式有两种：存储在文件里或通过打印机打印。存储数据可以多种方式显示：如柱型图，三维立体图，直方图等。

        通过数据分析库(按钮)能够对所测数据进行统计、回归、分析(调用函数等)，使用帮助菜单(按钮)将熟悉和了解仪器的功能、操作等，按下“退出”按钮后将关闭虚拟仪器。

3.2　硬件结构

        虚拟仪器的硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等硬件。由于从传感器直接得到的信号很微弱，因此选用了美国Burr Brown公司专门用于数据采集、具有高精度及强抗干扰能力的精密隔离仪表放大器ISO165作为信号处理单元的主放大器。数据采集系统采用美国Iotech WaveBook/512 Data Acquisition System，其主要性能指标：采样频率为IMHz，通道数为8，A/D精度为±0.025%，抗混滤波器，FIFO缓冲器64 k。

3.3　应用实例

        图1和图2是自行研制开发的水质物理指标和化学离子检测指标测定的虚拟仪器前面板，面板中间的4个数值显示窗口和4个图形显示窗口可以同时对水温、pH值、电导率、浊度和氟离子、氯离子、氰离子、溶解氧等浓度进行监测。
 

        系统设置了采样点数、采样频率等，通过通道选择，可以以一个大的显示窗口分别显示水温、pH值、电导率、浊度以及氟离子、氯离子、氰离子、溶解氧浓度等由外设端口或从数据文件中读出的原始信号数据。

4　在水工业中的发展前景

        虚拟仪器以计算机技术为核心，将计算机和测试系统有机地融合为一体，它的最大优点在于用户自定义仪器的功能和结构等。虚拟仪器将众多的测试仪器功能、技术参数和精度指标集成在一个软件库中，通过与专用的硬件卡和接口搭配，完成众多复杂仪器的功能，使得测试系统开发周期缩短、费用降低，同时使得测试系统体积小、灵活方便，提高了测量精度及测量速度，它已成为现代测试系统发展的主流。