1 虛擬儀器技術的概念及其應用前景
自1986年美國國家儀器公司（NI）提出虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念以來，這種集計算機技術、通訊技術和測量技術于一體的模塊化儀器便在世界范圍內得到了廣泛的認同與應用，逐步體現了儀器儀表技術發展的一種趨勢。由于微電子技術、計算機技術、網絡通訊技術和軟件技術的高度發展，以及它們與各種測量技術在儀器儀表上的應用，使新的測試理論、測試方法、測試領域以及儀器結構不斷涌現并發展成熟，在許多方面已經沖破了傳統儀器的概念，儀器測量的功能和作用也發生了質的變化。虛擬儀器概念的產生正是基于這樣一種技術背景。
儀器儀表技術的發展大致經歷了以下兩條發展主線：從測量的技術和方法上劃分，經歷了從機械儀表、模擬電子儀表、數字化電子儀表到智能儀表的發展過程；從儀表結構上劃分，經歷了單機儀表、疊架式儀器系統到虛擬儀器系統的發展過程。傳統儀器一般均為一個獨立的裝置，有機箱、操作面板、信號I/O端子、信號處理機構或電路等，檢測結果輸出方式有數字、指針或圖形窗口等，有的還有打印輸出口。傳統儀表的功能可概括描述為：信號采集與控制、信號分析與處理、結果的表達與輸出，這些功能均以硬件或固化軟件的形式存在。這種架構形式決定了傳統儀器只能由儀器的生產廠來定義制造，而用戶無法改變。傳統儀器基本上未能擺脫獨立使用、手動操作、功能相對固定、使用具有局限性的模式。計算機技術的發展，給傳統儀表技術注入了強大的活力，在微電子技術和LSIC技術推動下，有力地促進了數字化儀器、智能儀器的快速發展。
虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助您創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業發展趨勢的原因所在。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發時間少，以及出色的集成這四大優勢。
虛擬儀器的構成：如果按照構成儀器的三大功能部件來分，所有控制系統、工業計測系統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據采集系統（SCADA），見圖１。可編程儀器的信號處理、定時控制、集成總線、高速緩存、DMA等技術的應用，使這樣的SCADA系統能達到儀器級的性能、精度與可靠性。
虛擬儀器的軟件開發平臺：虛擬儀器的軟件開發平臺目前主要有兩類：第一類是基于傳統語言的Turbo C、VB、VC++等，這類語言具有適應面廣、開發靈活的特點，但開發人員需有較多的編程經驗和較強的調試能力；第二類是基于圖形組態和編程的圖形組態軟件，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。這類組態軟件都通過建立和連接圖標來構成虛擬儀器工作程序并定義其功能，而不是用傳統的文本編輯形式。它們具有編程效率高、通用性強、交叉平臺互換性好的特點，適用于大批量多品種儀器的生產。該類軟件缺點是缺少程序流程控制，大都解釋執行。
虛擬儀器技術的三大組成部分：
（1）高效的軟件
軟件是虛擬儀器技術中最重要的部份。使用正確的軟件工具 虛擬儀器技術
并通過設計或調用特定的程序模塊，工程師和科學家們可以高效地創建自己的應用以及友好的人機交互界面。提供的行業標準圖形化編程軟件——LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續數據處理能力，設置數據處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶。此外，還提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統管理軟件工具，例如連接設計與測試的交互式軟件SignalExpress、用于傳統C語言的LabWindows/CVI、針對微軟Visual Studio的Measurement Studio等等，均可滿足客戶對高性能應用的需求。 有了功能強大的軟件，您就可以在儀器中創建智能性和決策功能，從而發揮虛擬儀器技術在測試應用中的強大優勢。
（2）模塊化的I/O硬件
面對如今日益復雜的測試測量應用，已經提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論您是使用PCI， PXI， PCMCIA， USB或者是1394總線，都能提供相應的模塊化的硬件產品，產品種類從數據采集、信號條理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業通訊，應有盡有。高性能的硬件產品結合靈活的開發軟件，可以為負責測試和設計工作的工程師們創建完全自定義的測量系統，滿足各種獨特的應用要求。
（3）用于集成的軟硬件平臺
專為測試任務設計的PXI硬件平臺，已經成為當今測試、測量和自動化應用的標準平臺，它的開放式構架、靈活性和PC技術的成本優勢為測量和自動化行業帶來了一場翻天覆地的改革。 PXI作為一種專為工業數據采集與自動化應用度身定制的模塊化儀器平臺，內建有高端的定時和觸發總線，再配以各類模塊化的I/O硬件和相應的測試測量開發軟件 ，您就可以建立完全自定義的測試測量解決方案。無論是面對簡單的數據采集應用，還是高端的混合信號同步采集，借助PXI高性能的硬件平臺，您都能應付自如。這就是虛擬儀器技術帶給您的無可比擬的優勢。
3 多功能無紙記錄儀的技術要求和系統功能
記錄儀是工業生產自動化系統中十分常見的二次儀表。傳統型模擬記錄儀結構簡單、功能單一，存在著卡紙、卡筆、斷線等易發故障和換筆、換紙、添墨等大量日常維護工作。此類記錄儀由于其結構與功能的局限性，無法滿足綜合生產管理、生產過程智能化、數據傳輸網絡化和在線數據分析處理的需要。90年代以來，隨著虛擬儀器技術的日益發展，采用低成本自動化技術，研制與開發各類多功能智能型記錄儀表呈迅猛發展之勢，并逐漸批量進入工業應用領域。特別是在石化、冶金等行業的基礎自動化與過程自動化系統中，已大量融入各種類型的虛擬嵌入式儀表，其卓越的性能、良好的數據在線處理能力和實時數據通訊能力以及友好的人機交互平臺，得到人們日益重視。
基于虛擬儀器的多功能無紙記錄儀在技術上不僅要具備傳統式儀表所應具有的電氣性能和環境適應能力，而且還應具備如下的通用技術指標和系統功能：
（1）信號采樣：設置模擬輸入通道１～16路，采樣周期可選0.25秒／0.5秒／1秒。記錄間隔可通過設置畫面設定為1秒／2秒／4秒／8秒／20秒／40秒／120秒等。開關量輸入24點，接收被測對象的狀態信號。模擬量輸入通道可允許０～10V、１～5V、４～20mA的標準信號和S、B、R、K、N、T、E、J熱電偶以及PT100、Cu50熱電阻等多種信號輸入，且可提供隔離輸入。
（2）設置功能：系統應具有強大的設置功能，可對儀表的通道名稱、量程、報警上下限、信號類型、單位、記錄周期、流量累計、流量溫度壓力補償參數等進行設置。允許保存100組用戶自定義設置。
（3）存儲功能：配置硬盤，使存儲歷史數據量達GB級。根據采樣時間不同，16個通道數據可存儲三年以上，形成數據文件并能調出任意歷史時刻曲線、數據、報警、流量累計值；可通過軟盤轉存任意時間段的歷史數據或通過RS-232接口傳送給其他PC機，在其上進行回放和分析打印。
（4）顯示功能：全中文人機界面，顯示信息豐富直觀，操作簡單。主要顯示畫面應有：①單通道趨勢、棒圖、瞬時數字顯示（選顯／循顯）畫面；②單通道歷史趨勢追憶；③多通道棒圖、數字顯示畫面；④多通道歷史趨勢追憶；⑤多通道流量累計畫面；⑥參數設置畫面；⑦報警顯示畫面；⑧軟盤轉存畫面；⑨RS-232通訊畫面。
（5）連鎖與報警功能：配置24點開關量輸出通道，根據采樣信號，提供簡單的連鎖和狀態控制信號；并可任意設置各通道上限、上上限、下限、下下限報警，在各顯示畫面上實時顯示報警值，同時實現報警輸出。
（6）數據管理功能：①顯示各通道記錄信號平均值、瞬時峰值、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提供常用數理統計工具，方便調用分析。
（7）打印功能：可連接通用打印機，隨時打印任意時刻歷史數據，打印單通道和多通道趨勢曲線、報警信息、流量累積值等。
（8）流量溫壓補償功能：包括對蒸汽、天然氣、液體等各類流體的溫壓補償。根據每種流體不同的測試方法，通過參數設置畫面，以實現合適的測量與補償功能。
（9）通訊功能：可選擇使用RS-232C、RS-485通道接口與計算機聯網，進行遠距離通訊，可多臺儀表組網實現集中管理。
（10）主要技術參數：
·顯示精度：工程量實時顯示精度為±0.3%FS（滿量程），曲線棒狀圖顯示及追憶精度為±0.5%FS；
·存儲時間：僅受硬盤容量限制，一般16路模擬信號值可保存三年以上；
·通訊接口：提供RS-232C/RS-485兩個串行通訊接口。
以上技術指標和系統功能定義是多功能無紙記錄儀軟、硬件配置與設計的基本依據。
1 虛擬儀器技術的概念及其應用前景
自1986年美國國家儀器公司（NI）提出虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念以來，這種集計算機技術、通訊技術和測量技術于一體的模塊化儀器便在世界范圍內得到了廣泛的認同與應用，逐步體現了儀器儀表技術發展的一種趨勢。由于微電子技術、計算機技術、網絡通訊技術和軟件技術的高度發展，以及它們與各種測量技術在儀器儀表上的應用，使新的測試理論、測試方法、測試領域以及儀器結構不斷涌現并發展成熟，在許多方面已經沖破了傳統儀器的概念，儀器測量的功能和作用也發生了質的變化。虛擬儀器概念的產生正是基于這樣一種技術背景。
儀器儀表技術的發展大致經歷了以下兩條發展主線：從測量的技術和方法上劃分，經歷了從機械儀表、模擬電子儀表、數字化電子儀表到智能儀表的發展過程；從儀表結構上劃分，經歷了單機儀表、疊架式儀器系統到虛擬儀器系統的發展過程。傳統儀器一般均為一個獨立的裝置，有機箱、操作面板、信號I/O端子、信號處理機構或電路等，檢測結果輸出方式有數字、指針或圖形窗口等，有的還有打印輸出口。傳統儀表的功能可概括描述為：信號采集與控制、信號分析與處理、結果的表達與輸出，這些功能均以硬件或固化軟件的形式存在。這種架構形式決定了傳統儀器只能由儀器的生產廠來定義制造，而用戶無法改變。傳統儀器基本上未能擺脫獨立使用、手動操作、功能相對固定、使用具有局限性的模式。計算機技術的發展，給傳統儀表技術注入了強大的活力，在微電子技術和LSIC技術推動下，有力地促進了數字化儀器、智能儀器的快速發展。
虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助您創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業發展趨勢的原因所在。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發時間少，以及出色的集成這四大優勢。
虛擬儀器的構成：如果按照構成儀器的三大功能部件來分，所有控制系統、工業計測系統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據采集系統（SCADA），見圖１。可編程儀器的信號處理、定時控制、集成總線、高速緩存、DMA等技術的應用，使這樣的SCADA系統能達到儀器級的性能、精度與可靠性。
虛擬儀器的軟件開發平臺：虛擬儀器的軟件開發平臺目前主要有兩類：第一類是基于傳統語言的Turbo C、VB、VC++等，這類語言具有適應面廣、開發靈活的特點，但開發人員需有較多的編程經驗和較強的調試能力；第二類是基于圖形組態和編程的圖形組態軟件，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。這類組態軟件都通過建立和連接圖標來構成虛擬儀器工作程序并定義其功能，而不是用傳統的文本編輯形式。它們具有編程效率高、通用性強、交叉平臺互換性好的特點，適用于大批量多品種儀器的生產。該類軟件缺點是缺少程序流程控制，大都解釋執行。
虛擬儀器技術的三大組成部分：
（1）高效的軟件
軟件是虛擬儀器技術中最重要的部份。使用正確的軟件工具 虛擬儀器技術
并通過設計或調用特定的程序模塊，工程師和科學家們可以高效地創建自己的應用以及友好的人機交互界面。提供的行業標準圖形化編程軟件——LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續數據處理能力，設置數據處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶。此外，還提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統管理軟件工具，例如連接設計與測試的交互式軟件SignalExpress、用于傳統C語言的LabWindows/CVI、針對微軟Visual Studio的Measurement Studio等等，均可滿足客戶對高性能應用的需求。 有了功能強大的軟件，您就可以在儀器中創建智能性和決策功能，從而發揮虛擬儀器技術在測試應用中的強大優勢。
（2）模塊化的I/O硬件
面對如今日益復雜的測試測量應用，已經提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論您是使用PCI， PXI， PCMCIA， USB或者是1394總線，都能提供相應的模塊化的硬件產品，產品種類從數據采集、信號條理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業通訊，應有盡有。高性能的硬件產品結合靈活的開發軟件，可以為負責測試和設計工作的工程師們創建完全自定義的測量系統，滿足各種獨特的應用要求。
（3）用于集成的軟硬件平臺
專為測試任務設計的PXI硬件平臺，已經成為當今測試、測量和自動化應用的標準平臺，它的開放式構架、靈活性和PC技術的成本優勢為測量和自動化行業帶來了一場翻天覆地的改革。 PXI作為一種專為工業數據采集與自動化應用度身定制的模塊化儀器平臺，內建有高端的定時和觸發總線，再配以各類模塊化的I/O硬件和相應的測試測量開發軟件 ，您就可以建立完全自定義的測試測量解決方案。無論是面對簡單的數據采集應用，還是高端的混合信號同步采集，借助PXI高性能的硬件平臺，您都能應付自如。這就是虛擬儀器技術帶給您的無可比擬的優勢。
3 多功能無紙記錄儀的技術要求和系統功能
記錄儀是工業生產自動化系統中十分常見的二次儀表。傳統型模擬記錄儀結構簡單、功能單一，存在著卡紙、卡筆、斷線等易發故障和換筆、換紙、添墨等大量日常維護工作。此類記錄儀由于其結構與功能的局限性，無法滿足綜合生產管理、生產過程智能化、數據傳輸網絡化和在線數據分析處理的需要。90年代以來，隨著虛擬儀器技術的日益發展，采用低成本自動化技術，研制與開發各類多功能智能型記錄儀表呈迅猛發展之勢，并逐漸批量進入工業應用領域。特別是在石化、冶金等行業的基礎自動化與過程自動化系統中，已大量融入各種類型的虛擬嵌入式儀表，其卓越的性能、良好的數據在線處理能力和實時數據通訊能力以及友好的人機交互平臺，得到人們日益重視。
基于虛擬儀器的多功能無紙記錄儀在技術上不僅要具備傳統式儀表所應具有的電氣性能和環境適應能力，而且還應具備如下的通用技術指標和系統功能：
（1）信號采樣：設置模擬輸入通道１～16路，采樣周期可選0.25秒／0.5秒／1秒。記錄間隔可通過設置畫面設定為1秒／2秒／4秒／8秒／20秒／40秒／120秒等。開關量輸入24點，接收被測對象的狀態信號。模擬量輸入通道可允許０～10V、１～5V、４～20mA的標準信號和S、B、R、K、N、T、E、J熱電偶以及PT100、Cu50熱電阻等多種信號輸入，且可提供隔離輸入。
（2）設置功能：系統應具有強大的設置功能，可對儀表的通道名稱、量程、報警上下限、信號類型、單位、記錄周期、流量累計、流量溫度壓力補償參數等進行設置。允許保存100組用戶自定義設置。
（3）存儲功能：配置硬盤，使存儲歷史數據量達GB級。根據采樣時間不同，16個通道數據可存儲三年以上，形成數據文件并能調出任意歷史時刻曲線、數據、報警、流量累計值；可通過軟盤轉存任意時間段的歷史數據或通過RS-232接口傳送給其他PC機，在其上進行回放和分析打印。
（4）顯示功能：全中文人機界面，顯示信息豐富直觀，操作簡單。主要顯示畫面應有：①單通道趨勢、棒圖、瞬時數字顯示（選顯／循顯）畫面；②單通道歷史趨勢追憶；③多通道棒圖、數字顯示畫面；④多通道歷史趨勢追憶；⑤多通道流量累計畫面；⑥參數設置畫面；⑦報警顯示畫面；⑧軟盤轉存畫面；⑨RS-232通訊畫面。
（5）連鎖與報警功能：配置24點開關量輸出通道，根據采樣信號，提供簡單的連鎖和狀態控制信號；并可任意設置各通道上限、上上限、下限、下下限報警，在各顯示畫面上實時顯示報警值，同時實現報警輸出。
（6）數據管理功能：①顯示各通道記錄信號平均值、瞬時峰值、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提供常用數理統計工具，方便調用分析。
（7）打印功能：可連接通用打印機，隨時打印任意時刻歷史數據，打印單通道和多通道趨勢曲線、報警信息、流量累積值等。
（8）流量溫壓補償功能：包括對蒸汽、天然氣、液體等各類流體的溫壓補償。根據每種流體不同的測試方法，通過參數設置畫面，以實現合適的測量與補償功能。
（9）通訊功能：可選擇使用RS-232C、RS-485通道接口與計算機聯網，進行遠距離通訊，可多臺儀表組網實現集中管理。
（10）主要技術參數：
·顯示精度：工程量實時顯示精度為±0.3%FS（滿量程），曲線棒狀圖顯示及追憶精度為±0.5%FS；
·存儲時間：僅受硬盤容量限制，一般16路模擬信號值可保存三年以上；
·通訊接口：提供RS-232C/RS-485兩個串行通訊接口。
以上技術指標和系統功能定義是多功能無紙記錄儀軟、硬件配置與設計的基本依據。
3 多功能無紙記錄儀的硬件平臺與軟件開發
3.1硬件方案
目前無紙記錄儀的硬件平臺的架構大致分為兩類：第一類采用通用型單片機（MCS51系列、MCS96系列、MCS196系列等）或專用掩膜電路，并輔以外圍I/O通道、存儲電路等，具有成本低廉的特點，但開發周期長、存儲容量小、軟件通用性差；第二類是采用ALL-IN-ONE結構模板，構成嵌入式PC機系統，具有結構緊湊、功能強大、可靠性高、兼容性好、應用靈活方便、支持自開發、開發周期短等特點。
PC/104總線的嵌入式工控模板是針對工業應用環境的惡劣條件而設計的，與PC機完全兼容，硬件接口均符合PC機標準可直接駁接硬盤、軟驅、顯示器、鍵盤、鼠標等外部設備，共享PC機的設備驅動程序和其它基于PC的成熟軟件。
本機采用了PC/104家族中的PCM-3335模板，其配置為386SX-40CPU、板載4MRAM、一個ATA硬盤接口、一個1.44MB軟驅接口、一個VGA接口、一個平板顯示器接口、一個打印機并口和RS-232串口。
除PCM-3335模板外，構成硬件平臺的其它部件有：
·一個1GB硬盤驅動器和1.44MB軟盤驅動器，用于記錄數據、歷史數據、組態文件的存儲和轉儲。
·一個分辨率為320×RGB×240的6″彩色液晶顯示器，自帶控制器和顯示緩沖區VRAM，用于圖形、圖表、數據的顯示，允許數據并行傳輸。
·２×３薄膜數字鍵盤，主要用于人工設定或功能切換等操作。
·16路12位A/D轉換模板，可編程信號增益為１～16，A/D轉換速率達30kHz，用于對模擬信號的采樣和轉換。
·熱電偶轉換卡可編程增益為0.5～500，板上自帶冷端補償電路；熱電阻轉換卡可接鉑、銅電阻，測量范圍為-200℃～+500℃；熱電偶、熱電阻轉換卡與A/D轉換模板配合可直接接收熱電偶或熱電阻的溫度信號。
·48路開關量輸入／輸出模板，24×２通道TTLDIC為8255方式0，可通過軟件設置來決定某一路的輸入或輸出狀態。
·開關電源，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，且具有先進的電源管理功能、功耗低，從而降低了系統對電源的要求。
上述部件通過標準插件聯接，實現了模塊化儀表結構設計，根據需要可更換部分模件，配以相應的軟件，即可方便地組成適用各種應用場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。本記錄儀開發無需專用開發環境，只需在本配置上外接VGA顯示器和一個標準鍵盤，即可實現系統開發。
3.2 軟件設計與功能實現
由于PC/104模板與PC機系統完全兼容，為軟件開發帶來了極大的方便，無需編寫專門的硬件驅動程序。
本機軟件采用通用編程語言TURBOC2.0編制，運行在DOS6.22操作系統平臺上，主要由采樣中斷服務程序、鍵盤掃描中斷服務程序和主控程序組成。
采樣中斷服務程序主要是對各路模擬輸入信號進行定時采集、數值濾波、工程量變換、信號補償、報警判斷、流量累計、數據存儲等，中斷周期為100～1000ms可調。
主控程序包括對各部分程序的初始化、設置參數的讀入、實時數據的動態刷新、畫面切換、實時趨勢顯示、歷史趨勢顯示、流量累計顯示、報警顯示及輸出、數據的軟盤轉存、RS232或RS485通訊及數據、趨勢、報警信息的打印等子程序模塊。
系統開機后首先進行系統參數初始化和模擬量板、開關量板、RS232口等硬件的初始化，然后開辟內存數據區，設置實時中斷，進入畫面顯示狀態。系統共設置九類畫面，根據按鍵判斷調用不同的畫面功能子程序，以實現趨勢、棒圖、實時數據、歷史趨勢、數據轉存、RS232通訊、報警、打印等畫面的切換功能。