论文部分内容阅读
摘要：虚拟仪器是最新的PC技术，是先进的测量技术和强大的软件包等多种技术的集成。本文以水利测量自动化、集成化和水利信息数字化为背景，探讨了虚拟仪器在实际水利测量中的应用和综合测量仪器的开发方法。
关键词：虚拟仪器；3S；数字河流；LabVIEW
随着计算机技术、3S（RS，GIS，GPS）技术以及先进测量手段在水利工程中的广泛应用，水利工程测量进入了一个新的发展阶段。作为水利学科主要研究对象的江河湖海等大尺度客体，其影响因素纷繁复杂，内部运行规律难以准确描述。传统的水利测量仪器普遍存在着开发周期较长、功能单一、测量点分散、种类少、可靠性低、实时性和扩展性差等缺点。正在兴起的虚拟仪器技术正好能满足水利测量仪器进一步发展的需求。利用这项新的仪器开发技术还能方便地对现有的测量仪器进行功能扩展，保证获得较高的精度和可靠性，以及较好的实时性。利用这项新的技术设计的测量仪器，还便于组成强大的测量网络，并与计算机技术进行系统集成，实现数据融合，适应水利工程数字化发展的趋势。
一、虚拟仪器技术简介
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器具有性能高、扩展性强、节约时间、无缝集成的特点，备受使用着青睐。
基于多种总线系统推出和研制的虚拟仪器，大多由三大功能模块组成，即对被测信号的分析与处理、采集与控制、测量结果的输出与表达。传统仪器是有硬件和固化的软件组成，如果计算机能完成对这些功能移植，插上各种控制转换卡以及数据采集卡，在计算机屏幕上利用软件生成所需的仪器面板并进行信号的分析、处理和显示，这样就构成了一台简单的虚拟仪器。
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出和转换，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模和进行维护，所以有“软件就是仪器”之说。
NI公司推出的软件包LabVIEW是虚拟仪器系统开发的标准平台。LabVIEW的编程和其他高级语言不同，它是基于一种图形化的语言一一G语言的编程。创建虚拟仪器的过程共分以下三步。
（一）创建虚拟仪器的交互式用户接口（称为前面板），它模仿了实际仪器的面板。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观看结果。在前面板上输入量被称为控制（Controls）、输出量被称为显示以各种图标和显示（Indicators）控制形式出现，如开关、旋钮、图表、按钮、图形等，这就有了直观易懂的前面板。
（二）虚拟仪器从流程图中接收命令（用G语言创建）。流程图是一个编程问题的图形化解决方案，也是虚拟仪器的源代码。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中，端口向程序前面板的控制和显示传递数据，用节点实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义框图内的数据流动方向。
（三）创建虚拟仪器的图标和连接。图标是子程序在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就像函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。这样，其他的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或子程序。
LabVIEW自带有许多开发者可能用到的丰富的工具软件包。例如，它整合了GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通信的全部功能。内置了强大的网络接口和开发模块，甚至支持TCP/IP、FTP等协议。自带的600多个仪器驱动程序可驱动超过50多家厂商所制造的仪器，可以大幅度地减少开发软件所需的时间。
功能超强且庞大的分析函数库，足以与专业数学分析套装软件相匹敌，这些函数库包括统计、回归分析、线性代数、数字信号处理、时域、频域分析、数字滤波器以及三维图形处理等。
二、虚拟仪器技术在水利测控系统中的应用
应用方案1
利用虚拟仪器技术可方便地对常规的水利测量仪器进行改造，从而设计出功能强大的用于水利测量的系统。
常规的水利测量仪器如水位仪，旋桨，热丝流速仪以及电磁流量计等，都可以方便地通过接口转换卡转换成符合虚拟仪器总线标准的设备，从而集成到虚拟测控系统中，完全依靠一台计算机就可控制多台测量仪器。当然还可以通过在计算机上插上合适的板卡对一些对象进行动态监控，如控制闻门的步进电机就是常常需要监控的对象，从而组成一个独立的测控系统。根据实践，利用LabVIEW开发出的虚拟仪器测控系统，做出的控制界面内容丰富、漂亮，控制方便可靠，实时性好，编程容易。另外，现在发展的一些比较先进的流场流速测量技术，如激光多普勒测速仪（PDA）、三维热丝风速仪、粒子图像测速仪（PIV）等在开发过程中需要对多台测量装置进行实时同步控制，如PIV还需要对所得的图像进行匹配和数据处理，如果使用传统的思路和语言如VB、VC++等开发，工作量很大，利用LabVIEW来进行开发，则会大大降低开发的周期和难度。得到的大量数据还可很方便地进行各种处理，进行图形化显示和互相交换，甚至与其他软件平台进行数据交换。总之，利用虚拟仪器的设计方法，可以设计出许多性能优异的服务于水利测量的仪器。
应用方案2
利用LabVIEW强大的网络功能可以进行远程现场在线测控，在室内就可以对水域现场进行准确的测量，便于无人值守的水文观测站的建立。LabVIEW还封装了TCP类库，其中的Internet工具箱还为应用系统增加了E -mail、FTP和Web能力，可以很方便地开发出网络应用程序，应用于远程在线自动测控系统。这些功能在水利测量中有着广泛的应用前景。利用它可以把水情、雨情等固定的观测站很方便地组成网络，并把测得的各种数据送到流域信息中心，为科学研究、水文预报、水利调度和决策提供科学依据。它的这些强大功能很适合构成3S系统的底层平台，共同组成无缝连接的立体信息系统。GPS系统对大面积环境进行动态监测，以及对遥感图片进行定量的描述都需要地面观测仪器进行快速准确的数据采集，这正是虚拟仪器的特长；反过来借助GPS和RS技术能优化地面观测站点的动态分布，减少测点，进而缩短传输路线和减少传输量。如果把这些技术很好地互相结合就可以形成空间、地面及水下的三维立体信息网，能更好地为水利学科的研究和有关决策提供丰富准确的数据。
应用方案3
利用LabVIEW对漏孔漏率的测量原理为：首先待参考室和变容室内的压力达到动态平衡后，将差压阀门关闭，得其内压力为P用绝压规测测量，然后关闭隔离阀门，打开差压阀门，此时变容室和漏孔处于连通状态，这时不断流入变容室的被测漏孔流出的气体，变容室中的压力开始增大，当达到设定值（比如+2 Pa）参考室与变容室之间的压力差（用差压规测量）时，以便增大变容室的体积活塞被驱动退出变容室使变容室中的压力下降，当压力差于变参考室与变容室之间为设定值（比如-2 Pa）时，活塞停止运动，这时压力又开始增大在变容室中。
总之，在信息化技术发展飞速的今天，只有不断的将新的高科技技术运用到生活生产中去，才能实现技术发展的价值。虚拟仪器技术在水利测量中的成功应用，对水利建设的发展起到积极的推动作用，无论是测量，调度还是监控都能取得非常良好的效果。
参考文献：
[1] 司环宇，文恒，苗恒录，贺元甲.LabVIEW虚拟仪器技术在水利测量中的应用研究[J].内蒙古水利，2010，03：69-71。
[2] 陈瑞，王兴奎.虚拟仪器技术在水利测量中的应用研究[J].水利水电技术，2004，04：96-97。
[3] 邹勇军.水环境监测自动化系统的应用探讨[J].北京水利2002，（2）：33-34。
作者简介：
赵桂生，男，硕士，1959.12生，副教授，主要从事工程测量、数据处理的教学和研究。
关键词：虚拟仪器；3S；数字河流；LabVIEW
随着计算机技术、3S（RS，GIS，GPS）技术以及先进测量手段在水利工程中的广泛应用，水利工程测量进入了一个新的发展阶段。作为水利学科主要研究对象的江河湖海等大尺度客体，其影响因素纷繁复杂，内部运行规律难以准确描述。传统的水利测量仪器普遍存在着开发周期较长、功能单一、测量点分散、种类少、可靠性低、实时性和扩展性差等缺点。正在兴起的虚拟仪器技术正好能满足水利测量仪器进一步发展的需求。利用这项新的仪器开发技术还能方便地对现有的测量仪器进行功能扩展，保证获得较高的精度和可靠性，以及较好的实时性。利用这项新的技术设计的测量仪器，还便于组成强大的测量网络，并与计算机技术进行系统集成，实现数据融合，适应水利工程数字化发展的趋势。
一、虚拟仪器技术简介
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器具有性能高、扩展性强、节约时间、无缝集成的特点，备受使用着青睐。
基于多种总线系统推出和研制的虚拟仪器，大多由三大功能模块组成，即对被测信号的分析与处理、采集与控制、测量结果的输出与表达。传统仪器是有硬件和固化的软件组成，如果计算机能完成对这些功能移植，插上各种控制转换卡以及数据采集卡，在计算机屏幕上利用软件生成所需的仪器面板并进行信号的分析、处理和显示，这样就构成了一台简单的虚拟仪器。
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出和转换，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模和进行维护，所以有“软件就是仪器”之说。
NI公司推出的软件包LabVIEW是虚拟仪器系统开发的标准平台。LabVIEW的编程和其他高级语言不同，它是基于一种图形化的语言一一G语言的编程。创建虚拟仪器的过程共分以下三步。
（一）创建虚拟仪器的交互式用户接口（称为前面板），它模仿了实际仪器的面板。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观看结果。在前面板上输入量被称为控制（Controls）、输出量被称为显示以各种图标和显示（Indicators）控制形式出现，如开关、旋钮、图表、按钮、图形等，这就有了直观易懂的前面板。
（二）虚拟仪器从流程图中接收命令（用G语言创建）。流程图是一个编程问题的图形化解决方案，也是虚拟仪器的源代码。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中，端口向程序前面板的控制和显示传递数据，用节点实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义框图内的数据流动方向。
（三）创建虚拟仪器的图标和连接。图标是子程序在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就像函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。这样，其他的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或子程序。
LabVIEW自带有许多开发者可能用到的丰富的工具软件包。例如，它整合了GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通信的全部功能。内置了强大的网络接口和开发模块，甚至支持TCP/IP、FTP等协议。自带的600多个仪器驱动程序可驱动超过50多家厂商所制造的仪器，可以大幅度地减少开发软件所需的时间。
功能超强且庞大的分析函数库，足以与专业数学分析套装软件相匹敌，这些函数库包括统计、回归分析、线性代数、数字信号处理、时域、频域分析、数字滤波器以及三维图形处理等。
二、虚拟仪器技术在水利测控系统中的应用
应用方案1
利用虚拟仪器技术可方便地对常规的水利测量仪器进行改造，从而设计出功能强大的用于水利测量的系统。
常规的水利测量仪器如水位仪，旋桨，热丝流速仪以及电磁流量计等，都可以方便地通过接口转换卡转换成符合虚拟仪器总线标准的设备，从而集成到虚拟测控系统中，完全依靠一台计算机就可控制多台测量仪器。当然还可以通过在计算机上插上合适的板卡对一些对象进行动态监控，如控制闻门的步进电机就是常常需要监控的对象，从而组成一个独立的测控系统。根据实践，利用LabVIEW开发出的虚拟仪器测控系统，做出的控制界面内容丰富、漂亮，控制方便可靠，实时性好，编程容易。另外，现在发展的一些比较先进的流场流速测量技术，如激光多普勒测速仪（PDA）、三维热丝风速仪、粒子图像测速仪（PIV）等在开发过程中需要对多台测量装置进行实时同步控制，如PIV还需要对所得的图像进行匹配和数据处理，如果使用传统的思路和语言如VB、VC++等开发，工作量很大，利用LabVIEW来进行开发，则会大大降低开发的周期和难度。得到的大量数据还可很方便地进行各种处理，进行图形化显示和互相交换，甚至与其他软件平台进行数据交换。总之，利用虚拟仪器的设计方法，可以设计出许多性能优异的服务于水利测量的仪器。
应用方案2
利用LabVIEW强大的网络功能可以进行远程现场在线测控，在室内就可以对水域现场进行准确的测量，便于无人值守的水文观测站的建立。LabVIEW还封装了TCP类库，其中的Internet工具箱还为应用系统增加了E -mail、FTP和Web能力，可以很方便地开发出网络应用程序，应用于远程在线自动测控系统。这些功能在水利测量中有着广泛的应用前景。利用它可以把水情、雨情等固定的观测站很方便地组成网络，并把测得的各种数据送到流域信息中心，为科学研究、水文预报、水利调度和决策提供科学依据。它的这些强大功能很适合构成3S系统的底层平台，共同组成无缝连接的立体信息系统。GPS系统对大面积环境进行动态监测，以及对遥感图片进行定量的描述都需要地面观测仪器进行快速准确的数据采集，这正是虚拟仪器的特长；反过来借助GPS和RS技术能优化地面观测站点的动态分布，减少测点，进而缩短传输路线和减少传输量。如果把这些技术很好地互相结合就可以形成空间、地面及水下的三维立体信息网，能更好地为水利学科的研究和有关决策提供丰富准确的数据。
应用方案3
利用LabVIEW对漏孔漏率的测量原理为：首先待参考室和变容室内的压力达到动态平衡后，将差压阀门关闭，得其内压力为P用绝压规测测量，然后关闭隔离阀门，打开差压阀门，此时变容室和漏孔处于连通状态，这时不断流入变容室的被测漏孔流出的气体，变容室中的压力开始增大，当达到设定值（比如+2 Pa）参考室与变容室之间的压力差（用差压规测量）时，以便增大变容室的体积活塞被驱动退出变容室使变容室中的压力下降，当压力差于变参考室与变容室之间为设定值（比如-2 Pa）时，活塞停止运动，这时压力又开始增大在变容室中。
总之，在信息化技术发展飞速的今天，只有不断的将新的高科技技术运用到生活生产中去，才能实现技术发展的价值。虚拟仪器技术在水利测量中的成功应用，对水利建设的发展起到积极的推动作用，无论是测量，调度还是监控都能取得非常良好的效果。
参考文献：
[1] 司环宇，文恒，苗恒录，贺元甲.LabVIEW虚拟仪器技术在水利测量中的应用研究[J].内蒙古水利，2010，03：69-71。
[2] 陈瑞，王兴奎.虚拟仪器技术在水利测量中的应用研究[J].水利水电技术，2004，04：96-97。
[3] 邹勇军.水环境监测自动化系统的应用探讨[J].北京水利2002，（2）：33-34。
作者简介：
赵桂生，男，硕士，1959.12生，副教授，主要从事工程测量、数据处理的教学和研究。