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。
　　在虛擬儀器系統中，用計算機靈活強大的軟件代替傳統儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質資源，通過一組軟件和硬件，形成了既有普通儀器的基本功能、又有一般儀器所不具備的特殊功能的新型儀器。虛擬儀器本質上是利用PC機強大的運算能力、圖形環境和在線幫助功能，建立具有良好人機交互性能的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數據分析與顯示，并通過一組軟件和硬件，實現完全由用戶自己定義、適合不同應用環境和對象的各種功能。在虛擬儀器系統中，硬件僅僅是解決信號的輸入/輸出問題的方法和軟件賴以生存、運行的物理環境，軟件才是整個儀器的核心構件，正如NI公司提出的口號“軟件就是儀器”，任何使用者只要通過調整或修改儀器的軟件，便可方便地改變和增減儀器的功能和規模，甚至儀器的性質。
　　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。
　　當今的儀器儀表開發技術正與計算機技術日益緊密地結合在一起，利用虛擬儀表技術開發基于PC機的多功能無紙記錄儀，可使其硬件結構簡單、可靠性高、兼容性好、功能大大增強、使用更為靈活，并且可通過更新軟件實現不同的記錄要求，真正達到一機多用的目的。
2 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。考慮到多功能無紙記錄儀不同于其他專用檢測儀，它必須具有良好的數據分析處理能力、較大的存儲空間和數據網絡傳輸能力，因此選用ALL－IN－ONE型PC/104嵌入式模板構成記錄儀的硬件平臺是合適的。
　　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TTLDIO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。
　　·RS－485轉換器，將PCM－3335上的RS－232C端口轉換為RS－485端口，可實現單主站、多從站類型的分布式系統，其節點既可以是多臺多功能無紙記錄儀，也可以是其它控制設備如PC機、PLC或智能儀表等。
　　·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。