虚拟仪器研究

摘要：虚拟实验仪器系统由信号采集、信号处理和结果显示三大部分构成，虚拟仪器系统与传统仪器相比，具有性价比高、开放性、智能化程度高、界面友好等特点。

本文介绍了虚拟实验仪器的概念，开发平台，国内外使用现状和未来的发展趋势，以及其在工业应用上的重要地位。

关键词：虚拟实验仪器，Labview，数据采集，
虚拟实验仪器研究
1文献综述
随着科学技术的迅猛发展，电子设备和技术向集成化、数字化和高速化方向发展，而在学校特别是大学中，要想紧跟技术的发展，就要不断更新教学和实验设备。

只有在自己动手的实验过程中，学生才能够将学到的理论知识真正掌握和应用，这就使得电子测量仪器变得至关重要。

而传统仪器下的高校实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要。

其根本原因在于实验内容依附于课程设立，仪器设备很大部分陈旧，而先进的数字仪器(如数字存储示波器)价格昂贵不可能大量采购，同时其功能较为单一，与此相对应的是大学学科分类越来越细，每一专业都需要专用的测量仪器，因此仪器设备不能实现资源共享，造成了浪费。

虚拟仪器正是解决这一矛盾的最佳方案。

基于PC平台的虚拟仪器，可以充分利用学校的微机资源，完成多种仪器功能，可以组合成功能强大的专用测试系统，有多种专业共同使用，还可以通过软件行升级。

基于虚拟仪器的概念，使用目前最为流行的虚拟仪器软件开发环境——Labview，进行虚拟实验仪器的开发，实现数字存储示波器的功能，可以对实时信号进行数据采集、显示、存储及进一步的处理。

2问题的提出
由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以
及新的仪器结构不断出现。

电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密的结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生突破性的变化。

在上述的背景下，出现了新的仪器概念——虚拟仪器。

机电类研究生学习的重要部分是在实验课中获得实际经验，如关于现代仪器、插卡式的数据采集卡和由计算机控制的独立仪器方面的经验。

但是学校实验室设备有限、学校经费较少等因素，实验所要达到的效果并不理想，学员仅仅按部就班的操作实验仪器，并不能实现自身素质的提高。

虚拟仪器的出现可以有效地解决这个问题。

在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能，开发结构简单、操作方便、费用低的虚拟实验仪器，包括数字示波器、频谱分析仪、函数发生器等，既可以减少实验设备资金的投入，又为学员做创新性实验、掌握现代仪器技术提供了条件。

3虚拟仪器概述
3．1虚拟仪器的概念
所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I／0接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。

使用者用鼠
标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。

因此虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。

虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义：
1、虚拟仪器的面板是虚拟的。

虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的；由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断’；被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，及测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。

传统仪器面板上的器件都是实物，而且是由手动和触摸进行操作的：虚拟仪器前面板是外形与实物相像的图标，每个图标的“通”、“断”、“放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。

因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。

2、虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。

虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能的。

因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。

这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。

3．2虚拟仪器的构成
虚拟仪器通常由通用仪器硬件平台和应用软件平台两大部分构成。

1、虚拟仪器的硬件平台
构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。

（1）计算机。

它一般为一台Pc机或工作站，是硬件平台的核心。

（2）接口设备。

I／o接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模／数转换。

不同的总线有其相应的Uo接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集卡(DAQ)、GPIB总线仪器、VXl总线仪器模块、串口总线仪器等。

虚拟仪器的构成方式主要有5种类型，如图1所示。

图1虚拟仪器的构成方式
2、虚拟仪器的软件平台
开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工
具有如下两类。

（1）文本式编程语言：如VisualC++，Visual Basic，LabWindows／CVI 等。

（2）图形化编程语言：如LabVIEW，HPVEE等。

虚拟仪器软件由两部分构成，即应用程序和I／O接口仪器驱动程序。

虚拟仪器的应用程序包含两方面功能的程序，即实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序。

I／O接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。

3.3虚拟仪器的特点及优势
虚拟仪器与传统仪器相比，有以下六个特点：
（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
器件，易于导致许多识别与操作错误。

虚拟仪器与之不同，它可以通过在几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，从而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准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
仪器功能。

（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义，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，而不需要
购买新的仪器。

（5）研制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”。

虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。

目前，我国高档台式仪器，如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，因为这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要
求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术后，就可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。

4国内外虚拟仪器的发展现状
4．1虚拟仪器的发展现状
虚拟仪器目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司(NI公司)为代表的一批厂商己经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。

在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，己作为各大学理工科学生的一门必修课。

美国的斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。

近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。

最早和最具影响力的开发软件，是NI公司的LabVIEW和Labwindows／CVI。

LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件；Labwindows／CVI 是为熟悉C语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发软件。

除了上述的优秀开发软件之外，美国HP公司的HP—VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronix公司的Ez—Test和Tek-TNS软件，以及美国HEM Data公司的Snap-Master平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。

当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS一232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及己经被PC机广泛采用的USB通用串行总线和IEEE 1394总线(BPFirewire，也叫做火线)。

世界各国的公司，特别是美国的NI公司，为使虚拟仪器能够适应各种总线的配置，开发
了大量的软件以及适应要求的硬件(插件)，可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。

虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。

美国NI公司在1997年推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与Compact PCI完全兼容的系统。

这种虚拟仪器模块化主流平台PXI 的传输速度己经达到133Mb／s，是目前已经发布的计算机测试总线标准中传输速度最高的。

虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库(例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检测、波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等)，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。

国内己有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器电子有限责任公司就是其中之一，其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列等。

国内专家预测：未来的几年内，我国将有50％的仪器为虚拟仪器。

国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时检测。

随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。

虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。

4．2虚拟仪器的发展方向
随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。

在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。

其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。

使用网络化虚拟仪器，可在任何地点、任意时刻获取数据信息的愿望成为现实。

网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。

与以Pc为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一次革命，网络化虚拟仪器是仪器发展史上的一次革命。

网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现的三大功能(数据获取、数据分析及图形化显示)分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的两大功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。