虚拟仪器

虚拟仪器
虚拟仪器技术是20世纪90年代发展并兴起的一项新技术，主要应用于自动测试、过程控制、仪器设计和资料分析等领域，其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件。

虚拟仪器（VI）的出现是仪器测试测量领域的一个突破，代表着仪器测试测量发展的最新方向和潮流实现了测试测量技术和计算机技术的真正融合，是计算机技术和现代测量技术高速发展共同孕育出的一项新技术。

1.虚拟仪器的概念
虚拟仪器是随着计算机技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物，它推动着传统仪器朝着数字化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。

自1986年美国国家仪器公司（National Instruments,简称NI）提出虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）的概念以来，虚拟仪器这种计算机操作的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同和应用。

通常使用的测量仪器基本上由三部分组成：数据获取、数据处理与分析、数据的显示。

传统仪器是将这三部分装入在一个仪器仪表机箱内，而虚拟仪器则是一种功能意义上的仪器，是具有仪器功能的软硬件组合它并不强调物理上的实现形式，所以虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能模块硬件结合起来，充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本仪器设备配件的支持下，利用软件完成资料的采集、控制、资料分析和处理以及测试结果显示的测试测量系统。

它大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的局限性，使用户可以简单、方便地对仪器进行维护、扩展和升级。

众所周知，电子测试自动化是测量仪器发展的主要方向，随着现代科学技术的不断发展，测试项目日益增多，测量范围越来越大，对测试速度精度的要求也越来越高，这些都需要测量仪器和测试方法不断改进和完善，而虚拟仪器系统的特点正适合了这个时代的潮流。

在虚拟仪器系统中，用户使用相同的硬件系统，而只需将具有一种或多种功能的通用模块相互组合，就能设计出不同的仪器系统；同时通过有好的图形接口来操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样方便，而虚拟仪器的“虚拟”在
很大程度上也体现在这种模仿真实仪器操作面板的虚拟面板上。

当然，利用虚拟仪器思想建立的测试系统提高了测量精度与速度，其具有灵活方便、成本低廉、效率高等特点，使其成为现代测量系统发展的主流。

2.虚拟仪器的构成和特点
虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于资料分析、过程通信及图形用户接口的软件组成的测控系统，与传统仪器一样，虚拟仪器也由三大功能块构成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、数据结果的表达与输出。

与传统仪器相比，虚拟仪器技术具有高效、易用、开放、灵活、技术更新快、功能强大、性价比高、用户可自定义等诸多优点，其优势是显而易见的，表2-1是虚拟仪器与传统仪器相关性能的对照表。

表2-1 虚拟仪器与传统仪器对照表
3.虚拟仪器的系统构成
虚拟仪器系统由仪器硬件和应用软件两大部分组成，仪器硬件是计算机的外围部分与计算机构成了虚拟仪器系统的硬件环境，是应用软件的基础，而应用软件则赋予系统相关功能。

3.1 虚拟仪器系统的硬件构成
虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。

1）计算机硬件平台
计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等，它是虚拟仪器的硬件基础。

2）测控功能硬件
按照测控功能硬件的不同，目前较为常用的虚拟仪器系统是GPIB仪器控制系统、VXI仪器控制系统。

（1）GPIB仪器控制系统。

GPIB（General Purpose Interface Bus），即通用接口总线技术，是把程控仪器设备与计算机紧密联系起来，也就是利用GPIB接口卡将若干GPIB仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组成大型自动测试系统，易于升级，维护方便，仪器功能和面板可自定义，开发和使用相对容易，可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。

利用GPIB技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，最大可能地排除人为因素造成的测试测量误差。

由于可预先编制好测试程序去实现自动测试，所以提高了测试效率。

（2）VXI仪器控制系统。

VXI总线（VME Bus Extension For Instrument）是一种高速计算机总线-VEM总线在仪器测试领域应用的扩展，由于具有标准开放、结构紧凑、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步准确、模块可重复利用等优点，很快得到广泛应用。

在组建大、中规模自动测试测量系统及对速度、精度要求较高的场合，有着其他仪器无法比拟的优势，为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。

自1987年VXI总线仪器诞生以来，这种在世界范围内完全开放、适用于多种货
商的模块化仪器总线标准，成为目前仪器与测试技术领域研究与发展的重点。

1993年美国国家仪器公司（NI公司）、安捷伦公司等仪器制造公司认为，在众多VXI软件技术基础上实现软件标准化的时机已成熟，便共同创建了“VXI Plug & Play”系统联盟（简称VPP），经过近几年的不懈努力，联盟成员日益增多，并完成了20多个技术规范的制定。

目前，VXI仪器已经在世界范围内得到广泛应用。

如今，高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘已成为虚拟仪器的标准配置，虚拟仪器系统融合并利用计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大扩展了传统仪器的功能。

3.2 虚拟仪器系统的软件构成
硬件是传统仪器的关键部分，而虚拟仪器中硬件仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器的关键核心部分，其测试功能均由软件来实现。

它将所有的仪器控制信息均集中在虚拟仪器的软件模块中，可以采用多种方式显示采集数据、分析的结合和控制过程，真正做到“界面友好，人机交互”，用户无需专门学习就可以对虚拟仪器进行操作。

虚拟仪器利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性；另一方面，通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试资料进行各种分析与处理；同时通过图形用户接口（GUI）技术，真正做到界面友好，人机交互。

虚拟仪器系统的软件一般由三部分构成：设备驱动程序、信号的数字处理程序、虚拟仪器面板程序。

（1）设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础，每一种设备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的；设备驱动程序都具有一个共同的应用程序编程接口（API）。

因此，不管虚拟仪器所使用的计算机或操作系统是什么，最终编写的用户应用程序都是可移植的。

对于市场上的大多数计算机内置插卡，厂家都配备了相应的设备驱动程序，用户在编制应用程序时，可以像调用系统函数那样，直接调用设备驱动程序来进行设备操作；如果所用计算机内置插卡和外置设备没有驱动程序，用户可以用高级语言编写。

（2）信号的数字处理程序主要是对采样信号进行非实时的再现和离线分析。

该部分包含了很多信号处理的金典算法，能够对信号数据进行后期的数字信号处
理是虚拟仪器的突出优势，也是其应用日益广泛的主要原因之一。

（3）虚拟仪器面板程序是虚拟仪器软件的核心，它直接面向用户，是虚拟软件的最上层，可以提供与用户交互的界面，而且能够通过面板上的各种控件来完成控制虚拟仪器的工作；虚拟仪器面板程序的开发环境与虚拟仪器系统功能是否容易实现有着密切的关系。

虚拟仪器系统的应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户通过提供直观友好的测控操作接口，丰富的资料分析与处理功能，来完成自动测试任务。

对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式：
（1）传统编程软件进行编写，主要有Mocrosoft公司的Visual Basic与Visual C++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder。

（2）用专业图形化编程软件进行开发，如HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW 以及Lab Windows/CVI等。

4.虚拟仪器技术的优势
虚拟仪器自创建以来走的是一条标准化、开放性、多厂商的技术路线，经过十多年来的不断发展正沿着控制总线与驱动程序的标准化、硬/软件的模块化、硬件模块的即插即用化、编程平台的图形化等方向发展。

随着计算机网络技术、多媒体技术、分布式技术的飞速发展，融合了计算机技术的虚拟仪器技术的内容将会更加丰富。

美国泰克公司、HP公司以及NI等公司均已开发出或正在致力于开发通过Internet网进行远程测试的开发工具。

虚拟仪器技术是现代电子测量仪器发展的主流，其在国际早已进入实用阶段，我国虽然在虚拟仪器的硬件平台和软件平台研制方面起步较晚，但发展迅速，特别是在电子测量、电子工程、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中已取得广泛应用，相信其必将在更多、更广的领域得到应用和普及。