虚拟仪器的发展与应用前景

虚拟仪器的发展与应用前景

摘要：虚拟仪器是电子仪器与计算机技术更深层次结合的基础上产生的一种新的仪器模式，具有比传统仪器和智能仪器更加强大的功能，是仪器发展的又一次飞跃。本文简要地介绍了虚拟仪器的概念、发展与应用前景，其中以基于LabVIEW软件的一些实例，介绍和分析其技术和应用特点，以及在工业生产领域及民用领域中推广的重要意义。

关键词：虚拟仪器、LabVIEW、发展、前景

0．引言

电子测量与测试仪器的发展，大至经历了模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器等几个过程。目前，随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合，使得测试仪器领域出现了一种全新的仪器结构即虚拟仪器(VI)。上世纪90年代后，虚拟仪器因其高性能、可扩展性强、开发周期短等优势，在工业生产等多个领域得到广泛运用。其逐步取代传统仪器的趋势已日益明显。

1.虚拟仪器的概念

虚拟仪器(VI- Virtual Instrument)是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界而操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的单个仪器一样，从而完成对被测量的采集、处理、分析、判断、显示、数据存储等。简单来说，虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板以及测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统[1]。

在这种仪器系统中，各种复杂测试功能、数据分析和结果显示都完全由计算机软件完成，在很多方面有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、测试功能丰富、价格低廉、一机多用等，这些使得虚拟仪器成为未来电子测量仪器发展的主要方向之一[2]。

目前，国内应用较多的面向工程的虚拟仪器开发软件平台有：LabVIEW，

Labwindows，HP VEE和HPTIG等。

2虚拟仪器的发展

国外的仪器产业早在上个世纪80年代末就开始了虚拟仪器的研究工作。在90年代以美国国家仪器公司(NI), Motorola公司等著名企业为代表，开始了仪器产业从数字化仪器、智能仪器向虚拟仪器的过渡。伴随着IT技术的飞跃发展，虚拟仪器的概念使得现代计算机技术、通信技术和测量技术达到了前所未有的紧密结合，进而引发了传统仪器观念的一次巨大变革[4]。虚拟仪器产业在国内的现状和发展态势不容乐观。由于虚拟仪器是随着传统电子测控技术、计算机技术和通讯技术不断发展、不断完善而产生的一项综合性结构化电子测量与控制技术。但是我国的计算机技术通信电子等产业的起步比较晚，相对滞后与欧美国家，因此我国对虚拟仪器的研究起步也比较晚，发展比较缓慢。知道上个世纪末才开始对虚拟仪器的研究。我国对于虚拟仪器的研究还处在初级起步阶段，在我国从事虚拟仪器研究和开发的科研单位数量很少，而且没有同国际虚拟仪器产业接轨，大多数的企业只是作为国外知名的虚拟仪器厂家的销售代理商的身份存在着，并没有形成自主研究，自主开发，自主销售的机制。一些高等院校和附属高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化NI公司、HP 公司的产品等方面做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果。

虚拟仪器发展至今经历的四个阶段，第一阶段利用计算机控制测量仪器，第二阶段，插入式计算机数据采集卡技术的进步，VIX仪器总线标准的确立，使得仪器的技术得以开放。第三阶段，虚拟仪器逐渐得到认同和采用，第四阶段，网络化虚拟仪器的快速发展。随之VI驱动标准化及软件开发环境的发展，代码复用已经成为仪器编程中的基础，使得用户可以避免编程过程中大量重复劳动，从而大大缩短了复杂程序的开发时间。

虚拟仪器的出现，彻底改变了传统仪器的结构固定，功能单一、价格昂贵、可扩展性差等不足，并且具有的灵活方便的功能扩展、美观友好的人机界面、得心应手的操作、优良的性能价格比和用户可自行定义仪器功能等一系列优点。虚拟仪器将计算机和测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面板。虚拟仪器对于传统仪器的最

大优势是“传统的独立仪器由制造商来定义它的功能，而虚拟仪器完全由用户定义仪器的功能”。传统的单台仪器只有一块仪器面板，例如，示波器只有示波器面板，信号发生器也只有信号发生器的面板。但是，虚拟仪器的“面板”显示在PC的屏幕上，以软件的形式存在于计算机中，一套完整的虚拟仪器系统可以包含多个可切换的操作面板。仪器的操作是通过鼠标选中不同的按键和旋钮来完成的。根据实际生产的需要，采用不同的软硬件组合，用户就能在屏幕上定义自己的仪器，通过修改软件来修改或增减仪器的功能，生成各种不同的“仪器面板”，最大限度的满足各种测量系统的需要，从而真正体现了“软件就是仪器”这一新概念[3]。

示波器是电子测量、测试仪器中使用范围非常广泛的设备。传统示波器包括宽带示波器、取样示波器和记忆示波器等，它们频带较宽，实时性较好，但功能比较单一，人机界面不够友好。采用虚拟示波器技术可以以低廉的成本解决这些问题。虚拟示波器是虚拟仪器技术的应用，它使用数据采集卡采集现场信号，通过接口电路传输数据到计算机，再借助强大的监控软件模拟示波器的操作面板，实现信号采集、分析、处理、存储、再显示、打印输出等功能[6]。

虚拟示波器是虚拟仪器的一种，它不仅可以实现传统示波器的功能，并且具有存储、再现、分析、处理波形等特点，而且体积小，耗电少。虚拟示波器使用功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不的方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，完成各种规模的测量任务[7]。

3.虚拟仪器的现状

虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型: （1）PC总线)插卡型虚拟仪器：这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW、Labwindows等相结合,它可以通过各种控件自己组建各种仪器。它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC 机机箱和总线限制,且有电源功率不足、机箱内部的噪声电平较高、插槽数目不