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
多、插槽尺寸比较小、机箱内无屏蔽等缺点。

（2）并行口式虚拟仪器：最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。

仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。

比如美国LINK公司的DSO一ZXXX系列虚拟仪器,它们的最大好
处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业,又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。

（3）CPIB总线方式的虚拟仪器：GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。

它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机!一块GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。

在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。

GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。

GPIB 测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高但不要求计算机进行高速数据传输情况下的应用。

（4）VXI总线方式虚拟仪器：VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展,它具有稳定的电源、强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。

由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。

经过十多年的发展，VXI 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，有其它仪器无法比拟的优势。

然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

（5）PXI总线方式虚拟仪器：PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了可使相邻模块进行高速通讯的多板同步触发总线规范和要求形成的。

PXI具有高度的可扩展性。

PXI具有8个扩展槽,而台式PCI系统只有3~4个扩展槽，通过使用
PCI一PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台[3]。

3.虚拟仪器的特点
（1）是一种功能意义上而非物理意义上的仪器。

VI通过硬件接口和仪器驱动实现了与测控设备的硬件通信，将信号采集、分析与处理等多种功能集成为一体。

（2）虚拟仪器具有图形化用户界面，使开发变得直观和简洁，大大减少了开发时间，传统仪器的控制面板在虚拟仪器中都由具有相应设置选项和前面板控件所对应。

（3）虚拟仪器更新速度快，可维护性好，可扩展性强，它的核心是软件程序，在一定的开发环境下，用户可以对现有的虚拟仪器进行二次开发和修改，增加原有仪器的功能。

（4）性能高，虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的,所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新技术的优点，包括功能强大的处理器和文件I/O,使人们在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。

此外,不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现出其更强大的优势。

（4）虚拟仪器采用了模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。

虚拟仪器软件的开发基于模块化的设计思想，并大量运用动态链接库、类库和函数库,代码具有良好的可重用性[4]。

4．虚似仪器与传统仪器的比较
传统的测量仪器是一个自封闭的系统，它作为独立的设备拥有自己的机箱包括各种开关旋钮的操作面板，信号输入输出端，指针式或LED显示表，CRT或LCD波形显示窗口，打印输出端口。

仪器内部包括有传感器、信号处理器、A/D 转换器、微处理器、存储器和内部总线等专门化的电路。

通过这些电路来转换、
测量、分析实际信号，并将结果以各种方式显示。

但是由于仪器所包含的功能均由仪器厂家定义，所有的功能块全部都是以硬件(或固化了的软件)的形式存在于测量仪器中，单台仪器的功能单一、固定，用户无法根据实际需要改变或扩展仪器功能[2]。

而在实际应用中，电子工程师往往需要用到多种不同的测量功能，在进行野外实地测量的情况下，在测量的信号种类较多的情况下，在需要对被测信号进行存储、离线分析的情况下，传统测量仪器就体现出了诸多的不便和功能上的局限。

虽然电子计算机技术的发展给传统的仪器注入了强大的活力。

特别是微电子技术和大规模集成电路的发展，促进了数字化仪器，智能仪器的快速发展，使其功能越来越强，精度越来越高，性能越来越好。

但是，传统的测量仪器的固有局限性并没有根本改变[3]。

而虚拟仪器是一个开放的系统，它的技术思想和实现过程都很好解决了传统仪器的上述缺点，虚拟仪器和传统仪器的关键技术比较见表4.1。

表4.1虚似仪器与传统仪器的比较
5.虚拟仪器的发展前景
虚拟仪器正在继续迅速发展。

它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。

虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。

“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。

虚拟仪器将会
在科学技术的各个领域得到广泛应用。

随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展：
(1)外挂式虚拟仪器：PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。

(2)PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统：PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。

(3)网络化虚拟仪器：尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。

根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。

利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。

现在，有关MCN(Measurement and Control Networks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。

由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。

6．应用举例
虚拟仪器的运用不仅仅是工业生产，也慢慢渗透到了民用、生活领域，现在介绍一套基于LabVIEW的心电信号采集和分析系统。

该系统在信号采集板DAQ 的硬件支持下能够进行心电信号采集、显示、存储以及心率计算，能够实现虚拟仪器中信号的分析和处理。

该系统的数据采集流程如图6.1所示。

图6.1 数据采集流程
可以看出通过ECG模拟器和电路板模拟出心电波形，再经数据采集卡采样，最后送入计算机，通过LabVIEW软件编程处理，在计算机上复现并显示出心电图波形。

LabVIEW与大多数程序语言不同，其采用G语言，是一个图形化编程环境。

其程序流程图如图6.2[9]。

图6.2 LabVIEW程序流程图
最后得到的心电图波形如图6.3所示。

图6.3 心电图波形
通过以上例子，可看出虚拟仪器也可以解决民用、生活中的问题，如今随着计算机、移动设备的普及，虚拟仪器将得到更广泛的发展，如果把虚拟仪器移植到移动设备的操作系统中，会使它的使用更加方便，也会使人们的生活更加便利。

所以在各领域推广虚拟仪器技术是十分有现实意义的。

参考文献：
[1] 侯国屏，LabVIEw7．1编程与虚拟仪器设计[M]．北京：清华大学出版社，2005．
[2] 陈景波，杨放，姚定江基于CompuScope 82G型高速数据采集卡的虚拟示波器
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[5] 谢云．一种虚拟示波器的设计[J]．微计算机信息．1998（6），65~66
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[9]李涛,刘延武. 基于Labview 的心电信号采集和分析[J].。