虚拟仪器概述

传统的实脸仪器主要由3个功能块组成:信号的采集与控制单元、信号的分析与处理单元、结果的表达与物出单元。由于这些功能块基本上是以硬件或固化的软件形式存在。产品出厂时己经设定。因此传统仪器设计复杂、灵活性差.没有搜脱独立使用、手动操作的模式，功能仅限于简单地模仿人工操作的步骤，进行较为复杂和洲试参敖较多的实较时，使用互联网起来很不方便。随着计算机技术、大舰棋集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领城发生了巨大的变化。关商国家仪公司(National Instruments)于20世纪80年代中期率先提出从于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟侧试技术带入新的发展时期.随后研制和推出了琴于多种总线系统的虚拟仪器VI (Virtual Instrumentation)。

1.1.1虚拟仪肠概念
虚拟仪器vi是计算机技术介入仪器锁城所形成的一种新型的仅器种类.是在以通用计算机为核心的硬件平台上.由用户自己设计定义，从有虚拟的操作面板，侧试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。在虚拟仪器中，计算机处于核心地位，计算机系统和仪器系统有机地结合成一个整体，从而使仪器的结构概念和设计观点等都发生了突变。

从构成上看.虚拟仪器就是利用计算机设备和相应的硬件与专用软件，形成既有普通仪器的4本功能.又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新49.仪器。

从应用角度来看，虑拟仪券利用计算机强大的图形环境。建立界面友好的虚拟仪器面板(即前面板)，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程is言控制仪器运行，完成信号采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。图卜1所示为一欲用LabVIEW设计的虚拟直流数字电压表的前面板。

1.1.2虚拟仪器的发展、特征和优势
随着徽电子技术、计算机技术和网络技术的迅谏发展及其存嗽下电子测甘枯犬的应用。翻量仪器不断进步.依次山现了数字化仪器、智能仪器和虑拟仪器。同时也由单台仪器逐步发展到盛加式仪器系统、虚拟仪器系统等。

虚拟仪器技术的开发和应用派于1986年臾国NI公司设计的Lab VIEW。这是一种葵于图形的开发、调试和程序的集成开发环境.实现了虚拟仪舒的概念。NI又提出了“软件就是仪器”(The software is the instrument)的概念，充分体现出软件在虚拟仪答中的作用是极其艰耍的。它的出现.使用户可以自己定义仪器.灵活地设计仪器系统.满足多样化的实际需要。随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展.基于虚拟仪器的洲试系统开发周期缩短，费用降低，测试速度、准确度及可复用性提高.且更便于维护和扩展。

1997年，NI公司又推出了一种新的仪器总线标准—PXI总线标准。PXI总线方式是在PCI总践内核技术上增加了成熟的技术规范和要求而形成的，增加了多板同步触发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线，以便用于相邻模块的高速通信的局部总线。

1998年一批生产PC机数据采集产品的厂家宜布成立“开放式数据采集协会(OpenData Acquisition Association. ODAA).并且公布了“开放式数据采集标准”(Open DataAcquisition Standard. ODAS)。该标准的最终目标是使各个不同厂家生产的PC机数据采集软件、硬件具有广泛的互换性。与WAS相关的其中一个标准是可互换的虚拟仪器设备(Interchangeable Virtual Instruments. M).这是在VXI plug& play技术上发展起来的一项新技术.可以在不改动软件的悄况下更换洲试系统中的仪器.也就是说，IVI示波器驱动程序通用子所有的IVI兼容示波器.而无需考虑生产厂商或测试平台。

VXI仪器新近又出现了模块中再分模块的构建方案.即在原有的一个模块插梢上，安装若干个小型化模块，从而更有效地利用校块空间，井进一步提高了仪器组建的灵活性。近两年，构成虚拟仪器系统的软、硬件技术又有新的发展，尤其是传感器技术、采集仁技术、软件平台技术发展迅速。例如:IEEE 1344-VXI外置控制器接口具有高数据传抽速率(级高为400 Mbits ),成本低的优势:GPIB一通用申行总线(USB)控制器也为仪器控制提供增强性能。

总之，虚拟仪器是一种功能愈义上的仪器，是传统仪器观念的一次巨大变革.将代表仪器未来发展的一个重要方向。
在虚拟仪器系统中.硬件仅仅是为了解决信号的翰入输出问题.软件才是整个系统的关键。用户可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器仅由厂家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户(而不是厂家)可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，以满足多种多样的应用需求。

与传统仪器相比，虚拟仪器几有以下特征和优势。
(1)打破了传统仪器的“万能”功能概念，将信号的分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理。由于充分利用计算机技术，完兽了数据的传愉、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、简单。
(2》强调“软件就是仪器”的新概念.软件在仪答中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色。由于减少了许多随时间可能深移、需要定期校准的分立式棋拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的侧最精度、侧量速度和可重复性都人大提高。网时由于虚拟仪器中装有视、听、触、动觉的传感及反映装置.根据人类视觉、听觉的心理生理特点，由计算机生成通真的三位立体图像，使人们获得多种感知效果.从而达到身临其境的感觉。
(3)仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方便地同外设、网络及其他应用连接.提高了仪器的交互性。虚拟仪器通过提供给用户自己创建仪器的可贡复使用翻代码库，处理棋块间通信、定时、触发等功能，强调在通用计算机平台的撰础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪舒转变为由用户定义的、由计算机软件和几种棋块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪卷由厂家定义、用户无法改变的摸式，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。
(4)虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化.使用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，提高资浑的重复利用率.使系统组建时间缩短，功能易于扩展.管理规范。使用筒便，软2硬件生产、维护和开发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台数字式侧试仪器使用，又可以构成较为复杂的侧试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式侧试系统，进行远程监控及故障诊断。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代钾纂于硬件体系结构的传统仪舒，还可以大大节省仅器购买、维护费用。
可见，与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势。有许多传统仪器无法比拟的优点，使得虚拟仪器的应用领城非常广泛。虚拟仪器与传统仪器的比较如表1-1所示。