虚拟仪器简介

1.虚拟仪器的概念与起源

虚拟仪器（Virtual Instrumentation，VI）是电子测量技术与计算机技术更加紧密结合产生的一种新仪器模式，是指以通用计算机作为核心硬件平台，配以相应的硬件模块作为信号输入／输出接口，利用仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板和相应的功能，通过鼠标或键盘交互式操作完成相应测量任务的仪器。在这种仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个用户都可以通过改写软件的办法，方便地改变和增减仪器系统的功能，即“软件就是仪器”。

虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC出现以后，仪器的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW 2.0以前的版本，对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。

普通的PC有一些不可避免的弱点，用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI是结合GPIB仪器和DAQ板的最先进技术而发展起来的高速、多厂商、开放式工业标准。VXI技术优化了诸如高速A／D转换器、标准化触发协议以及共享内存和局部总线等先进技术和性能，成为可编程仪器的新领域，并成为电子测量仪器行业目前最热门的领域。现在，已有数百家厂商生产的上千种VXI产品面市。但由于VXI仪器价格昂贵，后来又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。从而形成了仪器行业的两大主流仪器标准PXI和VXI。

2.虚拟仪器的特点

与传统仪器相比，虚拟仪器有以下一些特点。

（1）软件是核心。根据系统设计要求，在选定系统控制用计算机以及一些标准化的仪器硬件模块或板卡后，软件部分就成为构建和使用虚拟仪器的关键所在。其中，仪器驱动软件的功能是实现与仪器硬件的接口和通信，应用软件则完成用户定义的测试和仪器功能，并提供人机交互界面。在进行应用程序开发时，可以利用HP VEE、LabVIEW、LabWindows／CVI等集成开发环境。可以看出，软件在虚拟仪器技术中占有十分重要的作用，NI公司提出的“软件即仪器”（The software is the instrument）就是这一特点的形象概括。

（2）灵活性和可扩展性。虚拟仪器打破了传统仪器由厂家定义功能和控制面板，用户无法更改的模式。仪器用户可根据自己不断变化的需求，自由发挥自己的想象力，方便灵活地重组测量系统，系统的扩展、升级可随时进行，而且系统更新的周期短、见效快，能充分地满足用户在不同场合的应用需求。(www.zuozong.com)

（3）性价比高。虚拟仪器可以将在传统仪器中一些由硬件完成的功能转为软件实现，减少了自动测试系统的硬件环节，降低了系统的开发成本和维护成本；虚拟仪器能够同时对多个参数进行实时高效的测量，信号传输大部分采用数字信号的形式，数据处理也主要依赖软件来实现，大大降低了环境干扰和系统误差的影响；用户可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，实现一机多用。因此，使用虚拟仪器比传统仪器更经济。

（4）良好的人机界面。虚拟仪器的操控界面是采用图形化编程技术实现的一种虚拟面板或称为软面板。虚拟面板可以模拟传统仪器面板的设计风格来设计，也可以由用户根据实际需求定制设计。测量结果可以通过计算机屏幕以曲线、图形、数据或表格等形式显示出来。

（5）与其他设备互联的能力。虚拟仪器通常具备标准化的总线或通信接口，具有与其他设备互联的能力。例如，虚拟仪器能够通过以太网与Internet相连，或者通过现场总线完成对现场设备监控和管理等。这种互连能力使虚拟仪器系统的功能显著增加，应用领域明显扩大。

概括起来，虚拟仪器与传统仪器的性能差别可以用表8-1来描述。

表8-1　虚拟仪器与传统仪器的比较

3.虚拟仪器的发展趋势

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。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，可使在任何地点、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3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。