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虚拟仪器的原理及发展
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摘要 虚拟仪器是一种新型的测试仪器，由于其硬件结构简单，主要依靠软件来实现各种测试功能，使用起来更加方便、功能更加强大，所以应用越来越广泛。详细描述了虚拟仪器的发展过程、结构原理、性能特点，并阐述了虚拟仪器在各领域中的广泛应用。
0、引言
电子测试仪器是电子行业的基础，它在电子行业中长期占据着十分重要的地位，它是一个时代的电子行业发展水平的标志，并随着科学技术的发展而不断地更新变化着。传统的测试仪器由于功能固定，研制生产周期长等缺点，越来越不能满足信息时代的要求。这就给一种新型的测量仪器——虚拟仪器提供了极大的发展空间，由于其硬件结构简单，以软件为主实现各种功能，且随计算机的发展不断提高其性能，具有很强的适应性，所以越来越引起世人的高度关注。本文就虚拟仪器的产生、发展过程、结构原理、性能特点及应用等方面进行详细的介绍，使读者对虚拟仪器有更深入地了解。
1、虚拟仪器的发展
主要利用PC技术，只是添加A/D及D/A变换等少许硬件和以软件为主的仪器称为虚拟仪器。虚拟仪器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面来操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据储存等。它是在PC技术的基础上发展起来的，能在数据导入磁盘的同时，实时地进行复杂的分析。具有高效的性能、强大的扩展功能、节约开发时间，以及完美的集成性能等技术优势。
早在八十年代初，就有人以个人计算机为基础，在微机内部增加一些插件或外附插件箱，将各种测量电路插件接于PC内部总线，加上某些软件来实现传统仪器的功能，这种仪器称为PC仪器或个人仪器。因为计算机系统的硬软件资源可代替一般自动测试系统和智能仪表中的微处理器、存储器、接口电路和显示器，因而减少了仪器的许多硬件，降低了仪器成本，而且无需对每一种新仪表都从头开始设计，所以该方案一经提出就在仪表界引起极大的轰动。
随着VXI（开放式测量系统）总线系统问世以及PC机的结构的变化，不断推动了虚拟仪表发展。VXI总线标准是一种全开放型卡式仪表标准，具有灵活适用、性能先进、高速运行、小型便携的特点，适用于模块化设计仪表。PC机微处理器CPU速度不断提高、采用流水线、RISC结构，大大地提高了测试系统的数值处理能力。近年来，由于计算机软硬件技术资源的极大丰富，数字信号处理技术，图形化界面技术和自动生成程序等技术的提高，使虚拟仪器的进一步发展有了雄厚的技术基础。
2、虚拟仪器的结构原理
虚拟仪器是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。虚拟仪器的本质是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件形成既有普通仪器的基本功能又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。它是利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，以代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能。虚拟仪器的输入输出由数据采集卡、GPIB卡等硬件模块完成，仪器的功能主要由软件构成。虚拟仪器系统框图如图1所示。
图1 虚拟仪器系统框图
一套完整的虚拟仪器系统的结构一般来说分为四层：
1）测试管理层
用户使用虚拟仪器生产厂商开发的应用程序，组成自己的一套测试仪器。这是虚拟仪器的优点之一，它可以方便地使用户根据自己的需要，自己的风格建立自己的测试仪器。
2）应用（程序）开发层
由生产商提供的软件开发工具，如NI（NATIONAL INSTRUMENTS）公司的LabVIEW软件，LabWindows/CVI软件。用户可以用这类软件进行深层开发，以扩展仪器原有的功能。
3）仪器驱动层
由生产商开发，针对不同类型的仪器有不同的驱动程序接口。为给用户提供方便、易用的仪器驱动程序，泰克公司、惠普公司和美商国家仪器公司等35家国际上最大的仪器公司成立了VXI plug & play系统联盟，并于推出VISA（Virtu-al Instrument Software Architecture）标准。
4）I/O总线驱动层
由生产商开发，用于将不同类型的实际仪器通过相同标准的总线连接起来形成一套完整的测试系统，如得到广泛应用的VXI（开放式测量系统）总线系统。
3、虚拟仪器的性能特点
虚拟仪器彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式，而是在少量附加硬件的基础上，由用户定义仪器功能。因为它的运行主要依赖软件，所以修改或增加功能、改善性能都非常灵活，也便于利用PC的软硬件资源和直接使用PC的外设和网络功能。虚拟仪器不但造价低，而且通过修改软件可增加它的适应性，进而延长它的生命周期，是一种具有很好发展前景的仪器。与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：
1）智能化程度高，处理能力强
虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
2）应用性强，系统费用低
应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。
3）操作性强，易用灵活
虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线。这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。
4、虚拟仪器的应用
虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大功能和灵活性。可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。
虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用。此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。
作者：邢丽娟 杨世忠 来源：山西电子技术
0、引言
电子测试仪器是电子行业的基础，它在电子行业中长期占据着十分重要的地位，它是一个时代的电子行业发展水平的标志，并随着科学技术的发展而不断地更新变化着。传统的测试仪器由于功能固定，研制生产周期长等缺点，越来越不能满足信息时代的要求。这就给一种新型的测量仪器——虚拟仪器提供了极大的发展空间，由于其硬件结构简单，以软件为主实现各种功能，且随计算机的发展不断提高其性能，具有很强的适应性，所以越来越引起世人的高度关注。本文就虚拟仪器的产生、发展过程、结构原理、性能特点及应用等方面进行详细的介绍，使读者对虚拟仪器有更深入地了解。
1、虚拟仪器的发展
主要利用PC技术，只是添加A/D及D/A变换等少许硬件和以软件为主的仪器称为虚拟仪器。虚拟仪器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面来操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据储存等。它是在PC技术的基础上发展起来的，能在数据导入磁盘的同时，实时地进行复杂的分析。具有高效的性能、强大的扩展功能、节约开发时间，以及完美的集成性能等技术优势。
早在八十年代初，就有人以个人计算机为基础，在微机内部增加一些插件或外附插件箱，将各种测量电路插件接于PC内部总线，加上某些软件来实现传统仪器的功能，这种仪器称为PC仪器或个人仪器。因为计算机系统的硬软件资源可代替一般自动测试系统和智能仪表中的微处理器、存储器、接口电路和显示器，因而减少了仪器的许多硬件，降低了仪器成本，而且无需对每一种新仪表都从头开始设计，所以该方案一经提出就在仪表界引起极大的轰动。
随着VXI（开放式测量系统）总线系统问世以及PC机的结构的变化，不断推动了虚拟仪表发展。VXI总线标准是一种全开放型卡式仪表标准，具有灵活适用、性能先进、高速运行、小型便携的特点，适用于模块化设计仪表。PC机微处理器CPU速度不断提高、采用流水线、RISC结构，大大地提高了测试系统的数值处理能力。近年来，由于计算机软硬件技术资源的极大丰富，数字信号处理技术，图形化界面技术和自动生成程序等技术的提高，使虚拟仪器的进一步发展有了雄厚的技术基础。
2、虚拟仪器的结构原理
虚拟仪器是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。虚拟仪器的本质是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件形成既有普通仪器的基本功能又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。它是利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，以代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能。虚拟仪器的输入输出由数据采集卡、GPIB卡等硬件模块完成，仪器的功能主要由软件构成。虚拟仪器系统框图如图1所示。
一套完整的虚拟仪器系统的结构一般来说分为四层：
1）测试管理层
用户使用虚拟仪器生产厂商开发的应用程序，组成自己的一套测试仪器。这是虚拟仪器的优点之一，它可以方便地使用户根据自己的需要，自己的风格建立自己的测试仪器。
2）应用（程序）开发层
由生产商提供的软件开发工具，如NI（NATIONAL INSTRUMENTS）公司的LabVIEW软件，LabWindows/CVI软件。用户可以用这类软件进行深层开发，以扩展仪器原有的功能。
3）仪器驱动层
由生产商开发，针对不同类型的仪器有不同的驱动程序接口。为给用户提供方便、易用的仪器驱动程序，泰克公司、惠普公司和美商国家仪器公司等35家国际上最大的仪器公司成立了VXI plug & play系统联盟，并于推出VISA（Virtu-al Instrument Software Architecture）标准。
4）I/O总线驱动层
由生产商开发，用于将不同类型的实际仪器通过相同标准的总线连接起来形成一套完整的测试系统，如得到广泛应用的VXI（开放式测量系统）总线系统。
3、虚拟仪器的性能特点
虚拟仪器彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式，而是在少量附加硬件的基础上，由用户定义仪器功能。因为它的运行主要依赖软件，所以修改或增加功能、改善性能都非常灵活，也便于利用PC的软硬件资源和直接使用PC的外设和网络功能。虚拟仪器不但造价低，而且通过修改软件可增加它的适应性，进而延长它的生命周期，是一种具有很好发展前景的仪器。与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：
1）智能化程度高，处理能力强
虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
2）应用性强，系统费用低
应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。
3）操作性强，易用灵活
虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线。这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。
4、虚拟仪器的应用
虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大功能和灵活性。可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。
虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用。此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。
作者：邢丽娟 杨世忠 来源：山西电子技术
