虚拟仪器

　　虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。虚拟仪器技术就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。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。

　　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（NATIONALINSTRUMENTS）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VXIplug&play系统联盟，并于推出VISA（Virtu-alInstrumentSoftwareArchitecture）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。

　　 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。

　　硬件技术

　　卡式仪器：传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成；而卡式

　　仪器自身不带仪器面板，它必须借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。以数据采集卡为例，它通常具有A/D转换、D/A转换、数字I/O和计数器/定时器等功能，有些还具有数字滤波和数字信号处理的功能。现在的多功能数据采集卡多采用了“虚拟硬件(VirtualHardware，简称VH)的技术，它的思想源于可编程器件，使用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。目前市面上的VH，其采样率和精度都是可变的。由于卡式仪器与计算机结合紧密，能够充分利用已有的计算机资源，较之传统仪器成本更低廉、使用更灵活、性能更强，因此它是一种极具潜力的仪器种类。

　　总线技术

　　1、仪器总线

　　GPIB总线(即IEEE488总线)是一种数字式并行总线，主要用于连接测试仪器和计算机。该总线最多可以连接15个设备(包括作为主控器的主机)。如果采用高速HS488交互握手协议，传输速率可高到8MBps。

　　VXI总线(即IEEE1155总线)是一种高速计算机总线—VME总线在仪器领域的扩展。它是在1987年，由五家测试和仪器公司(Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments)制订的仪器总线标准。VXI总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强，最高可达40MBps，定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的特点，因此得到了广泛的应用。不过，由于价格较高，推广应用受到一定限制，主要集中在航空、航天等国防军工领域。

　　PXI总线是以CompactPCI为基础的，由具有开放性的PCI总线扩展而来(NI公司于1997年提出)。PXI总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点。PXI构造类似于VXI结构，但它的设备成本更低、运行速度更快，体积更紧凑。目前基于PCI总线的软硬件均可应用于PXI系统中，从而使PXI系统具有良好的兼容性。PXI还有高度的可扩展性，它有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3～4个扩展槽。PXI系统通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽。PXI总线的传输速率已经达到132Mbps(最高为500Mbps)，是目前已经发布的最高传输速率。因此，基于PXI总线的仪器硬件将会得到越来越广泛的应用。

　　2、计算机总线

　　ISA总线是一种8位或16位非同步数据总线，工作频率为8MHz，

　　最高数据传输率在8位时为24MBps，16位时为48MBps。这种总线对于低速数据采样与处理来说是有效的，但对于基于高性能PC机的多任务操作系统和高速数据采集系统来说，ISA总线由于其带宽、位数等的限制，故不能满足系统工作的要求。新型主板和高版本操作系统已不再支持ISA总线。

　　PCI总线是一种同步的独立于CPU的32位或64位局部总线，时钟频率为33MHz，数据传输率高达132～264MBps，PCI总线技术的无限读写突发方式，可在一瞬间发送大量数据。PCI总线上的外围设备可与CPU并发工作，从而提高了整体性能。PCI总线还有自动配置功能，从而使所有与PCI兼容的设备实现真正的“即插即用”(plug&play)。PCI总线由于上述优点而得到了广泛应用，已成为PC工业的事实标准。

　　USB通用串行总线(Universalserialbus)和IEEE1394总线(又叫Fireware总线)是被PC机广泛采用的两种总线，它们已被集成到计算机主板上。

　　USB总线能以雏菊链方式连接127个装置，需要一对信号线及电源线。USB2.0标准的数据传输率能达到480Mbps。该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特点，现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。IEEE、1394总线是由苹果公司于1989年设计的高性能串口总线，目前传输速率为100、200、400Mbps，将来可达3.2Gbps。这种总线需要两对信号线和一对电源线，可以用任意方式连接63个装置，它是专为需要大数据量串行传送的数码相机、硬盘等设计的。

　　USB及IEEE-1394总线均具有“即插即用”的能力，与并行总线相比，更适合于连接多外设的需要。

　　3、工业现场总线

　　为了共享测试系统资源，越来越多的用户正在转向网络。工业现场总线是一个网络通讯标准，它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行通讯。现在，有很多现场总线标准，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它们竞争非常激烈。通用现场总线的发展需要一段时间。

　　软件技术

　　软件是虚拟仪器的关键，主要包括虚拟仪器应用软件的开发平台、仪器驱动程序以及I/O接口软件。虚拟仪器的开发环境主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。VC、VB、LabWindows/CVI虽然是可视化的开发工具，但它们对开发人员的编程能力要求很高，而且开发周期较长。HPVEE是一个基于图形的虚拟仪器编程环境，拥有较多的用户，缺点是其生成的应用程序是解释执行的，运行速度较慢。

　　 系统组建方案

　　虚拟仪器的突出成就是不仅可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。虚拟仪器系统按硬件构

　　成方式，可有以下几种组建方案：

　　1、GPIB仪器通过GPIB接口卡与计算机组成GPIB系统。

　　2、VXI仪器与计算机组成VXI系统。

　　3、PXI仪器组成PXI系统。

　　4、以DAQ和信号调理部分为硬件组成PC-DAQ测试系统。

　　5、并行总线仪器组成并行总线系统。

　　6、串行总线仪器组成串行总线系统。

　　7、现场总线设备组成现场总线系统。

　　一般来说，GPIB、VXI、PXI适合大型高精度集成测试系统；PC-DAQ、并行口式、串行口式(如USB式)系统适合普及型的廉价系统；现场总线系统主要用于大规模的网络测试。有时，可以根据不同需要组建不同规模的自动测试系统，也可以将上述几种方案结合起来组成混合测试系统。

　　应用

　　利用虚拟仪器技术，用户可定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，易于构

　　建，所以应用面极为广泛。尤其在科研开发、检测计量、测量测控等领域更是不可多得的好工具。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据。

　　在工业控制领域,大部分闭环控制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计。在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力使其在温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。

　　当今社会信息技术的迅猛发展,无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。进一步讲，一切计量系统,只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替。虚拟仪器强大的功能和价格优势,使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。