虛擬儀器概述

傳統的實臉儀器主要由3個功能塊組成:信號的采集與控制單元、信號的分析與處理單元、結果的表達與物出單元。由于這些功能塊基本上是以硬件或固化的軟件形式存在。產品出廠時己經設定。因此傳統儀器設計復雜、靈活性差.沒有搜脫獨立使用、手動操作的模式，功能僅限于簡單地模仿人工操作的步驟，進行較為復雜和洲試參敖較多的實較時，使用互聯網起來很不方便。隨著計算機技術、大艦棋集成電路技術和通信技術的飛速發展，儀器技術領城發生了巨大的變化。關商國家儀公司(National Instruments)于20世紀80年代中期率先提出從于計算機技術的虛擬儀器的概念，把虛擬側試技術帶入新的發展時期.隨后研制和推出了琴于多種總線系統的虛擬儀器VI (Virtual Instrumentation)。

1.1.1虛擬儀腸概念
虛擬儀器vi是計算機技術介入儀器鎖城所形成的一種新型的僅器種類.是在以通用計算機為核心的硬件平臺上.由用戶自己設計定義，從有虛擬的操作面板，側試功能由測試軟件來實現的一種計算機儀器系統。在虛擬儀器中，計算機處于核心地位，計算機系統和儀器系統有機地結合成一個整體，從而使儀器的結構概念和設計觀點等都發生了突變。

從構成上看.虛擬儀器就是利用計算機設備和相應的硬件與專用軟件，形成既有普通儀器的4本功能.又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新49.儀器。

從應用角度來看，慮擬儀券利用計算機強大的圖形環境。建立界面友好的虛擬儀器面板(即前面板)，操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程is言控制儀器運行，完成信號采集、分析、判斷、顯示、存儲及數據生成。圖卜1所示為一欲用LabVIEW設計的虛擬直流數字電壓表的前面板。

1.1.2虛擬儀器的發展、特征和優勢
隨著徽電子技術、計算機技術和網絡技術的迅諫發展及其存嗽下電子測甘枯犬的應用。翻量儀器不斷進步.依次山現了數字化儀器、智能儀器和慮擬儀器。同時也由單臺儀器逐步發展到盛加式儀器系統、虛擬儀器系統等。

虛擬儀器技術的開發和應用派于1986年臾國NI公司設計的Lab VIEW。這是一種葵于圖形的開發、調試和程序的集成開發環境.實現了虛擬儀舒的概念。NI又提出了“軟件就是儀器”(The software is the instrument)的概念，充分體現出軟件在虛擬儀答中的作用是極其艱耍的。它的出現.使用戶可以自己定義儀器.靈活地設計儀器系統.滿足多樣化的實際需要。隨著虛擬儀器軟件開發平臺及硬件的發展.基于虛擬儀器的洲試系統開發周期縮短，費用降低，測試速度、準確度及可復用性提高.且更便于維護和擴展。

1997年，NI公司又推出了一種新的儀器總線標準—PXI總線標準。PXI總線方式是在PCI總踐內核技術上增加了成熟的技術規范和要求而形成的，增加了多板同步觸發總線的參考時鐘，適合于精確定時的星形觸發總線，以便用于相鄰模塊的高速通信的局部總線。

1998年一批生產PC機數據采集產品的廠家宜布成立“開放式數據采集協會(OpenData Acquisition Association. ODAA).并且公布了“開放式數據采集標準”(Open DataAcquisition Standard. ODAS)。該標準的最終目標是使各個不同廠家生產的PC機數據采集軟件、硬件具有廣泛的互換性。與WAS相關的其中一個標準是可互換的虛擬儀器設備(Interchangeable Virtual Instruments. M).這是在VXI plug& play技術上發展起來的一項新技術.可以在不改動軟件的悄況下更換洲試系統中的儀器.也就是說，IVI示波器驅動程序通用子所有的IVI兼容示波器.而無需考慮生產廠商或測試平臺。

VXI儀器新近又出現了模塊中再分模塊的構建方案.即在原有的一個模塊插梢上，安裝若干個小型化模塊，從而更有效地利用校塊空間，井進一步提高了儀器組建的靈活性。近兩年，構成虛擬儀器系統的軟、硬件技術又有新的發展，尤其是傳感器技術、采集仁技術、軟件平臺技術發展迅速。例如:IEEE 1344-VXI外置控制器接口具有高數據傳抽速率(級高為400 Mbits ),成本低的優勢:GPIB一通用申行總線(USB)控制器也為儀器控制提供增強性能。

總之，虛擬儀器是一種功能愈義上的儀器，是傳統儀器觀念的一次巨大變革.將代表儀器未來發展的一個重要方向。
在虛擬儀器系統中.硬件僅僅是為了解決信號的翰入輸出問題.軟件才是整個系統的關鍵。用戶可以通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統的功能與規模，所以有“軟件就是儀器”之說。虛擬儀器技術的出現，徹底打破了傳統儀器僅由廠家定義，用戶無法改變的模式，虛擬儀器技術給用戶一個充分發揮自己的才能、想象力的空間。用戶(而不是廠家)可以根據自己的需求，設計自己的儀器系統，以滿足多種多樣的應用需求。

與傳統儀器相比，虛擬儀器幾有以下特征和優勢。
(1)打破了傳統儀器的“萬能”功能概念，將信號的分析、顯示、存儲、打印和其他管理集中交由計算機來處理。由于充分利用計算機技術，完獸了數據的傳愉、交換等性能，使得組建系統變得更加靈活、簡單。
(2》強調“軟件就是儀器”的新概念.軟件在儀答中充當了以往由硬件甚至整機實現的角色。由于減少了許多隨時間可能深移、需要定期校準的分立式棋擬硬件，加上標準化總線的使用，使系統的側最精度、側量速度和可重復性都人大提高。網時由于虛擬儀器中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反映裝置.根據人類視覺、聽覺的心理生理特點，由計算機生成通真的三位立體圖像，使人們獲得多種感知效果.從而達到身臨其境的感覺。
(3)儀器由用戶自己定義，系統的功能、規模等均可通過軟件修改、增減，可方便地同外設、網絡及其他應用連接.提高了儀器的交互性。虛擬儀器通過提供給用戶自己創建儀器的可貢復使用翻代碼庫，處理棋塊間通信、定時、觸發等功能，強調在通用計算機平臺的撰礎上，通過軟件和軟面板，把由廠家定義的傳統儀舒轉變為由用戶定義的、由計算機軟件和幾種棋塊組成的專用儀器。虛擬儀器的出現，徹底打破了傳統儀卷由廠家定義、用戶無法改變的摸式，給了用戶一個充分發揮自己能力和想象力的空間。
(4)虛擬儀器的開放性和功能軟件的模塊化.使用戶可以將儀器的設計、使用和管理統一到虛擬儀器標準，提高資渾的重復利用率.使系統組建時間縮短，功能易于擴展.管理規范。使用筒便，軟2硬件生產、維護和開發的費用降低。虛擬儀器既可以作為單臺數字式側試儀器使用，又可以構成較為復雜的側試系統，甚至通過高速計算機網絡構成分布式側試系統，進行遠程監控及故障診斷。此外，用基于軟件體系結構的虛擬儀器系統代鉀纂于硬件體系結構的傳統儀舒，還可以大大節省僅器購買、維護費用。
可見，與傳統儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性能價格比、可操作性等方面都具有明顯的技術優勢。有許多傳統儀器無法比擬的優點，使得虛擬儀器的應用領城非常廣泛。虛擬儀器與傳統儀器的比較如表1-1所示。