1.1 虛擬儀器含義與特點(diǎn)

1.1.1 虛擬儀器的產(chǎn)生

測量儀器發(fā)展至今，大體可分為四個(gè)階段：模擬儀器、數(shù)字儀器、智能儀器和虛擬儀器。

模擬儀器，以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器儀表。其基本結(jié)構(gòu)是電磁機(jī)械式的，借助指針來顯示最終結(jié)果，如指針式萬用表、晶體管電壓表等。

數(shù)字儀器，將模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號測量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測量，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等。

智能儀器，內(nèi)置微處理器，既能進(jìn)行自動(dòng)測試又具有一定的數(shù)據(jù)處理功能。智能儀器的功能模塊以硬件和固化的軟件形式存在，對用戶而言，無論在開發(fā)還是應(yīng)用上，都缺乏靈活性。

虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是由美國國家儀器公司（National Instruments，NI）提出的，其基本思想是：用計(jì)算機(jī)資源取代傳統(tǒng)儀器中的輸入、處理和輸出等部分，實(shí)現(xiàn)儀器硬件核心部分的模塊化和最小化；用計(jì)算機(jī)軟件和儀器軟面板實(shí)現(xiàn)儀器的測量和控制功能。

虛擬儀器的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：

第一階段是利用計(jì)算機(jī)來增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能。通用接口總線GPIB標(biāo)準(zhǔn)的確立，使計(jì)算機(jī)與外部儀器通信成為可能，因此把傳統(tǒng)的儀器通過串行接口和計(jì)算機(jī)連接起來后就可以用計(jì)算機(jī)控制儀器了。

第二階段主要在功能硬件上實(shí)現(xiàn)了兩大技術(shù)進(jìn)步。其一是插入計(jì)算機(jī)總線槽上的數(shù)據(jù)采集卡的出現(xiàn)，其二是VXI儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立，這些新技術(shù)的應(yīng)用奠定了虛擬儀器硬件的基礎(chǔ)。

第三階段形成了虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)的基本框架。主要是由于采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)構(gòu)筑了幾種虛擬儀器的軟件平臺，并逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)工具。

虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是將來儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1.1.2 虛擬儀器的概念

所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上，其功能由用戶設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。

虛擬儀器是一種概念儀器，迄今為止，業(yè)界對它還沒有一個(gè)明確的國際標(biāo)準(zhǔn)和定義。虛擬儀器實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測試儀器系統(tǒng)。業(yè)界一般認(rèn)為，所謂虛擬測量儀器，就是采用計(jì)算機(jī)開放體系結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單機(jī)測量儀器，對各種各樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理、顯示和存儲的測量儀器。

虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果；利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理；利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)試，從而完成各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。使用者利用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺專用測量儀器一樣。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，使測量儀器與計(jì)算機(jī)的界限模糊了。

虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包含以下兩方面的含義：

（1）虛擬儀器的面板是虛擬的

虛擬儀器面板上的各種“圖標(biāo)”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的。由各種開關(guān)、按鈕、顯示器等圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)儀器電源的“通”“斷”；被測信號的“輸入通道”“放大倍數(shù)”等參數(shù)的設(shè)置，及測量結(jié)果的“數(shù)值顯示”“波形顯示”等。

傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實(shí)物”，而且是由“手動(dòng)”和“觸摸”進(jìn)行操作的；虛擬儀器前面板是外形與實(shí)物相像的“圖標(biāo)”，每個(gè)圖標(biāo)的“通”“斷”“放大”等動(dòng)作通過用戶操作計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或鍵盤來完成。因此，設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板就是在前面板設(shè)計(jì)窗口中擺放所需的圖標(biāo)，然后對圖標(biāo)的屬性進(jìn)行設(shè)置。

（2）虛擬儀器測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實(shí)現(xiàn)的

虛擬儀器是在以PC為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)儀器的測量功能的。因?yàn)榭梢酝ㄟ^不同測試功能軟件模塊的組合來實(shí)現(xiàn)多種測試功能，所以在硬件平臺確定后，就有“軟件就是儀器”的說法。這也體現(xiàn)了測試技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合。

虛擬儀器概念是為了適應(yīng)PC卡式儀器而提出的。眾所周知，傳統(tǒng)儀器主要包括三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、數(shù)據(jù)顯示。而PC卡式儀器由于自身不帶儀器面板，有的甚至不帶微處理器，因此必須借助于PC作為其數(shù)據(jù)分析與顯示的工具，利用PC機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境建立圖形化的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示。這種包含實(shí)際儀器使用、操作信息的軟件與PC結(jié)合構(gòu)成的儀器，就稱之為虛擬儀器。或者說，虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的PC儀器，它由PC、一系列功能化硬件模塊和控制軟件組成。

要注意到“Virtual”一詞通常被譯成“虛擬”，在測控儀器領(lǐng)域，“Virtual”不僅僅指用計(jì)算機(jī)去虛擬各種傳統(tǒng)儀器的面板，“Virtual”還有“實(shí)質(zhì)上的”“實(shí)際上的”“有效的”和“似真的”的含義，完全不同于虛擬現(xiàn)實(shí)中的虛擬人、虛擬太空、虛擬海底、虛擬建筑等非“實(shí)際”的概念，測控儀器強(qiáng)調(diào)的是“實(shí)”而不是“虛”。因此，在研究與發(fā)展虛擬儀器技術(shù)時(shí)，要注重利用計(jì)算機(jī)的軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)測控儀器的特點(diǎn)和功能，而不能僅強(qiáng)調(diào)虛擬的、只是視覺上的內(nèi)容，要強(qiáng)調(diào)面向測控領(lǐng)域快速有效地解決實(shí)際問題。

1.1.3 虛擬儀器的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的測量儀器基本上是以硬件形式或固化的軟件形式存在，測量儀器只能由制造商來定義與設(shè)計(jì)，因而其靈活性和適應(yīng)性較差。

在實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)車間和戶外現(xiàn)場，為完成某項(xiàng)測試和維修任務(wù)，通常需要許多儀器，如信號源、示波器、頻譜分析儀等。由于眾多的儀器構(gòu)成的測試系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，體積龐大，連接和操作復(fù)雜，測試效率低，虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生。

與傳統(tǒng)測量儀器相比，虛擬儀器的設(shè)計(jì)理念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能定位方面都發(fā)生了根本性的變化。概括地說，虛擬儀器主要有以下特點(diǎn)：

1）軟件是虛擬儀器的核心。虛擬儀器的硬件確立后，它的功能主要是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，軟件在虛擬儀器中具有重要的地位。借助于一臺通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（或板卡），用戶可以通過軟件構(gòu)造任意功能的儀器，軟件變成了構(gòu)建儀器的核心，因此美國國家儀器公司（NI）曾提出一個(gè)著名的口號“軟件就是儀器”。

2）虛擬儀器的性價(jià)比高。一方面，虛擬儀器能同時(shí)對多個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的測量，同時(shí)，由于信號的傳送和數(shù)據(jù)的處理幾乎都是靠數(shù)字信號或軟件來實(shí)現(xiàn)的，所以大大降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響。另一方面，用戶也可以隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整虛擬儀器的功能，這縮短了儀器在改變測量對象時(shí)的更新周期。此外，采用虛擬儀器還可以減少測試系統(tǒng)的硬件環(huán)節(jié)，從而降低系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護(hù)成本，因此，使用虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器更經(jīng)濟(jì)。

3）虛擬儀器的出現(xiàn)縮小了儀器廠商與用戶之間的距離。虛擬儀器使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣，受到儀器廠商的限制，出現(xiàn)廠商提供的儀器功能與用戶要求不相符合的情況。利用虛擬儀器，用戶可以組建更好的測試系統(tǒng)，并且更容易增強(qiáng)系統(tǒng)的功能。

4）擴(kuò)展性強(qiáng)。NI公司的軟、硬件工具使得工程師和科學(xué)家不再局限于當(dāng)前的技術(shù)。得益于NI軟件的靈活性，只需更新用戶的計(jì)算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無須軟件上的升級即可改進(jìn)用戶的整個(gè)系統(tǒng)。

5）虛擬儀器具有良好的人機(jī)界面。在虛擬儀器中，測量結(jié)果是通過軟件在計(jì)算機(jī)顯示器上生成的，與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面由軟面板來實(shí)現(xiàn)。因此，用戶可根據(jù)自己的愛好，通過編制軟件來定義他所喜愛的面板形式。

6）通過軟、硬件的升級，可以方便地提升測試系統(tǒng)的能力和水平。更可貴的是，用戶可以運(yùn)用通用的計(jì)算機(jī)語言和軟件，諸如C++、Visual Basic、LabVIEW、LabWindows/CVI等，擴(kuò)充、編寫軟件，從而使虛擬儀器技術(shù)更適應(yīng)、更符合用戶自己測試工作的特殊需求。

7）虛擬儀器具有和其他設(shè)備互聯(lián)的能力。如和VXI總線或現(xiàn)場總線等的接口能力。此外，還可以將虛擬儀器接入網(wǎng)絡(luò)，如Internet等，以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)的監(jiān)控和管理。

8）虛擬儀器的軟、硬件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶可以根據(jù)自己的需要靈活組合，大大提高了使用效率，減少了投資。

表1-1列出了傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的主要區(qū)別。

表1-1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較

1.1.4 虛擬儀器的應(yīng)用

虛擬儀器由于其功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測量、計(jì)量等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱為“軟件儀器”。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器的全部功能。虛擬儀器系統(tǒng)已成為儀器領(lǐng)域的一個(gè)基本方案，是技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果。它的應(yīng)用已經(jīng)遍及各行各業(yè)的測量活動(dòng)。

在自動(dòng)控制和工業(yè)控制領(lǐng)域，虛擬儀器同樣應(yīng)用廣泛。絕大部分閉環(huán)控制系統(tǒng)要求精確地采樣，及時(shí)地?cái)?shù)據(jù)處理和快速地?cái)?shù)據(jù)傳輸。虛擬儀器系統(tǒng)恰恰符合上述特點(diǎn)，十分適合測控一體化的設(shè)計(jì)。尤其在制造業(yè)，虛擬儀器的卓越計(jì)算能力和巨大數(shù)據(jù)吞吐能力必將使其在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、電力儀表系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)等工控領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，是信息技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響。

虛擬儀器可廣泛應(yīng)用于電子測量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機(jī)械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。