1.2 虛擬儀器的組成與構成方式

1.2.1 虛擬儀器的基本結構

虛擬儀器的基本結構由計算機硬件、儀器硬件和虛擬儀器軟件三部分構成，如圖1-1所示。

圖1-1 虛擬儀器系統的組成框圖

1.計算機硬件

計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如普通臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。計算機管理著虛擬儀器的硬件、軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。

2.儀器硬件

儀器硬件根據不同的標準接口總線轉換輸入或輸出信號，供其他系統使用。

儀器硬件部分可由數據采集卡、GPIB接口、串并行接口、VIX接口、LAN接口、現場總線接口等構成，它們的主要功能是完成對被測信號的采集、傳輸和顯示測量結果。

3.虛擬儀器軟件

虛擬儀器的軟件是核心、關鍵部分，用于實現對儀器硬件通信和控制，對信號進行分析處理，對結果表達和輸出。

虛擬儀器實質上是“軟硬結合”“虛實結合”的產物，它充分利用最新的計算機技術來實現和擴展傳統儀器的功能。它強調軟件的作用，提出“軟件就是儀器”的概念。

在虛擬儀器系統中，硬件僅僅解決信號的輸入、輸出和軟件賴以生存、運行的物理環境，軟件才是整個儀器系統的關鍵。用戶可根據自己的需要通過編制不同的測試軟件來構成各種功能的測試系統，其中許多硬件功能可直接由軟件實現，系統具有極強的通用性和多功能性。任何使用者只要通過調整或修改儀器的軟件，便可方便地改變和增減儀器的功能和規模，甚至儀器的性質。

虛擬儀器軟件的開發又有著自身的特殊性，這種特殊性主要體現在虛擬儀器軟件在某種程度上是傳統硬件的“仿真”，其設計目的之一就是用軟件來實現硬件的功能。

1.2.2 虛擬儀器的構成方式

虛擬儀器的硬件平臺由計算機和其I/O接口設備兩部分組成。I/O接口設備主要執行信號的輸入、數據采集、放大、模/數轉換等任務。

根據I/O接口設備總線類型的不同，虛擬儀器的構成方式主要有：基于PC的插卡式（PC-DAQ）、GPIB總線、VXI總線、PXI總線、串行接口總線、現場總線六種標準硬件體系結構，如圖1-2所示。

1.基于PC的插卡式（PC-DAQ）虛擬儀器

通過在PC機內直接插入一塊內插式多功能數據采集卡，將前端儀器（如傳感器等）送來的模擬信號經A-D轉換送到計算機，直接經過PCI總線，由CPU進行分析、處理，再通過顯示器顯示，外接打印機打印等。它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統的靈活性和擴展性。

圖1-2 虛擬儀器的構成方式

這種方式受PC機箱、總線限制，存在電源功率不足、機箱內噪聲電平較高、無屏蔽、插槽數目不多、尺寸較小等缺點。但因個人計算機數量非常龐大，插卡式儀器價格便宜，因此其用途廣泛，特別適合于工業測控現場、各種實驗室和教學部門使用。

2.基于GPIB總線的虛擬儀器

GPIB（IEEE488標準）是計算機和儀器間的標準通信協議，也是最早的儀器總線。一個典型的GPIB測試系統由1臺PC、1塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器通過GPIB電纜連接而成。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。GPIB接口板插入計算機的插槽中，建立起計算機與具有GPIB接口的儀器設備之間的通信橋梁。

利用GPIB技術，可以用計算機實現對儀器的操作和控制，替代傳統的人工操作方式，可以方便地將多臺儀器組合起來，形成較大的自動測試系統。系統中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機的控制軟件作相應改動，就可高效、靈活地完成各種不同規模的測試任務。

GPIB測試系統的結構和命令簡單，造價較低，主要用于臺式儀器，適用于精確度要求高，但對計算機速率和總線控制實時性要求不高的傳輸場合。

3.基于VXI總線的虛擬儀器

VXI總線是一種高速計算機總線在儀器領域的擴展。VXI系統由VXI標準機箱、零槽控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅動軟件、系統應用軟件等組成。

VXI總線標準具有標準開放、即插即用、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時與同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器生產廠商支持等優點，應用越來越廣。VXI規范使得用戶在組建VXI系統時可不必局限于一家廠商的產品，允許根據自己的要求自由選購各儀器廠商的儀器模塊，從而使系統達到最優。

尤其在組建大中規模自動測量控制系統，以及對速度、精度要求非常高的場合，有其他儀器無法比擬的優點。另外，VXI總線的組建方案功能最為強大、組建的系統最為穩定，但VXI總線實現強大功能的同時，價格也十分昂貴。

4.基于PXI總線的虛擬儀器

PXI是一種新型模塊化儀器系統，是在PCI總線內核技術上增加了成熟的技術規范和要求形成的，包括多板同步觸發總線技術，增加了用于相鄰模塊的高速通信的局部總線，并具有高度的可擴展性等優點，適用于大型高精度集成系統。

5.基于串口總線的虛擬儀器

通過串行口可實現儀器與計算機、儀器與儀器之間的相互通信，從而組成由多臺儀器構成的自動測試系統。RS-232總線是早期采用的PC機通用串行總線，適合于單臺儀器與計算機的連接，但控制性能較差。當今PC已更多采用USB總線，基于USB總線的虛擬儀器開發已經受到重視。但是，USB總線目前只用于較簡單的測試系統。在用虛擬儀器組建自動測試系統時，目前最有發展前景的是采用IEEE1394高速串行總線。

6.基于現場總線的虛擬儀器

現場總線是一種全數字化、串行、雙向、多站的通信網絡，現場總線系統以現場總線（FieldBus）為紐帶，把多個分散的智能儀表、控制設備（包括智能傳感器）連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網絡與控制系統。用于現場總線系統的智能傳感器、變送器、儀表等統稱為現場總線儀表。各種現場總線儀表采用標準化的、開放式通信協議，這樣不同廠商的產品可以方便地掛接在現場總線上，使系統具有可操作性。

1.2.3 構建虛擬儀器的步驟

在實驗室里有各種各樣的儀器與設備。如何提高它們的綜合使用效率？如何對它們進行更有效的管理？最有效的方法是采用“虛擬儀器”技術，即充分利用計算機強大的管理與處理能力，以此為基礎，將實驗室相關設備搭配起來，構成一種全新的實驗環境。實驗室中的儀器與設備一般都是具有特定功能的單臺設備，如果它們具有某種總線接口，就有可能進行虛擬儀器的構造。

構建虛擬儀器系統的步驟如下：

1.確定所用儀器或設備的接口形式

如果儀器設備具有RS-232串行總線接口，則不用進行處理，直接用連線將儀器設備與計算機的RS-232串行接口連接即可。

如果是GPIB或HP-IB接口，則需要額外配備一塊GPIB接口板卡，將接口板卡插入計算機的ISA插槽，建立起計算機與儀器設備之間的通信渠道。

2.確定所選擇的接口卡是否具有設備驅動程序

接口卡的設備驅動程序是控制各種硬件接口的驅動程序，是連接主控計算機與儀器設備的紐帶。如果有設備驅動程序，看它適合于何種操作系統；如果沒有，或者所帶的設備驅動程序不符合用戶所用的操作系統，用戶就有必要針對所用接口卡，編寫設備驅動程序。

3.確定應用程序的編程語言

如果用戶有專業的圖形化編程軟件，如LabVIEW、LabWindows、CVI等，那么就可以采用專業的圖形化編程軟件進行編程了。若沒有此類軟件，則可以采用通用編程語言，如Microsoft公司的Visual Basic。

4.編寫用戶的應用程序

在硬件連接無誤的情況下，編寫用戶的應用程序?？筛鶕x器的功能，確定應用程序所采用的算法、處理分析方法和顯示方式。

同其他應用程序一樣，虛擬儀器軟件的設計也要經歷需求分析、總體設計、模塊設計、代碼編寫、總體測試等過程。

5.調試運行應用程序

用數據或仿真的方法，驗證儀器功能的正確性，調試并運行儀器。