虚拟仪器深度剖析

虚拟仪器简介

　　虚拟仪器的出现是测量仪器发展史上的一场革命。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展和在测量与仪器上的应用以及测试的新理论、新方法、新领域的发展导致了一种新型仪器——虚拟仪器（Virtual Instrument）——的诞生。它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能；用计算机屏幕可以形象、方便地模拟各种仪器的调控面板，以各种需要的形式表达输出检测结果；用计算机软件实现大部分信号的分析和处理，完成各种调控和测试功能。“软件即是仪器”，在虚拟仪器系统中，软件发挥着核心作用，已有这样的一类虚拟仪器及其系统，在其中，硬件仅是为了解决信号的输入输出，而核心功能以软件来完成，基于虚拟仪器，用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，通过软件修改的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模。与传统仪器相比，虚拟仪器的优点如表1所示。

表1 虚拟仪器相比传统仪器的优点

　　但是虚拟仪器也并非十全十美，在与其他设备连接时容易受到客观环境和条件的限制，另外由于需要进行大量的软件计算，可能造成较大的时延，此种情况下需要用传统的硬件仪器来代替。

　　虚拟仪器可以用于国防、航空航天、核物理、石油化工等领域，目前开发环境主要有两类：一类是文本语言，如C、C++、LabWindows /CVI等等；另一类是图形语言，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等等。由于图形语言开发的方便性，受到了广大工程师的欢迎，一个在计算机语言方面没有很多训练的工程师，也可以在较短时间内掌握虚拟仪器开发的技术，并能应用到工程实践当中。

　　虚拟仪器（Virtual Instruments简称VI）技术发展非常迅速，所有测量测试仪器的主要功能可由①数据采集②数据测试和分析③结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机组成的测量测试仪器。基于计算机的数字化测量测试仪器就称之为虚拟仪器（VI）。注意：这里所指的虚拟仪器和EDA仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同，它可以完全替代传统台式测量测试仪器。而EDA仿真软件中的虚拟仪器是纯软件的、仿真的。

　　虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。

仪器的分类:

　　虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：

　　第一类：PC总线——插卡型虚拟仪器

　　这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合（注：美国NI公司的Labview是图形化编程工具，它可以通过各种控件自已组建各种仪器。Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言Visual C++,

　　Visual Basic,Labviews/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。

　　第二类：并行口式虚拟仪器

　　最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。

　　第三类：GBIB总线方式的虚拟仪器

　　GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。

　　第四类：VXI总线方式虚拟仪器

　　VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

　　第五类：PXI总线方式虚拟仪器

　　PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3~4个扩展槽，通过使用PCI—PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。

　　虚拟仪器的发展过程有两条线：一、GPIB→VSI→PXI总线方式（适合大型高精度集成系统）

　　GPIB 于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。

　　二、PC插卡→并口式→串口USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）

　　PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。

　　综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。①计算机是载体,②软件是核心③高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。

虚似仪器和传统仪器的比较 

虚拟仪器	传统仪器
开发和维护费用低	开发和维护费用高
技术是更新周期短（0.5~1年）	技术更新周期长（5~10年）
软件是关键	硬件是关键
价格低	价格昂贵
开放灵活与计算机同步，可重复用和重配置	固定
可用网络联络周边各仪器	只可连有限的设备
自动、智能化、远距离传输	功能单一，操作不便

 

　　无论哪种VI系统，都是将硬件仪器（调理放大器、A/D卡）搭载到笔记本电脑、台式PC 或工作站等各种计算机平台上，加上应用软件而构成的，实现了用计算机的全数字化的采集测试分析。因此VI发展完全跟计算机的发展步伐同步。所以显示出VI的灵活性和强大的生命力。虚拟仪器的崛起是测试仪器技术的一次“革命”，是仪器领域的一个新的里程碑。未来的VI完全可以覆盖计算机辅助测试（CAT）的全部领域。几乎能替代所的模拟测试设备。它的重要意义和在于尚是一块处女地，有待我们去开拓，它有许多求知部分有待大家去填补。虚拟仪目的前景十分光明。基于计算机的全数字测量分析是采集测试分析的未来。

　　但是这里值得指出的是“VIRTUAL”一词可以翻译成①“虚拟的”②“虚像的”③“实质上的”④“有效的”等几种意思。当前我们研制的虚拟仪器应该着重于功能上“实质的”“有效的”仪器，不要片面地追求“虚像的”，单纯地追求外形上的相似而花大力气去模似老式仪器外形。这是一个误区。我们应该在这里大力提倡追求仪器的功能和测试的精度及可靠性，达到一种真正高级仪器的测试效果，而不要误入歧途，去追求外形上的相似，浪费大量的人力物力。

　　虚似仪器的发展是信息技术的一个主要领域。对科学技术的发展和国防、工业、农业的生产不可估量的影响。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。