【文章內(nèi)容簡介】 模擬儀器、數(shù)字儀器、智能儀器等階段，從 20世紀 70年代開始進入到虛擬時代。 通常，在完成某個測試任務(wù)時需要很多儀器，如示波器、電壓表、頻率分析儀、信號發(fā)生器等，對復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)還需要邏輯分析儀、 IC測試儀等。這么多的儀器不 僅價格昂貴、體積大、占用空間，相互連接起來很費事、費時，而且經(jīng)常由于儀器之間的鏈接、信號帶寬等方面的問題給測量帶來很多麻煩，使得原本并不復(fù)雜的測量變得異常困難。 要提高電子測量儀器的測量準確度和效率，就要求儀器本身具有自動調(diào)節(jié)、校準、量程轉(zhuǎn)換、計算、尋找故障等功能，能自動存儲有關(guān)數(shù)據(jù)并在需要時自動調(diào)出等，這些要求傳統(tǒng)儀器都已很難滿足，在以前幾乎被視為不可能的事。 虛擬儀器的概念 虛擬儀器 （ virtual instrument， VI） 的概念是由美國國家儀器公司提出來的，虛擬儀器本質(zhì)上是虛擬現(xiàn)實一個 方面的應(yīng)用結(jié)果。也就是說虛擬儀器是一種功能意義上的儀器，它充分利用計算機系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理能力，在基本硬件的支持下，利用軟件完成數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測試結(jié)果的顯示等，通過軟、硬件的配合來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲等方面的限制，使用戶可以方便地對儀器進行維護、擴展和升級。 虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的 日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及 操作系統(tǒng) 為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。 虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和 數(shù)字信號處理 。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計算機語言是 美國 NI 公司的 LabVIEW。 虛擬儀器的特點 虛擬儀器的最大特點是將計算機資源與儀器硬件、 DSP技術(shù)相結(jié)合，在系統(tǒng)內(nèi)共享軟件硬 件資源，打破了以往由廠家定義儀器功能的模式，由用戶自己定義儀器功能。在虛擬儀器中，使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件編程，就可以實現(xiàn)功能完全不同的測量儀器。 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器系統(tǒng)的比較如表 311所示。 傳統(tǒng)儀器 虛擬儀器系統(tǒng) 系統(tǒng)標(biāo)準 儀器廠商定義 用戶自定義 系統(tǒng)關(guān)鍵 硬件 軟件 系統(tǒng)更改 儀器功能、規(guī)模固定 系統(tǒng)功能、規(guī)模可通過軟件修改、增減 系統(tǒng)連接 系統(tǒng)封閉，與其他設(shè)備連接受限 開放的系統(tǒng)，可方便地與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用連接 價格 昂貴 低，可重復(fù)使用 技術(shù)更新周期 5— 10年 1— 2年 開發(fā)、維護更新 高 低 表 311 由此可見，虛擬儀器盡可能采用通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件，同時能充分發(fā)揮計算機的能力，由強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的“個性儀器”。 虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 虛擬儀器由硬件和軟件兩大部分組成。硬件是虛擬儀器的基礎(chǔ)，軟件是 虛擬儀器的核心。 虛擬儀器硬件通常包括基礎(chǔ)硬件平臺和外圍測試硬件設(shè)備，它們共同組成通用儀器硬件平臺?；A(chǔ)硬件平臺采用各種類型的通用計算機，如筆記本電腦、臺式計算機或工作站等。外圍測試硬件設(shè)備可以選擇 GPIB 系統(tǒng)、 VXI 系統(tǒng)、 PXI系統(tǒng)、 DAQ 系統(tǒng)或串口系統(tǒng)等，也可以選擇有兩種或兩種以上系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)。其中，最簡單、最廉價的形式是采用基于 ISA 或 PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)，或是基于 RS232 或 USB 串行總線的便攜式數(shù)據(jù)采集模塊。 虛擬儀器的軟件包括操作系統(tǒng)，儀器驅(qū)動和應(yīng)用軟甲三個層次。操作系統(tǒng)是虛擬儀器軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，他可以選擇 Windows 9X/202 SUN OS、 Linux等。儀器驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，它建立在 I/O 接口操作軟件的基礎(chǔ)上，是連接應(yīng)用軟件與外圍硬件模塊的橋梁。 應(yīng)用軟件包括實現(xiàn)儀器功能的測試程序和實現(xiàn)虛擬面板的界面程序。用戶通過虛擬面板與虛擬儀器進行對話。 虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成 如圖 312 所示。 圖 312 LabVIEW Labview 概述 Labview 是美國國家儀器公司（ National Instrument 簡稱 NI公司）推出的一門圖形化編程語言，同時也是優(yōu)秀而著名的虛擬儀器開發(fā)平臺。 LabVIEW 是圖形化開發(fā)環(huán)境，它具有功能強大、編程效率高、界面友好、參數(shù)修改方便等優(yōu)點， 同時它在功能完整性和應(yīng)用靈活性上也不遜于任何高級語言 ，其標(biāo)志如下。 LabVIEW 標(biāo)志 圖 321 LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。 LabVIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。 LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置 斷點 、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子 VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了 VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。 VI 指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。 軟件系統(tǒng) 用戶 應(yīng)用軟件 儀器功能 應(yīng)用軟件 虛擬面板 I/O 接口 儀器驅(qū)動軟件 計算機操作系統(tǒng) 通用計算機 測試硬件設(shè)備 通用硬件平臺 LabVIEW 應(yīng)用領(lǐng)域 測試測量： LABVIEW 最初就是為測試測量而設(shè)計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在 LABVIEW 最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。，經(jīng)過多 年的發(fā)展， LABVIEW 在測試測量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認。至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的 LabVIEW 驅(qū)動程序，使用 LabVIEW 可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領(lǐng)域的 LabVIEW 工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開發(fā)程序就容易多了。有時甚至于只需簡單地調(diào)用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應(yīng)用程序。 控制：控制與測試是兩個相關(guān)度非常高的領(lǐng)域，從測試領(lǐng)域起家的LabVIEW 自然而然 地首先拓展至控制領(lǐng)域。 LabVIEW 擁有專門用于控制領(lǐng)域的模塊 LabVIEWDSC。除此之外，