【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一個(gè)高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測(cè)試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。 ⑶操作性強(qiáng)，易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶定義，針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界而。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解，測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線。這此都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。 虛擬儀器的基本概念由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用已發(fā)生質(zhì)的變化，其中計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，導(dǎo)致儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等也發(fā)生突破性的變化。在上述的背景下，出現(xiàn)了新的儀器概念—虛擬儀器。虛擬儀器系統(tǒng)概念是對(duì)傳統(tǒng)概念的重大突破，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲(chǔ)等方面的限制。與傳統(tǒng)的儀器相比，它具有靈活性，方便性等優(yōu)點(diǎn)。 虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，其功能由用戶設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。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(cè)結(jié)果：利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。操作者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專用測(cè)量?jī)x器一樣。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，模糊了測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)之間的界限。 虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包括以下兩方面的含義： (1)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”所完成的功能是完全相同的；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”或“斷” ；被測(cè)信號(hào)的“輸入通道” 、“放大倍數(shù)” 等參數(shù)的設(shè)置，及測(cè)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” ，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(duì)圖標(biāo)的屬性進(jìn)行設(shè)置。 (2)虛擬儀器測(cè)量功能是通過對(duì)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機(jī)為核心組成的硬件平臺(tái)支持下，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)儀器的功能的。因?yàn)榭梢酝ㄟ^不同測(cè)試功能軟件模塊的組合來實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試功能，所以，在硬件平臺(tái)確定后，就有“軟件就是儀器”的說法，這也體現(xiàn)了測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合。 虛擬儀器的類型 GPIB總線方式的虛擬儀器 GPIB （General Purpose Interface Bus）是計(jì)算機(jī)和儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議己經(jīng)納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 。GPIB是最早的儀器總線。 典型的GPIB測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊GPIB接口控制器卡和若干臺(tái)GPIB儀器。每臺(tái)GPIB儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī)控制操作。通過改動(dòng)計(jì)算機(jī)的控制軟件可以增加、減少或更換系統(tǒng)中的儀器。在價(jià)格上，GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器，但由于GPIB的數(shù)據(jù)傳輸率般低于500kB/s，不適合對(duì)于系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用，現(xiàn)在己經(jīng)逐步退出了市場(chǎng)。 VXl總線方式的虛擬儀器 1987年公布的VXI （VMEbus extension for Instrumention）是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它不僅繼承了GPIB、VME總線的優(yōu)點(diǎn)，集測(cè)量、計(jì)算、通信于一體，還具有高速、模塊化的優(yōu)點(diǎn)。 與GPIB儀器系統(tǒng)相比，VXI模塊沒有前操作面板，因此，應(yīng)用VXI總線組建測(cè)試系統(tǒng)必須編制虛擬的“軟前面板”以完成對(duì)儀器系統(tǒng)的操作控制，當(dāng)今流行的可視化編程語言如Visual Basie，Visual C，Delphi等均可以在VXI平臺(tái)上構(gòu)造一個(gè)完全圖形化的用戶操作面板，實(shí)現(xiàn)測(cè)試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等功能，從而設(shè)計(jì)出各種操作方便的基于圖形用戶界面(GUI)的集成測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)過10多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。目前，這種類型也有逐漸退出市場(chǎng)的趨勢(shì)。 PXI總線方式的虛擬儀器 PXI ( PCI extension for Instrumention)是PCI在儀器領(lǐng)域的發(fā)展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范。PXI總線方式是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的參考時(shí)鐘，用于精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局部總線。PXI具有高度可擴(kuò)展性，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽。把臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，將形成未來主流的虛擬儀器平臺(tái)之一。 DAQ（Data AcQuisition）虛擬儀器DAQ指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線（如ISA、 PCI、 PC/104等）的內(nèi)置功能插卡，它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。利用DAQ可以方便快捷地組建虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用” 。在性能上，隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號(hào)調(diào)理技術(shù)的發(fā)展，DAQ 的采樣速率己達(dá)1 Gb/s，精度高達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個(gè)，并能任意結(jié)合數(shù)字I/O，模擬I/O，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等通道。DAQ虛擬儀器既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì)，又能滿足測(cè)量需求的多樣性。對(duì)大多數(shù)用戶來說，這種方案不但實(shí)用，而且具有很高的性能價(jià)格比，是一種特別適合于我國(guó)國(guó)情的虛擬儀器方案。下面以基于PCI總線和USB總線的多功能虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)為例，介紹DAQ型虛擬儀器的結(jié)構(gòu)。⑴基于PCI總線的多功能虛擬儀器本類型虛擬儀器由一塊基于PCI的高速數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件組成，將它們安裝在一臺(tái)運(yùn)行的PC機(jī)上，可構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)字虛擬儀器。工作原理：由主機(jī)啟動(dòng)程序，發(fā)出按時(shí)間步進(jìn)的頻率控制字送入信號(hào)源電路，產(chǎn)生頻率隨時(shí)間在1MHz~70MHz范圍內(nèi)變化的恒幅正弦波模擬信號(hào)。信號(hào)通過PCI高速數(shù)據(jù)采集卡采樣的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)PCI總線送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過LabVIEW軟件模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理，從而實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能。另外，通過改變應(yīng)用程序，即界面程序設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)同功能的虛擬儀器，如虛擬數(shù)字示波器，虛擬頻譜分析儀等。這種類型的虛擬儀器具有一定的缺點(diǎn)：由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入時(shí)都需要打開機(jī)箱，操作不方便；并且測(cè)試信號(hào)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，各種現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)安全造成很大的威脅；同時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影向。⑵基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設(shè)計(jì)基于USB總線的嵌入式虛擬儀器具有使用方便、數(shù)據(jù)傳輸速快、連接靈活的特點(diǎn)?？梢圆捎眯切偷耐?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建分布式測(cè)試系統(tǒng)。該類系統(tǒng)主要由PC機(jī)、USB集線器和嵌入式虛擬儀器組成。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按智能模塊的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行，智能模塊的作用是完成特定應(yīng)用的測(cè)試功能。利用USB總線的優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試方案的靈活配置和測(cè)試功能的自由擴(kuò)展，即當(dāng)需要添加新測(cè)試功能時(shí)，只需開發(fā)支持USB接口的相應(yīng)測(cè)試功能的嵌入式虛擬儀器模塊即可。其中，嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為：信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制模塊、存儲(chǔ)系統(tǒng)、液晶顯示模塊、USB總線接口邏輯等部分。USB技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)結(jié)合在一起是計(jì)算機(jī)儀表領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，基于USB總線接口設(shè)計(jì)的嵌入式虛擬儀器具有良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。嵌入式虛擬儀器可以獨(dú)立完成特定的信號(hào)處理和分析，又可以通過USB總線系統(tǒng)組合在一起，構(gòu)建大型的測(cè)試系統(tǒng)，完成復(fù)雜的測(cè)試功能。 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)(簡(jiǎn)稱硬件平臺(tái))和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成 ⑴虛擬儀器的硬件平臺(tái)硬件平臺(tái)是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，其主要功能是完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸和顯示輸出結(jié)果。構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺(tái)有兩種：①計(jì)算機(jī)虛擬儀器的硬件主體是電子計(jì)算機(jī)，是硬件平臺(tái)的核心。對(duì)于工業(yè)控制自動(dòng)化來講，計(jì)算機(jī)己成為一種功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的運(yùn)行平臺(tái)。當(dāng)各種與計(jì)算機(jī)相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)生時(shí)，虛擬儀器的應(yīng)用便隨之被推向一個(gè)新的層次。虛擬儀器借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。而且由于計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷提高，使得虛擬儀器的價(jià)格更能為廣大用戶所接受。②I/O接口設(shè)備I/O接口設(shè)備主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。不同的總線有其相應(yīng)的I/O接口硬件設(shè)備，如利用PC機(jī)總線的數(shù)據(jù)采集卡/板DAQ、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串行口式虛擬儀器等。 ⑵虛擬儀器的軟件對(duì)于普通計(jì)算機(jī)用戶，相對(duì)于面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，圖形化編程語言為開發(fā)虛擬儀器軟件提供了便利。LabVIEW是一種編譯型圖形編程環(huán)境，它把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡(jiǎn)化成用簡(jiǎn)單圖標(biāo)提示的方法選擇功能，并用線條把各種圖形連接起來的圖形編程方式，使不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測(cè)試要求和任務(wù)快速設(shè)計(jì)出自己的程序和儀器面板，大大提高了工作效率，減少了科研和工程技術(shù)人員的工作量，因此，LabVIEW是一種優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。 虛擬儀器通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與一些硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和一些硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起。 虛擬儀器的發(fā)展方向虛擬儀器精確的采樣，及時(shí)的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸使其在自動(dòng)控制領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它以計(jì)算機(jī)發(fā)展為平臺(tái)，更迎合了在當(dāng)今信息社會(huì)，各行各業(yè)向智能化、自動(dòng)化、集成化發(fā)展的趨勢(shì)。靈活性，軟、硬件的標(biāo)準(zhǔn)化令其在儀器計(jì)量領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)儀器。PC技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)融合發(fā)展，虛擬儀器的功能得以進(jìn)一步的發(fā)展，如更多的嵌入式和實(shí)時(shí)功能。隨著PC技術(shù)和相關(guān)科技的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)已成為一項(xiàng)前沿學(xué)科，代表著儀器發(fā)展的最新方向，不斷地被推向各個(gè)新的領(lǐng)域，在新的世紀(jì)將大行其道。隨著計(jì)算機(jī)、通信、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來和信息化要求的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器領(lǐng)域是虛擬儀器發(fā)展的大趨勢(shì)。在國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念目前還沒有一個(gè)比較明確的提法，也沒有一個(gè)被測(cè)量界廣泛接受的定義。其一般特征是將虛擬儀器、外部設(shè)備、被測(cè)試點(diǎn)以及數(shù)據(jù)庫等資源納入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源共享，共同完成測(cè)試任務(wù)。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可使在任何地點(diǎn)、任意時(shí)刻獲取測(cè)量數(shù)據(jù)信息的愿望得到實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也適合異地或遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測(cè)、報(bào)警等。與以PC機(jī)為核心的虛擬儀器相比，在不遠(yuǎn)的將來，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將是儀器發(fā)展中的又一次革命。 虛擬儀器的應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，而今正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺(tái)的圖形化和硬件模塊的即插即用方向進(jìn)步。虛擬儀器技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的推廣應(yīng)用十分普及。在國(guó)內(nèi)，近年來也開始有了利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制等功能的例子，虛擬儀器系統(tǒng)已成為儀器領(lǐng)域的一個(gè)基本方法，是技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果。虛擬儀器主要在以下幾個(gè)方面得到應(yīng)用：⑴虛擬儀器在測(cè)量方面的應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展，將之應(yīng)用在測(cè)量方面可以提高精確度，降低成本，并大大節(jié)省用戶的開發(fā)時(shí)間，因此已經(jīng)在測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。⑵虛擬儀器在監(jiān)控方面的應(yīng)用用虛擬儀器系統(tǒng)可以隨時(shí)采集和記錄從傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并對(duì)之進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、數(shù)字濾波、頻域分析等處理，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。當(dāng)前，氣敏傳感器正朝著快速響應(yīng)、小型化和經(jīng)濟(jì)化發(fā)展，這種發(fā)展趨勢(shì)引起了微電子氣敏傳感器的發(fā)展。⑶虛擬儀器在檢測(cè)方面的應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室中，利用虛擬儀器開發(fā)工具開發(fā)專用虛擬儀器系統(tǒng)，可以把一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)變成一組檢測(cè)儀器，用于數(shù)據(jù)、圖像采集，控制與模擬。⑷虛擬儀器在教育方面的應(yīng)用現(xiàn)在，隨著虛擬儀器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，越來越多的教學(xué)部門也開始用它來建立教學(xué)系統(tǒng)，不僅大大節(jié)省開支，而且由于虛擬儀器系統(tǒng)具有靈活、可重用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得教學(xué)方法也更加靈活了。⑸虛擬儀器在電信方面的應(yīng)用由于虛擬儀器具有靈活的圖形用戶接口，強(qiáng)大的檢測(cè)功能，同時(shí)又能與GPIB和VXI儀器兼容，因此很多工程師和研究人員都把它用于電信檢測(cè)和場(chǎng)測(cè)試方面。虛擬儀器還在其他很多領(lǐng)域包括航空、汽車、生物醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用。從交通監(jiān)控系統(tǒng)到大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，從部件自動(dòng)測(cè)試到工業(yè)過程控制，虛擬儀器應(yīng)用的例子不勝枚舉。相信未來，虛擬儀器將得到更多的發(fā)展，應(yīng)用范圍也將越來越廣。[5] 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)開發(fā)虛擬儀器必須要有合適的軟件工具