【正文】 硬件（電子線路）來實現(xiàn)。傳統(tǒng)儀器由信號采集、信號處理和結果表達與儀器控制三部分組成。虛擬儀器除了具有上述主要優(yōu)點外還具有下述優(yōu)點：（1）將所用的程控儀器的控制信息集成在虛擬儀器的軟件模塊中，對用戶來講是完全透明的。這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡發(fā)送。（3） 操作簡便，直觀，界面友好。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費用更低。（2）擴展性強，費效比高。用戶完全可以根據(jù)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點，具體表現(xiàn)為：（1）智能化程度高，功能強大。未來的總線將會向專業(yè)化和大眾化方向發(fā)展。LXI聯(lián)盟于2005年10月通過了IEEE1588協(xié)議，為LXI網(wǎng)絡化虛擬儀器的設計與實現(xiàn)提供了標準。以太網(wǎng)采用的TCP/IP協(xié)議在Internet內廣泛使用。在眾計算機和通信網(wǎng)絡中選用以太網(wǎng)技術，在于以太網(wǎng)的發(fā)展已相當成熟，被廣泛安裝在計算機作為標準通信接口?？梢赃@樣說，以太網(wǎng)的發(fā)展為基于網(wǎng)絡的測試系統(tǒng)提供了平臺，也成就了LXI的誕生。把臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來主流的虛擬儀器平臺之一。 PXI總線方式的虛擬儀器PXI總線是1997年由NI公司推出的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范，它是在PCI總線內核技術上增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。與GPIB儀器系統(tǒng)相比，VXI模塊沒有前操作面板，因此，應用VXI總線組建測試系統(tǒng)必須編制虛擬的“軟前面板”以完成對儀器系統(tǒng)的操作控制〔當今流行的可視化編程語言如Visual Basic、Visual C、Delphi等均可以在VXI平臺上構造一個完全圖形化的用戶操作面板，實現(xiàn)測試控制、數(shù)據(jù)分析、結果顯示等功能，從而設計出各種操作方便的基于圖形用戶界面（GUI）的集成測試系統(tǒng)。在價格上，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)傳輸率一般低于500kB/s，不適合對于系統(tǒng)速度要求較高的應用，現(xiàn)在已經(jīng)逐步退出了市場。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。GPIB是最早的儀器總線。該標準的成功之處在于，它使測試系統(tǒng)的互連和通訊標準化。基于USB總線，NI公司推出了USB6008和USB6009等幾款數(shù)據(jù)采集卡。USB總線具有“即插即用—plugamp。USB技術和虛擬儀器技術結合在一起是計算機儀表領域研究的熱點，基于USB總線接口設計的嵌入式虛擬儀器具有良好的系統(tǒng)擴展性。系統(tǒng)的體系結構設計按照智能模塊的設計思路進行，智能模塊的作用是完成特定應用的測試功能。可以采用星型的拓撲結構構建分布式測試系統(tǒng)。該總線具有輕巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的特點，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字攝像機、掃描儀、打印機及存儲設備。USB總線能連接127個裝置，需要一對信號線及電源線。（2） 基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設計嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為：信號調理和模數(shù)轉換電路、嵌入式控制模塊、存儲系統(tǒng)、液晶顯示模塊、USB總線接口邏輯等部分。這種儀器價格便宜，因個人計算機數(shù)量非常龐大，因此用途廣泛，特別適合于教學部門和各種實驗室，目前仍有強大的生命力。其工作原理是：由主機啟動程序，發(fā)出按時間步進的頻率控制字送入信號源電路，產(chǎn)生頻率隨時間在1MHz～70MHz范圍內變化的恒幅正弦波模擬信號。 這種方式借助于插入PC機和工控機內的高速數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件相結合，將它們安裝在一臺運行的PC機上，可構成一個功能強大的數(shù)字虛擬儀器，完成測試任務。（1） 基于PCI總線的多功能虛擬儀器PCI總線是一種獨立于CPU的32位或64位局部總線，時鐘頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率高達132 MB/s~264MB/s，PCI總線技術用無限讀寫突發(fā)方式，可在一瞬間發(fā)送大量數(shù)據(jù)。對大多數(shù)用戶來說，這種方案不但實用，而且具有很高的性能價格比，是一種特別適合于我國國情的虛擬儀器方案。在性能上，隨著A/D轉換技術、儀器放大技術、抗混疊濾波技術與信號調理技術的發(fā)展，DAQ的采樣速率已達1Gb/s，精度高達24位，通道數(shù)高達64個，并能任意結合數(shù)字I/O、模擬I/O、計數(shù)器/定時器等通道。 DAQ總線方式的虛擬儀器DAQ指的是基于計算機標準總線（如ISA、PCI等）的內置功能插卡，它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性。在彩色監(jiān)視器上，每種數(shù)據(jù)類型以不同的顏色和線形強調顯示。其中，端子被用來同程序前面板的控件和指示器傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調用，圖框被用來實現(xiàn)結構化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內的數(shù)據(jù)流動方向。也可以把它想象為傳統(tǒng)儀器機箱里用來實現(xiàn)儀器功能的零部件。每一個VI程序的前面板都對應著一段框圖程序。前面板由大量的虛擬控件組成。（3）用面向對象的設計方法設計前面板。（2）根據(jù)測試要求確定儀器功能。我們可以把它想象為傳統(tǒng)儀器的面板，面板上自然會有表頭，按紐，撥盤等各種元件。當把一個控件或指示器放到前面板上時，框圖中相應地放置一個端子(Terminals)，這個端子不能隨意被刪除，只有刪除它對應的控件或指示器時它才隨之一起被刪除。前面板既接受來自框圖程序的指令，又是用戶與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。所以，只要把程序流程框圖畫好了，程序也就差不多編好了。它不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設置數(shù)據(jù)處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶。目前，虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺主要有Visual C++，Visual Basic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、Lab Windows/CVI等。應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能，來完成自動測試任務。每個儀器都有自己的儀器驅動程序，由儀器廠商提供。（2）儀器驅動程序。（1）VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture）庫。 虛擬儀器的軟件組成虛擬儀器系統(tǒng)的核心是軟件技術，軟件開發(fā)環(huán)境是其重要的組成部分。（6）基于現(xiàn)場總線設備的虛擬儀器，它是以Fieldbus標準總線儀器及PC機為儀器硬件平臺的。PXI實現(xiàn)了VISA虛擬儀器軟件體系，不僅能夠控制PXI模塊，也能控制VXI、GPIB及串行接口器件，還可以通過采用標準的PCIPCI橋接器提高擴展槽數(shù)量，有利于系統(tǒng)集成。標準的PXI模塊化儀器系統(tǒng)有8個插槽，還可與CompactPCI交互操作，可與GPIB或VXI集成，組成大規(guī)模、多用途系統(tǒng)。VXI是工業(yè)標準總線VME的擴展，是一種完全開放的、模塊化儀器總線標準的虛擬儀器開發(fā)平臺，其可靠性、人機交互性能、測試速度優(yōu)越，但價格較為昂貴。其中，控制器安裝在零號槽中，稱為零槽控制器。（3）基于串行口儀器的虛擬儀器，它是由Serial標準總線儀器及PC機為儀器硬件平臺的，它包括符合RS232/ RS422標準的PLC(program logic controller)和單片機系統(tǒng)。（2）基于通用接口總線GPIB(general purpose interfacebus)接口的虛擬儀器，它是以GPIB接口儀器、GPIB接口卡及PC機為儀器硬件平臺，GPIB為通用接口總線的簡稱，是一種并行方式的外總線，它實質上是通過計算機對傳統(tǒng)儀器的功能擴展和延伸，目前，許多市售的臺式儀器大多裝有GPIB接口。 虛擬儀器的硬件構成框圖（1）基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器，它是以信號調理電路、數(shù)據(jù)采集卡(data acquisition，DAQ)及PC機為儀器硬件平臺，采用PCI(peripheral ponent interconnect)或ISA( industrial standard architecture)計算機本身的總線，將DAQ直接插入PC機的相應標準的總線擴展插槽即可，因此，這種虛擬儀器又叫PCDAQ/PCI插卡式虛擬儀器。硬件接口電路主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉換。硬件接口電路與計算機一起構成了虛擬儀器的硬件。虛擬儀器硬件系統(tǒng)包括計算機硬件平臺和測試功能硬件。 虛擬儀器的硬件組成任何一臺儀器無非由三大部分組成，信號的采集、數(shù)據(jù)的處理、結果的輸出。（4）I/O總線驅動層由生產(chǎn)商開發(fā)，用于將不同類型的實際儀器通過相同標準的總線連接起來形成一套完整的測試系統(tǒng)，如得到廣泛應用的VXI（開放式測量系統(tǒng)）總線系統(tǒng)。為給用戶提供方便、易用的儀器驅動程序，泰克公司、惠普公司和美國國家儀器公司等35家國際上最大的儀器公司成立了VXI plugamp。用戶可以用這類軟件進行深層開發(fā)，以擴展儀器原有的功能。這是虛擬儀器的優(yōu)點之一，它可以方便地使用戶根據(jù)自己的需要，自己的風格建立自己的測試儀器。虛擬儀器實質上是軟硬結合、虛實結合的產(chǎn)物，它充分利用最新的計算機技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器的基本思想是利用計算機來管理儀器，組織儀器系統(tǒng)，進而逐步代替儀器完成某些功能，最終達到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。虛擬儀器的本質是利用現(xiàn)有的計算機加上特殊設計的儀器硬件和專用軟件形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新型儀器。虛擬儀器并不“虛”，它是“真實”的儀器，和傳統(tǒng)儀器一樣，可用來完成檢測和控制任務。虛擬儀器中的信號分析和處理等功能不是由傳統(tǒng)儀器中的硬件電路來實現(xiàn)，而是通過軟件來實現(xiàn)。虛擬儀器中的“虛”即軟件化，“虛擬”主要表現(xiàn)在兩個方面：其一是虛擬的儀器面板。就功能而言，虛擬儀器是基于計算機的儀器，儀器工作時通過操縱位于計算機屏幕虛擬面板上的“按鈕”來完成檢測或者控制任務。迄今，虛擬儀器尚無公認的定義，所謂虛擬儀器(Virtual Instrument)，實際上就是一種基于計算機的融功能強大的應用軟件、高性能的模塊化硬件及驅動軟件于一體的自動化測試儀器系統(tǒng)。第三章 虛擬儀器介紹虛擬儀器(Virtual Instrument ，VI)的研究始于美國的斯坦福大學和馬里蘭大學，由1986年美國國家儀器公司(National Instrument ，NI)開發(fā)的LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)首先實現(xiàn)?；谔摂M儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)必然會給現(xiàn)代電熱水器智能溫度控制領域帶來一片新天地。隨著一些新的PC技術和數(shù)據(jù)采集技術逐漸應用到虛擬儀器中，虛擬儀器技術也有了一些新的進展。 基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)另外一種電熱水器溫度智能控制系統(tǒng)是基于虛擬儀器的溫度控制系統(tǒng)。如果把從Tl輸入的設定溫度用的脈沖接入外部中斷 （）將引起中斷，中斷服務程序可對與水溫對應的電脈沖寬度的計數(shù)值（TH0、TL0）進行測量并顯示，記下其數(shù)值后便可制定“溫度表”（與一定溫度對應的TH0、TL0值并存放于程序存儲器中的表），將“溫度表”固化于程序存儲器中，這樣實現(xiàn)溫度的自動測量與顯示。比較測得的水溫與設定的溫度，如果前者小于后者，三極管T3導通，通過光耦使T4也導通，繼電器J得電，觸點J閉合，電熱絲接通對水加熱，紅色提示燈Dl亮；，T