虛擬儀器的原理及發(fā)展

0、引言 

　　電子測試儀器是電子行業(yè)的基礎，它在電子行業(yè)中長(cháng)期占據著(zhù)十分重要的地位，它是一個(gè)時(shí)代的電子行業(yè)發(fā)展水平的標志，并隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷地更新變化著(zhù)。傳統的測試儀器由于功能固定，研制生產(chǎn)周期長(cháng)等缺點(diǎn)，越來(lái)越不能滿(mǎn)足信息時(shí)代的要求。這就給一種新型的測量?jì)x器——虛擬儀器提供了極大的發(fā)展空間，由于其硬件結構簡(jiǎn)單，以軟件為主實(shí)現各種功能，且隨計算機的發(fā)展不斷提高其性能，具有很強的適應性，所以越來(lái)越引起世人的高度關(guān)注。本文就虛擬儀器的產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程、結構原理、性能特點(diǎn)及應用等方面進(jìn)行詳細的介紹，使讀者對虛擬儀器有更深入地了解。 

1、虛擬儀器的發(fā)展 

　　主要利用PC技術(shù)，只是添加A/D及D/A變換等少許硬件和以軟件為主的儀器稱(chēng)為虛擬儀器。虛擬儀器通過(guò)應用程序將通用計算機與功能化硬件結合起來(lái)，用戶(hù)可通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作計算機，就像在操作自己定義、自己設計的一臺儀器一樣，從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數據儲存等。它是在 PC技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，能在數據導入磁盤(pán)的同時(shí)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行復雜的分析。具有高效的性能、強大的擴展功能、節約開(kāi)發(fā)時(shí)間，以及完美的集成性能等技術(shù)優(yōu)勢。 

　　早在八十年代初，就有人以個(gè)人計算機為基礎，在微機內部增加一些插件或外附插件箱，將各種測量電路插件接于PC內部總線(xiàn)，加上某些軟件來(lái)實(shí)現傳統儀器的功能，這種儀器稱(chēng)為PC儀器或個(gè)人儀器。因為計算機系統的硬軟件資源可代替一般自動(dòng)測試系統和智能儀表中的微處理器、存儲器、接口電路和顯示器，因而減少了儀器的許多硬件，降低了儀器成本，而且無(wú)需對每一種新儀表都從頭開(kāi)始設計，所以該方案一經(jīng)提出就在儀表界引起極大的轟動(dòng)。 

　　隨著(zhù)VXI（開(kāi)放式測量系統）總線(xiàn)系統問(wèn)世以及PC機的結構的變化，不斷推動(dòng)了虛擬儀表發(fā)展。VXI總線(xiàn)標準是一種全開(kāi)放型卡式儀表標準，具有靈活適用、性能先進(jìn)、高速運行、小型便攜的特點(diǎn)，適用于模塊化設計儀表。PC機微處理器CPU速度不斷提高、采用流水線(xiàn)、RISC結構，大大地提高了測試系統的數值處理能力。近年來(lái)，由于計算機軟硬件技術(shù)資源的極大豐富，數字信號處理技術(shù)，圖形化界面技術(shù)和自動(dòng)生成程序等技術(shù)的提高，使虛擬儀器的進(jìn)一步發(fā)展有了雄厚的技術(shù)基礎。 

2、虛擬儀器的結構原理 

　　虛擬儀器是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測試、測量和自動(dòng)化的應用。靈活高效的軟件能創(chuàng )建完全自定義的用戶(hù)界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬件平臺能滿(mǎn)足對同步和定時(shí)應用的需求。虛擬儀器的本質(zhì)是利用現有的計算機，加上特殊設計的儀器硬件和專(zhuān)用軟件形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。它是利用計算機強大的圖形環(huán)境和在線(xiàn)幫助功能，建立虛擬儀器面板，以代替傳統儀器完成對儀器的控制、數據分析和顯示功能。虛擬儀器的輸入輸出由數據采集卡、GPIB卡等硬件模塊完成，儀器的功能主要由軟件構成。虛擬儀器系統框圖如圖1所示。 

                                 

                                             圖1　虛擬儀器系統框圖


　　一套完整的虛擬儀器系統的結構一般來(lái)說(shuō)分為四層： 

　　1）測試管理層 

　　用戶(hù)使用虛擬儀器生產(chǎn)廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的應用程序，組成自己的一套測試儀器。這是虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)之一，它可以方便地使用戶(hù)根據自己的需要，自己的風(fēng)格建立自己的測試儀器。 

　　2）應用（程序）開(kāi)發(fā)層 

　　由生產(chǎn)商提供的軟件開(kāi)發(fā)工具，如NI（NATIONAL INSTRUMENTS）公司的LabVIEW軟件，LabWindows/CVI軟件。用戶(hù)可以用這類(lèi)軟件進(jìn)行深層開(kāi)發(fā)，以擴展儀器原有的功能。 

　　3）儀器驅動(dòng)層 

　　由生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)，針對不同類(lèi)型的儀器有不同的驅動(dòng)程序接口。為給用戶(hù)提供方便、易用的儀器驅動(dòng)程序，泰克公司、惠普公司和美商國家儀器公司等35家國際上最大的儀器公司成立了VXI plug & play系統聯(lián)盟，并于推出VISA（Virtu-al Instrument Software Architecture）標準。 

　　4）I/O總線(xiàn)驅動(dòng)層 

　　由生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)，用于將不同類(lèi)型的實(shí)際儀器通過(guò)相同標準的總線(xiàn)連接起來(lái)形成一套完整的測試系統，如得到廣泛應用的VXI（開(kāi)放式測量系統）總線(xiàn)系統。 

3、虛擬儀器的性能特點(diǎn) 

　　虛擬儀器徹底改變了傳統儀器由生產(chǎn)廠(chǎng)家定義功能的模式，而是在少量附加硬件的基礎上，由用戶(hù)定義儀器功能。因為它的運行主要依賴(lài)軟件，所以修改或增加功能、改善性能都非常靈活，也便于利用PC的軟硬件資源和直接使用PC的外設和網(wǎng)絡(luò )功能。虛擬儀器不但造價(jià)低，而且通過(guò)修改軟件可增加它的適應性，進(jìn)而延長(cháng)它的生命周期，是一種具有很好發(fā)展前景的儀器。與傳統儀器相比，虛擬儀器具有高效、開(kāi)放、易用靈活、功能強大、性?xún)r(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現為： 

　　1）智能化程度高，處理能力強 

　　虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶(hù)完全可以根據實(shí)際應用需求，將先進(jìn)的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專(zhuān)家系統應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。 

　　2）應用性強，系統費用低 

　　應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個(gè)高速數字采樣器，可設計出數字示波器、邏輯分析儀、計數器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統功能更靈活、更高效、更開(kāi)放、系統費用更低。通過(guò)與計算機網(wǎng)絡(luò )連接，還可實(shí)現虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。 

　　3）操作性強，易用靈活 

　　虛擬儀器面板可由用戶(hù)定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。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(guān)、簡(jiǎn)便、易于理解，測量結果可以直接進(jìn)入數據庫系統或通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線(xiàn)。這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。 

4、虛擬儀器的應用 

　　虛擬儀器的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應用中它已成為傳統儀器的主要替代方式。隨著(zhù)PC、半導體和軟件功能的進(jìn)一步更新，未來(lái)虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測試系統的設計提供一個(gè)極佳的模式，并且在測量和控制方面都有無(wú)以倫比的強大功能和靈活性?？蓮V泛應用于電子測量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物醫療、教學(xué)及科研等諸多方面。 

　　虛擬儀器的各種優(yōu)點(diǎn)讓用戶(hù)可以放心地舍棄舊的傳統測量設備，接受更新型、以計算機為基礎的虛擬儀器系統。由于計算機的性能價(jià)格比不斷改進(jìn)，使虛擬儀器的價(jià)格更為大眾化，用戶(hù)不必再受限于傳統儀器的使用限制和昂貴的價(jià)格，進(jìn)一步降低了使用成本，減少了系統的開(kāi)發(fā)費用和系統的維護費用。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強大功能推向一個(gè)新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應用領(lǐng)域不斷增強和擴大。