虛擬儀器簡介

虛擬儀器的出現是測量儀器發展史上的一場革命。隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術的高度發展和在測量與儀器上的應用以及測試的新理論、新方法、新領域的發展導致了一種新型儀器——虛擬儀器（Virtual Instrument）——的誕生。它充分利用最新的計算機技術來實現和擴展儀器的功能；用計算機屏幕可以形象、方便地模擬各種儀器的調控面板，以各種需要的形式表達輸出檢測結果；用計算機軟件實現大部分信號的分析和處理，完成各種調控和測試功能。“軟件即是儀器”，在虛擬儀器系統中，軟件發揮著核心作用，已有這樣的一類虛擬儀器及其系統，在其中，硬件僅是為了解決信號的輸入輸出，而核心功能以軟件來完成，基于虛擬儀器，用戶可以根據自己的需要定義儀器的功能，通過軟件修改的方法，很方便地改變、增減儀器系統的功能與規模。與傳統儀器相比，虛擬儀器的優點如表1所示。

表1 虛擬儀器相比傳統儀器的優點

但是虛擬儀器也并非十全十美，在與其他設備連接時容易受到客觀環境和條件的限制，另外由于需要進行大量的軟件計算，可能造成較大的時延，此種情況下需要用傳統的硬件儀器來代替。

虛擬儀器可以用于國防、航空航天、核物理、石油化工等領域，目前開發環境主要有兩類：一類是文本語言，如C、C++、LabWindows /CVI等等；另一類是圖形語言，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等等。由于圖形語言開發的方便性，受到了廣大工程師的歡迎，一個在計算機語言方面沒有很多訓練的工程師，也可以在較短時間內掌握虛擬儀器開發的技術，并能應用到工程實踐當中。

虛擬儀器（Virtual Instruments簡稱VI）技術發展非常迅速，所有測量測試儀器的主要功能可由①數據采集②數據測試和分析③結果輸出顯示等三大部分組成，其中數據分析和結果輸出完全可由基于計算機的軟件系統來完成，因此只要另外提供一定的數據采集硬件，就可構成基于計算機組成的測量測試儀器。基于計算機的數字化測量測試儀器就稱之為虛擬儀器（VI）。注意：這里所指的虛擬儀器和EDA仿真軟件中的虛擬儀器概念完全不同，它可以完全替代傳統臺式測量測試儀器。而EDA仿真軟件中的虛擬儀器是純軟件的、仿真的。

虛擬儀器可使用相同的硬件系統，通過不同的軟件就可以實現功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟件系統是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器，因此可以說“軟件即儀器”。

儀器的分類:

虛擬儀器的發展隨著微機的發展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：

第一類：PC總線——插卡型虛擬儀器

這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結合（注：美國NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自已組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C++,

Visual Basic,Labviews/cvi構成測試系統，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內部的噪聲電平較高，插槽數目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。

第二類：并行口式虛擬儀器

最新發展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通常可以完成各種測量測試儀器的功能，可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發生器、頻率計、數字萬用表、功率計、程控穩壓電源、數據記錄儀、數據采集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業，又可與臺式PC機相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發部門和各種教學實驗室應用。

第三類：GBIB總線方式的虛擬儀器

GPIB技術是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發展階段。它的出現使電子測量獨立的單臺手工操作向大規模自動測試系統發展，典型的GPIB系統由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達40米。GPIB技術可用計算機實現對儀器的操作和控制，替代傳統的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統。GPIB測量系統的結構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應用。

第四類：VXI總線方式虛擬儀器

VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，它具有穩定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優點，很快得到廣泛的應用。經過十多年的發展，VXI系統的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規模自動測量系統以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優勢。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。

第五類：PXI總線方式虛擬儀器

PXI總線方式是PCI總線內核技術增加了成熟的技術規范和要求形成的，增加了多板同步觸發總線的技術規范和要求形成的，增加了多板發總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統只有3~4個擴展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。

虛擬儀器的發展過程有兩條線：一、GPIB→VSI→PXI總線方式（適合大型高精度集成系統）

GPIB 于1978年問世，VXI于1987年問世，PXI于1997年問世。

二、PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價系統，有廣闊的應用發展前景）

PC插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口USB方式于1999年問世。

綜上所述，虛擬儀器的發展取決于三個重要因素。①計算機是載體,②軟件是核心③高質量的A/D采集卡及調理放大器是關鍵。

虛似儀器和傳統儀器的比較