虛擬儀器設計 1 – 虛擬儀器概念

傳統設備與計算機的結合通常有兩個方向，一是以計算機為主體，在計算機上添加某些必要硬件設備，完成傳統設備的功能；二是以傳統設備為基礎，在其上添加計算機軟硬件。以電話為例，它的發展方向：一是為計算機配備耳機、麥克風、攝像頭等硬件，然后直接通過計算機進行語音、視頻通訊；其二，是把外形和功能都縮減后的計算機直接安裝到電話上，并在安裝上相應的系統和應用軟件，成為智能手機。

不論采用哪種融合方式，傳統設備的功能都被革命性的增強了，而其成本卻不斷降低。比如說，在計算機上，可以把電話的單純語音通話功能擴展為語音視頻交流，而起每次通訊的邊際成本幾乎為零；時下流行的各種手機，在嵌入計算機設備后，除了用于通話，更可以用來娛樂甚至辦公。這些都是傳統電話所不能比擬的。

圖 1傳統儀器與虛擬儀器的結構

在測試測量領域，測試儀器經歷了與電話及其類似的發展過程。它們或者被植入CPU、內存、安裝上軟件，具備了計算機的基本功能；或者被拆解開來，取其核心部件插入到計算機中去，使計算機具備測試功能。這兩種發展方向都使得儀器的功能更強大，速度更快。但其區別之處在于，把儀器移植到計算機上，更多考慮的是降低成本；而把計算機移植到儀器上，則更多的是為了滿足儀器小型化的需要。

在計算機運算能力強大到一定程度之后，以“虛擬”為前綴的各項技術開始紛紛出現，比如虛擬現實、虛擬機、虛擬儀器等。虛擬現實是指用計算機表現真實世界；虛擬機是指在一臺計算機上模擬多臺計算機；同樣虛擬儀器是指在計算機上完成儀器的功能。

虛擬儀器的概念是相對于傳統儀器來說的。記得以前上學做物理實驗時，常常用到萬用表、示波器等儀器，它們每臺儀器就是一個固定的方盒子，它們所有的測量功能都在這個盒子內完成，這就是所謂的傳統儀器。而進入到虛擬儀器時代，這種單一功能的方盒子開始逐漸被電腦所取代。

傳統儀器的方盒子，用戶看不到其內部，更無法改變其結構。因此，一臺傳統儀器一旦離開它生產線后，其功能和外觀就固定下來了。用戶只能利用一臺傳統儀器完成某個功能固定的測試任務。一旦測試需求改變，則必須再次購買滿足新需求的儀器。

而虛擬儀器的最大優勢則在于，它除了基礎的信號采集部分，其它軟硬件全部采用通用的計算機軟硬件設備。這些通用的軟硬件設備可以以低廉的價格進行升級，或者被使用者按自己意愿進行配置。比如，在虛擬儀器上，用戶可以通過升級CPU來加快儀器的處理速度、可以自己編寫程序來改變儀器的測試功能和交互界面。