虛擬儀器深度剖析

虛擬儀器簡介

虛擬儀器的出現(xiàn)是測量儀器發(fā)展史上的一場革命。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展和在測量與儀器上的應(yīng)用以及測試的新理論、新方法、新領(lǐng)域的發(fā)展導(dǎo)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(shù)來實現(xiàn)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(diào)控面板，以各種需要的形式表達輸出檢測結(jié)果；用計算機軟件實現(xiàn)大部分信號的分析和處理，完成各種調(diào)控和測試功能。“軟件即是儀器”，在虛擬儀器系統(tǒng)中，軟件發(fā)揮著核心作用，已有這樣的一類虛擬儀器及其系統(tǒng)，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(jù)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(tǒng)的功能與規(guī)模。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)點如表1所示。

表1 虛擬儀器相比傳統(tǒng)儀器的優(yōu)點

但是虛擬儀器也并非十全十美，在與其他設(shè)備連接時容易受到客觀環(huán)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(tǒng)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(lǐng)域，目前開發(fā)環(huán)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(fā)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(xùn)練的工程師，也可以在較短時間內(nèi)掌握虛擬儀器開發(fā)的技術(shù)，并能應(yīng)用到工程實踐當中。

虛擬儀器（Virtual Instruments簡稱VI）技術(shù)發(fā)展非常迅速，所有測量測試儀器的主要功能可由①數(shù)據(jù)采集②數(shù)據(jù)測試和分析③結(jié)果輸出顯示等三大部分組成，其中數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出完全可由基于計算機的軟件系統(tǒng)來完成，因此只要另外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可構(gòu)成基于計算機組成的測量測試儀器。基于計算機的數(shù)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(tǒng)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(tǒng)，通過不同的軟件就可以實現(xiàn)功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟件系統(tǒng)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(fā)展隨著微機的發(fā)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(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結(jié)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(gòu)成測試系統(tǒng)，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(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內(nèi)無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)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(fā)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(nèi)。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(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)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(yè)，又可與臺式PC機相連，實現(xiàn)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(fā)部門和各種教學(xué)實驗室應(yīng)用。

第三類：GBIB總線方式的虛擬儀器

GPIB技術(shù)是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)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(shù)可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)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(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要應(yīng)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(yīng)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(lǐng)域的擴展，它具有穩(wěn)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(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過十多年的發(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)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)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(nèi)核技術(shù)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)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)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(tǒng)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(lǐng)域的擴展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。

虛擬儀器的發(fā)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(tǒng)）

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(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)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(fā)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(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。

虛似儀器和傳統(tǒng)儀器的比較