虛擬儀器概述

傳統(tǒng)的實(shí)臉儀器主要由3個功能塊組成:信號的采集與控制單元、信號的分析與處理單元、結(jié)果的表達(dá)與物出單元。由于這些功能塊基本上是以硬件或固化的軟件形式存在。產(chǎn)品出廠時己經(jīng)設(shè)定。因此傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)復(fù)雜、靈活性差.沒有搜脫獨(dú)立使用、手動操作的模式，功能僅限于簡單地模仿人工操作的步驟，進(jìn)行較為復(fù)雜和洲試參敖較多的實(shí)較時，使用互聯(lián)網(wǎng)起來很不方便。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大艦棋集成電路技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器技術(shù)領(lǐng)城發(fā)生了巨大的變化。關(guān)商國家儀公司(National Instruments)于20世紀(jì)80年代中期率先提出從于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器的概念，把虛擬側(cè)試技術(shù)帶入新的發(fā)展時期.隨后研制和推出了琴于多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器VI (Virtual Instrumentation)。

1.1.1虛擬儀腸概念
虛擬儀器vi是計(jì)算機(jī)技術(shù)介入儀器鎖城所形成的一種新型的僅器種類.是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上.由用戶自己設(shè)計(jì)定義，從有虛擬的操作面板，側(cè)試功能由測試軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。在虛擬儀器中，計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合成一個整體，從而使儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等都發(fā)生了突變。

從構(gòu)成上看.虛擬儀器就是利用計(jì)算機(jī)設(shè)備和相應(yīng)的硬件與專用軟件，形成既有普通儀器的4本功能.又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新49.儀器。

從應(yīng)用角度來看，慮擬儀券利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境。建立界面友好的虛擬儀器面板(即前面板)，操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程is言控制儀器運(yùn)行，完成信號采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成。圖卜1所示為一欲用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬直流數(shù)字電壓表的前面板。

1.1.2虛擬儀器的發(fā)展、特征和優(yōu)勢
隨著徽電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅諫發(fā)展及其存嗽下電子測甘枯犬的應(yīng)用。翻量儀器不斷進(jìn)步.依次山現(xiàn)了數(shù)字化儀器、智能儀器和慮擬儀器。同時也由單臺儀器逐步發(fā)展到盛加式儀器系統(tǒng)、虛擬儀器系統(tǒng)等。

虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用派于1986年臾國NI公司設(shè)計(jì)的Lab VIEW。這是一種葵于圖形的開發(fā)、調(diào)試和程序的集成開發(fā)環(huán)境.實(shí)現(xiàn)了虛擬儀舒的概念。NI又提出了“軟件就是儀器”(The software is the instrument)的概念，充分體現(xiàn)出軟件在虛擬儀答中的作用是極其艱耍的。它的出現(xiàn).使用戶可以自己定義儀器.靈活地設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng).滿足多樣化的實(shí)際需要。隨著虛擬儀器軟件開發(fā)平臺及硬件的發(fā)展.基于虛擬儀器的洲試系統(tǒng)開發(fā)周期縮短，費(fèi)用降低，測試速度、準(zhǔn)確度及可復(fù)用性提高.且更便于維護(hù)和擴(kuò)展。

1997年，NI公司又推出了一種新的儀器總線標(biāo)準(zhǔn)—PXI總線標(biāo)準(zhǔn)。PXI總線方式是在PCI總踐內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求而形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的參考時鐘，適合于精確定時的星形觸發(fā)總線，以便用于相鄰模塊的高速通信的局部總線。

1998年一批生產(chǎn)PC機(jī)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的廠家宜布成立“開放式數(shù)據(jù)采集協(xié)會(OpenData Acquisition Association. ODAA).并且公布了“開放式數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)”(Open DataAcquisition Standard. ODAS)。該標(biāo)準(zhǔn)的最終目標(biāo)是使各個不同廠家生產(chǎn)的PC機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件、硬件具有廣泛的互換性。與WAS相關(guān)的其中一個標(biāo)準(zhǔn)是可互換的虛擬儀器設(shè)備(Interchangeable Virtual Instruments. M).這是在VXI plug& play技術(shù)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù).可以在不改動軟件的悄況下更換洲試系統(tǒng)中的儀器.也就是說，IVI示波器驅(qū)動程序通用子所有的IVI兼容示波器.而無需考慮生產(chǎn)廠商或測試平臺。

VXI儀器新近又出現(xiàn)了模塊中再分模塊的構(gòu)建方案.即在原有的一個模塊插梢上，安裝若干個小型化模塊，從而更有效地利用校塊空間，井進(jìn)一步提高了儀器組建的靈活性。近兩年，構(gòu)成虛擬儀器系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)又有新的發(fā)展，尤其是傳感器技術(shù)、采集仁技術(shù)、軟件平臺技術(shù)發(fā)展迅速。例如:IEEE 1344-VXI外置控制器接口具有高數(shù)據(jù)傳抽速率(級高為400 Mbits ),成本低的優(yōu)勢:GPIB一通用申行總線(USB)控制器也為儀器控制提供增強(qiáng)性能。

總之，虛擬儀器是一種功能愈義上的儀器，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革.將代表儀器未來發(fā)展的一個重要方向。
在虛擬儀器系統(tǒng)中.硬件僅僅是為了解決信號的翰入輸出問題.軟件才是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。用戶可以通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器僅由廠家定義，用戶無法改變的模式，虛擬儀器技術(shù)給用戶一個充分發(fā)揮自己的才能、想象力的空間。用戶(而不是廠家)可以根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，以滿足多種多樣的應(yīng)用需求。

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器幾有以下特征和優(yōu)勢。
(1)打破了傳統(tǒng)儀器的“萬能”功能概念，將信號的分析、顯示、存儲、打印和其他管理集中交由計(jì)算機(jī)來處理。由于充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，完獸了數(shù)據(jù)的傳愉、交換等性能，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡單。
(2》強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的新概念.軟件在儀答中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機(jī)實(shí)現(xiàn)的角色。由于減少了許多隨時間可能深移、需要定期校準(zhǔn)的分立式棋擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使系統(tǒng)的側(cè)最精度、側(cè)量速度和可重復(fù)性都人大提高。網(wǎng)時由于虛擬儀器中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反映裝置.根據(jù)人類視覺、聽覺的心理生理特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)生成通真的三位立體圖像，使人們獲得多種感知效果.從而達(dá)到身臨其境的感覺。
(3)儀器由用戶自己定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過軟件修改、增減，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用連接.提高了儀器的交互性。虛擬儀器通過提供給用戶自己創(chuàng)建儀器的可貢復(fù)使用翻代碼庫，處理棋塊間通信、定時、觸發(fā)等功能，強(qiáng)調(diào)在通用計(jì)算機(jī)平臺的撰礎(chǔ)上，通過軟件和軟面板，把由廠家定義的傳統(tǒng)儀舒轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩舳x的、由計(jì)算機(jī)軟件和幾種棋塊組成的專用儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀卷由廠家定義、用戶無法改變的摸式，給了用戶一個充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。
(4)虛擬儀器的開放性和功能軟件的模塊化.使用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，提高資渾的重復(fù)利用率.使系統(tǒng)組建時間縮短，功能易于擴(kuò)展.管理規(guī)范。使用筒便，軟2硬件生產(chǎn)、維護(hù)和開發(fā)的費(fèi)用降低。虛擬儀器既可以作為單臺數(shù)字式側(cè)試儀器使用，又可以構(gòu)成較為復(fù)雜的側(cè)試系統(tǒng)，甚至通過高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式側(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)代鉀纂于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀舒，還可以大大節(jié)省僅器購買、維護(hù)費(fèi)用。
可見，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性能價格比、可操作性等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。有許多傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，使得虛擬儀器的應(yīng)用領(lǐng)城非常廣泛。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表1-1所示。