虚拟仪器概述

彭先进

摘 要 本文从虚拟仪器的起源、发展入手，介绍了虚拟仪器的功能，比较了虚拟仪器与传统仪器的不同，简单的介绍了虚拟仪器设计技术。本文还从市场出发对虚拟仪器的配置做了具体阐述。

关键词 虚拟仪器 设计 配置

仪器是人类认识世界的基本工具。随着信息时代的来临，传统仪器已不能满足科技以及社会生产的需要。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，这就是所谓的虚拟仪器（virtualinstruments）。它通过充分利用计算机资源，配以独特设计的软硬件，来实现传统仪器的全部功能和一些在传统仪器上无法实现的功能。

一、仪器的发展

随着电子技术的发展，仪器的发展经历了四个时期：

1、第一代仪器：模拟仪器。如指针式万用表、晶体管电压表，它们均采用模拟电子技术实现，用指针显示测量结果。

2、第二代仪器：数字化仪器。如数字电压表、频率计等。可将模拟信号转化为数字信号进行测量，结果以数字方式输出。

3、第三代仪器：智能仪器。智能仪器内置微处理器，能自动测量，具有一定的数据处理能力。

4、第四代仪器：虚拟仪器。是现代计算机技术和测量技术结合的产物。

二、虚拟仪器与传统仪器的比较

独立的传统仪器，如示波器和波形发生器等，虽性能强大，但价格昂贵，且功能被厂家限定，只能完成特定的工作，用户通常都不能够对其加以扩展或自定义其他功能。开发这些仪器还要用专门的技术和高成本的元部件，使它们身价高也不容易更新。我们把虚拟仪器与传统仪器进行了比较，比较结果如表1所示。

表1 传统仪器与虚拟仪器的比较

从表1中可见，传统仪器与虚拟仪器最重要的区别在于：虚拟仪器的功能由用户使用时自己定义，而传统仪器的功能是由厂商事先定义。从这一意义上讲，那些功能固定的插卡式计算机仪器不能称作虚拟仪器。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器，每一种仪器是一个插卡，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。

三、虚拟仪器设计方案

下面的框图1反映了常见的虚拟仪器设计方案。

图1 虚拟仪器方案

图2是常见的虚拟仪器总框图，其中硬件部分为DAQ板卡，软件部分包括仪器驱动程序以及用LabVIEW编写的应用程序。

图2 虚拟仪器总框图

从构成要素讲，VI系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的;从构成方式讲，则有以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到各种计算机平台加上应用软件而构成的。

四、虚拟仪器的应用

虚拟仪器技术经过十几年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。虚拟仪器技术在发达国家的推广应用十分普及，在电子测量领域、过程控制领域，以及与人们的生活息息相关的许多其他领域。在国内，也有许多利用虚拟仪器实现检测、控制等功能的例子。

表2 虚拟仪器应用

由表2可以看出，虚拟仪器已经逐渐被应用于人类生活的各个领域。例如：

1、在电子实验领域中的应用

虚拟仪器最简单的应用是代替独立的仪器，如示波器、函数发生器、万用表等。用户利用虚拟的函数发生器产生实验所需的激励信号，利用虚拟的示波器测量实验电路对激励信号的响应。两种仪器通过窗口进行切换。

2、在医学领域中的应用

医用泵是用来向病人输液的设备，医务人员通过它还可获得诊断信息，因此，对泵的精度有较高的要求。IEC提出了一种较完善的测试标准;（1）测量输液开始后的流速;（2）测定不同时间间隔流速的相对变化。研发人员用虚拟仪器软件LabVIEW开发了一套计算机化的自动测试系统来完成这些工作，精度更高。

3、在农业中的应用

LabVIEW图形化用户接口提供给农民一个总的状态面板。类似农民关心的不同领域，如水箱水位，泵和阀门状态，温度、土壤湿度和性能等。这些参数能方便地用LabVIEW输入和激励;农民只要监测这个状态面板，即可监测整个系统。

五、虚拟仪器配置

国内外，虚拟仪器的概念已深入人心，也已成为各个高校研究的方向。组建虚拟仪器系统可分为五个步骤：

（1）选择操作系统和软件开发平台。组建虚拟仪器时，绝大多数会采用Windows系列操作系統，开发软件平台可选择Labview、Labwindows/cvi、Agilent-VEE、VC和VB等。

（2）选择总线形式和总线机箱。总线可选择VXI和PXI。

（3）选择机箱内嵌式或外置式计算机。内嵌式计算机使虚拟仪器系统结构紧凑，外置式计算机成本较低。

（4）选择仪器模块。根据实际需要，从模块化仪器供应商处采购各种仪器模块。

（5）选择信号调理模块和自制专用模块。当信号特殊时，还需自制部分信号调理模块。

参考文献：

[1]赵会兵.虚拟仪器技术规范与系统集成[M].清华大学出版社，北方交通大学出版社，2003.

[2]路林吉，饶家明.虚拟仪器讲座[J].信息技术.2000.

[3]陕西海泰电子有限责任公司.VI技术.

（作者单位：襄阳职业技术学院）