虛擬儀器深度剖析

虛擬儀器簡(jiǎn)介

虛擬儀器的出現(xiàn)是測(cè)量?jī)x器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展和在測(cè)量與儀器上的應(yīng)用以及測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展儀器的功能；用計(jì)算機(jī)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(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果；用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)大部分信號(hào)的分析和處理，完成各種調(diào)控和測(cè)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(lèi)虛擬儀器及其系統(tǒng)，在其中，硬件僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，而核心功能以軟件來(lái)完成，基于虛擬儀器，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能，通過(guò)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(diǎn)如表1所示。

表1 虛擬儀器相比傳統(tǒng)儀器的優(yōu)點(diǎn)

但是虛擬儀器也并非十全十美，在與其他設(shè)備連接時(shí)容易受到客觀環(huán)境和條件的限制，另外由于需要進(jìn)行大量的軟件計(jì)算，可能造成較大的時(shí)延，此種情況下需要用傳統(tǒng)的硬件儀器來(lái)代替。

虛擬儀器可以用于國(guó)防、航空航天、核物理、石油化工等領(lǐng)域，目前開(kāi)發(fā)環(huán)境主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是文本語(yǔ)言，如C、C++、LabWindows /CVI等等；另一類(lèi)是圖形語(yǔ)言，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等等。由于圖形語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的方便性，受到了廣大工程師的歡迎，一個(gè)在計(jì)算機(jī)語(yǔ)言方面沒(méi)有很多訓(xùn)練的工程師，也可以在較短時(shí)間內(nèi)掌握虛擬儀器開(kāi)發(fā)的技術(shù)，并能應(yīng)用到工程實(shí)踐當(dāng)中。

虛擬儀器（Virtual Instruments簡(jiǎn)稱(chēng)VI）技術(shù)發(fā)展非常迅速，所有測(cè)量測(cè)試儀器的主要功能可由①數(shù)據(jù)采集②數(shù)據(jù)測(cè)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(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)來(lái)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(jì)算機(jī)組成的測(cè)量測(cè)試儀器?；谟?jì)算機(jī)的數(shù)字化測(cè)量測(cè)試儀器就稱(chēng)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(tái)式測(cè)量測(cè)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(guò)不同的軟件就可以實(shí)現(xiàn)功能完全不同的各種測(cè)量測(cè)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(shuō)“軟件即儀器”。

儀器的分類(lèi):

虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線(xiàn)方式的不同，可分為五種類(lèi)型：

第一類(lèi)：PC總線(xiàn)——插卡型虛擬儀器

這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專(zhuān)用的軟件如LabVIEW相結(jié)合（注：美國(guó)NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過(guò)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(guò)三種編程語(yǔ)言Visual C++,

Visual Basic,Labviews/cvi構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線(xiàn)、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線(xiàn)限制，且有電源功率不足，機(jī)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(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線(xiàn)的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線(xiàn)的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。

第二類(lèi)：并行口式虛擬儀器

最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國(guó)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(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門(mén)和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。

第三類(lèi)：GBIB總線(xiàn)方式的虛擬儀器

GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)BPIB形式的儀器通過(guò)GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺(tái)儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)40米。GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)儀器組合起來(lái)，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用。

第四類(lèi)：VXI總線(xiàn)方式虛擬儀器

VXI總線(xiàn)是一種高速計(jì)算機(jī)總線(xiàn)VME總線(xiàn)在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠(chǎng)家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，組建VXI總線(xiàn)要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。

第五類(lèi)：PXI總線(xiàn)方式虛擬儀器

PXI總線(xiàn)方式是PCI總線(xiàn)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(xiàn)的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線(xiàn)，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線(xiàn)。PXI的高度可擴(kuò)展性。PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3~4個(gè)擴(kuò)展槽，通過(guò)使用PCI—PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線(xiàn)面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將形成未來(lái)的虛擬儀器平臺(tái)。

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

GPIB 于1978年問(wèn)世，VXI于1987年問(wèn)世，PXI于1997年問(wèn)世。

二、PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價(jià)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(wèn)世，并行口方式于1995年問(wèn)世，串口USB方式于1999年問(wèn)世。

綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個(gè)重要因素。①計(jì)算機(jī)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