虚拟仪器技术

8.3/虚拟仪器技术

随着微电子技术、计算机软硬件技术和通信技术的发展及其在测量仪器中的应用，推动了测试新理论、新方法及其新的仪器结构的发展。虚拟仪器就是基于计算机的、具有传统仪器功能的软件与硬件的组合体。虚拟仪器既具有软件的表现形式，又有实际仪器的功能和形式，因此用户可根据需求的变化，增减相应的软件、硬件或修改软件的方法，重新定义或配置出新功能的测量仪器。

通常传统测量仪器是一个能实现特定功能的独立硬件盒子，其功能在制造时就已确定（如示波器、信号发生器等），而基于相关技术的虚拟仪器，其物理硬件不必限定在同一盒子中，甚至可以分布在现场各处。虚拟仪器包含传统仪器的功能，允许用户自己定义所需功能，具有相当的灵活性和扩充性。

图8.18　虚拟仪器构成

虚拟仪器由仪器物理硬件、硬件接口和计算机上运行的虚拟仪器软件三部分构成，如图7.8所示。硬件接口部分可由数据采集卡、GPIB接口、并串行接口、VIX接口、LAN接口、现场总线接口等构成，主要负责信号的输入和输出；虚拟仪器的软件是核心、关键部分，用于实现对仪器硬件通信和控制，对信号进行分析处理，对结果进行表达和输出。

虚拟仪器具有结构简单、研制周期短、系统可扩充、维护方便、性能价格比好等特点，它与网络和外设的连接非常方便，有利于数据处理和数据共享。

1．虚拟仪器的主要技术

传统仪器由信号采集和控制、信号分析和处理、结果表达和输出三部分组成，虚拟仪器也不例外，它需要能实现信号采集和控制的插卡、接口等硬件支持，同时还需要能实现各种信号分析、处理，以满足多种测试功能的分析软件的支持。

（1）硬件技术

用于直接支持虚拟仪器的硬件有：

① 数据采集卡：是虚拟仪器最基本的功能部件，完成被测信号的采集。目前，由于采用了最新的ASIC设计和制造技术，利用即插即用（P&P），可方便、快捷地为用户建立数据采集控制应用系统。

② GPIB接口卡：利用GPIB接口可方便地将微机与电子仪器连接，以实现相互的数据通信。GPIB采用IEEE 488标准接口总线，1Mbps的通信速率可满足大部分场合的应用需求。在标准状态下，一块GPIB接口卡可连接14台仪器，以构成较复杂的虚拟仪器系统。

③ VXI接口：它是VME总线在仪器领域的扩展应用，能在仪器间实现精确的定时和同步。VXI接口采用IEEE 1155标准，通信速率可达40Mbps。VXI虚拟仪器将复杂仪器环境与现代计算机结构有机结合，使控制实时性大大提高。虚拟仪器软件体系（VISA）作为统一、规范的I/O接口标准，成了VXI P&P软件的基础，其独立、易于使用的I/O控制功能集与仪器类型、接口类型、操作平台、网络类型、编程语言无关，用户不必考虑底层I/O通信细节，这大大简化了编程过程，缩短了应用开发周期。

④ 现场总线技术：通过现场总线接口，可构成复杂的分布式虚拟仪器系统，它比传统的DCS系统更节约费用，更容易扩充。

⑤ LAN技术：通过LAN端口可实现虚拟仪器的联网，实现网络资源和数据的共享，通过LAN监视和控制远程设备。

（2）软件开发环境

虚拟仪器的软件需要软件开发工具和编程技术的支持，目前常用的虚拟仪器软件开发工具有Visual C++、C++Builder、Visual Basic、Delphi等，这些语言均可使用动态链接（DLL）技术和对象链接嵌入（OLE）技术将虚拟仪器软件嵌入到应用系统中，从而构成复杂的应用系统。

目前，有许多仪器厂商推出了自己的虚拟仪器开发平台，其代表产品有：

① LabVIEW：由美国NI公司开发的图形开发调试和运行程序环境，它为用户提供了简单直观、快速高效的编程平台，用户可通过类似流程图的形式构建自己的虚拟仪器，而不需用户编程。

② LabWindows/CVI：由美国NI公司开发的C程序交互式生成工具，它提供了所见即所得的图形界面编辑功能，六百多个源代码级仪器驱动程序，为精通C语言的人员提供了一种可简化程序开发、支持虚拟仪器软件编写的平台，并允许与Visual C++、Borland C++、WATCOM C或Symanter联用。

③ VEE 4.0：由HP公司提供的可视化编程语言，它大大提高了大型复杂系统的开发效率，支持Windows、HP-UX等不同平台，带有丰富的仪器支持模块和调用其他语言所开发的程序模块。

虚拟仪器是软硬件技术和诸多新技术相互结合的综合产物，它必将带来测试、监控、控制、信号等各个方面仪器的重大变革，是仪器发展的必然方向。

2．虚拟仪器软件

虚拟仪器的软件主要由硬件驱动程序、控制软件和图形化用户接口等三部分组成。

（1）硬件驱动程序

这是虚拟仪器软件的最底层部分，是真正对仪器硬件实现通信和控制的软件层，主要用于实现对测试信号的采集和控制。目前，驱动程序一般是按模块化和与设备无关性编写的，用户可方便地调用各种控制功能，避免了复杂的编程过程和重复开发。

（2）控制软件

控制软件用于实现对测试数据的分析、处理和管理（如存储、显示等），处于硬件驱动和图形化用户接口（GUI）之间。它将产生的数据和来自硬件的信息传给GUI，并接收GUI的数据和命令，完成对虚拟仪器的数据的分析和处理，通过驱动程序将用户命令传给硬件。

（3）图形用户接口

这是用户与虚拟仪器进行交互的模块，用于实现测试结果的正确表达和直观输出显示。它是面向用户设计的，提供有图形和数据显示控制功能以及受硬件控制的示意图等。

虚拟仪器的面板（人-机交互界面）设计应根据实际仪器面板和用户习惯，做好信息显示和控制按钮的设计，可通过交互界面的菜单功能和状态提示，尽可能给操作者提供有益的帮助信息和提示信息（如操作指导、问题解决方法等）。

3．虚拟仪器应用

目前，虚拟仪器的应用越来越广，在基于计算机的测试、测量、数据采集、监控、控制等方面占有重要的地位。虚拟仪器是计算机硬件、软件技术以及网络通信技术的有效集成，其中软件成了定义、构造虚拟仪器的核心，因此软件技术中的任何新方法都可不同程度地应用到虚拟仪器中，从而推动了测试领域的新技术的发展。