1、虛擬儀器概述摘 要 本文從虛擬儀器的起源、發展入手，介紹了虛 擬儀器的功能，比較了虛擬儀器與傳統儀器的不同，簡單的 介紹了虛擬儀器設計技術。本文還從市場出發對虛擬儀器的 配置做了具體闡述。關鍵詞 虛擬儀器 設計 配置 儀器是人類認識世界的基本工具。隨著信息時代的來 臨，傳統儀器已不能滿足科技以及社會生產的需要。計算機 和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向。粗略地 說這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型 的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大 以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前 已經出現含嵌入式系統的儀器。另一種方式是將儀器裝入計 算機。以通

2、用的計算機硬件及操作系統為依托，實現各種儀 器功能，這就是所謂的虛擬儀器( virtualinstruments )。它通 過充分利用計算機資源，配以獨特設計的軟硬件，來實現傳 統儀器的全部功能和一些在傳統儀器上無法實現的功能。一、儀器的發展 隨著電子技術的發展，儀器的發展經歷了四個時期：1、第一代儀器：模擬儀器。如指針式萬用表、晶體管 電壓表，它們均采用模擬電子技術實現，用指針顯示測量結果。2、第二代儀器：數字化儀器。如數字電壓表、頻率計 等。可將模擬信號轉化為數字信號進行測量，結果以數字方 式輸出。3、第三代儀器：智能儀器。智能儀器內置微處理器， 能自動測量，具有一定的數據處理能力。4、第

3、四代儀器：虛擬儀器。是現代計算機技術和測量 技術結合的產物。二、虛擬儀器與傳統儀器的比較 獨立的傳統儀器，如示波器和波形發生器等，雖性能強 大，但價格昂貴， 且功能被廠家限定， 只能完成特定的工作， 用戶通常都不能夠對其加以擴展或自定義其他功能。開發這 些儀器還要用專門的技術和高成本的元部件，使它們身價高 也不容易更新。我們把虛擬儀器與傳統儀器進行了比較，比 較結果如表 1 所示。表1 傳統儀器與虛擬儀器的比較從表 1 中可見，傳統儀器與虛擬儀器最重要的區別在于： 虛擬儀器的功能由用戶使用時自己定義，而傳統儀器的功能 是由廠商事先定義。從這一意義上講，那些功能固定的插卡 式計算機儀器不能稱作虛

4、擬儀器。目前作為計算機化儀器的 一個重要發展方向是制定了 VXI 標準，這是一種插卡式的儀 器，每一種儀器是一個插卡，但這些卡式儀器本身都沒有面 板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機屏幕上出現。這些卡 插入標準的 VXI 機箱， 再與計算機相連， 就組成了一個測試 系統。三、虛擬儀器設計方案下面的框圖 1 反映了常見的虛擬儀器設計方案。圖 1 虛擬儀器方案圖 2 是常見的虛擬儀器總框圖，其中硬件部分為 DAQ 板卡，軟件部分包括儀器驅動程序以及用 LabVIEW 編寫的 應用程序。圖 2 虛擬儀器總框圖從構成要素講， VI 系統是由計算機、 應用軟件和儀器硬 件組成的 ; 從構成方式講，則有以

5、DAQ 板和信號調理為儀器 硬件而組成的 PC-DAQ 測試系統，以 GPIB 、VXI 、Serial 和 Fieldbus 等標準總線儀器為硬件組成的 GPIB 系統、 VXI 系 統、串口系統和現場總線系統等多種形式。無論哪種 VI 系 統，都是將儀器硬件搭載到各種計算機平臺加上應用軟件而 構成的。四、虛擬儀器的應用 虛擬儀器技術經過十幾年的發展，而今正沿著總線與驅 動程序標準化、 硬 /軟件模塊化、 編程平臺的圖形化和硬件模 塊的即插即用方向進步。虛擬儀器技術在發達國家的推廣應 用十分普及，在電子測量領域、過程控制領域，以及與人們 的生活息息相關的許多其他領域。在國內，也有許多利用虛

6、擬儀器實現檢測、控制等功能的例子。表 2 虛擬儀器應用由表 2 可以看出，虛擬儀器已經逐漸被應用于人類生活 的各個領域。例如：1、在電子實驗領域中的應用 虛擬儀器最簡單的應用是代替獨立的儀器，如示波器、 函數發生器、萬用表等。用戶利用虛擬的函數發生器產生實 驗所需的激勵信號，利用虛擬的示波器測量實驗電路對激勵 信號的響應。兩種儀器通過窗口進行切換。2、在醫學領域中的應用 醫用泵是用來向病人輸液的設備，醫務人員通過它還可 獲得診斷信息，因此，對泵的精度有較高的要求。 IEC 提出 了一種較完善的測試標準 ;（ 1）測量輸液開始后的流速 ;（2） 測定不同時間間隔流速的相對變化。研發人員用虛擬儀器

7、軟 件 LabVIEW 開發了一套計算機化的自動測試系統來完成這 些工作，精度更高。3、在農業中的應用LabVIEW 圖形化用戶接口提供給農民一個總的狀態面 板。類似農民關心的不同領域， 如水箱水位， 泵和閥門狀態， 溫度、土壤濕度和性能等。這些參數能方便地用 LabVIEW 輸入和激勵 ;農民只要監測這個狀態面板，即可監測整個系統。五、虛擬儀器配置 國內外，虛擬儀器的概念已深入人心，也已成為各個高 校研究的方向。組建虛擬儀器系統可分為五個步驟：（1）選擇操作系統和軟件開發平臺。組建虛擬儀器時， 絕大多數會采用 Windows 系列操作系統， 開發軟件平臺可選 擇 Labview 、Labwindows/cvi 、 Agilent-VEE 、 VC 和 VB 等。（ 2）選擇總線形式和總線機箱。 總線可選擇 VXI 和 PXI（3）選擇機箱內嵌式或外置式計算機。內嵌式計算機 使虛擬儀器系統結構緊湊，外置式計算機成本較低。（4）選擇儀器模塊。根據實際需要，從模塊化儀器供 應商處采購各種儀器模塊。（5）選擇信號調理模塊和自制專用模塊。當信號特殊 時，還需自制部分信號