虛擬儀器技術的新進展

韓春曉

（長春理工大學,吉林 長春 130022）

1 虛擬儀器的組成和分類

（1）虛擬儀器的組成。所謂虛擬儀器，就是通過軟件使計算機和傳統的儀器硬件設施結合起來，用戶可以根據自己的需求，通過虛擬界面來操控的儀器。虛擬儀器主要由三個部分組成，即高效的軟件，模塊化的I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺。其中，軟件是整個虛擬儀器的核心部分，要想實現虛擬儀器運行過程的自動化，必須要有高效的軟件作為支撐，使用高效的軟件，能在很大程度上提高虛擬儀器的性能。模塊化的I/O硬件，使各種硬件設施能夠靈活地進行組合，實現測量系統的自定義，從而滿足不同用戶的需求。用于集成的軟硬件平臺是目前虛擬儀器實現自動化的測量、測試等應用的標準平臺，其構架具有開放性、靈活性的特點，且該平臺在成本上具有很大的優勢。

（2）虛擬儀器的分類。根據微機的發展以及總線方式的不同，我們可以將虛擬儀器分為五種類型，即PC總線-插卡型虛擬儀器、并行口式虛擬儀器、GPIB總線式虛擬儀器、VXI總線式虛擬儀器和PXI總線式虛擬儀器。PC總線-插卡型虛擬儀器是將數據卡和一些專用的軟件插入計算機，通過插入的數據卡和軟件來實現各種儀器的組建；并行口式虛擬儀器是通過將所有的儀器硬件集成到一個采集盒內來實現儀器的各種功能；GPIB總線式虛擬儀器目前已經發展為大規模的自動化測試，主要用于高精度、低速度的測量；VXI總線式虛擬儀器是高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，主要用于高精度、高速度的測量，但是該類儀器成本過高限制了其發展；PXI總線式虛擬儀器是將PIC總線內核技術與多板同步觸發總線技術的規范和要求結合發展而來，也是未來VI平臺發展的方向。

2 虛擬儀器的優勢和應用

（1）虛擬儀器的優點。虛擬儀器與傳統儀器進行比較，具有很多方面的優點。首先，虛擬儀器的性能比傳統儀器的性能高，用戶可以根據自己的需求對虛擬儀器進行定義來滿足特定的要求。其次，虛擬儀器具有很強的擴展空間，因為組成虛擬儀器的硬件和軟件都具有一定的靈活性，且組成結構具有開放式的特點，因此虛擬儀器可以進行靈活的組裝，實現功能或其他方面的擴展。再次，傳統的儀器技術更新周期很短，所以對傳統儀器進行維修和開發的費用很高，而虛擬儀器由于其靈活性，更新周期較長，一般為一到兩年，從而降低了軟硬件開發和維修的費用，同時，虛擬儀器可以進行系統升級，通過系統升級即可以實現軟件的更新。除了以上優點以外，虛擬儀器的操作界面比傳統儀器的更為簡潔明了，有利于用戶的操作，虛擬儀器的通用性以及遠程監控等特點，也使虛擬儀器受到很多用戶的歡迎。綜上所述，虛擬儀器較傳統儀器具有很多優勢，開發推廣虛擬儀器勢在必行。

（2）虛擬儀器的應用。目前，虛擬儀器被廣泛應用于各行各業，計算機網絡技術為虛擬儀器的發展提供了良好的基礎。在科研教學領域，將計算機技術與虛擬儀器技術結合起來，可以建成一個虛擬的仿真實驗室，在該實驗室可以對某些不方便實際操作的實驗項目進行仿真測試，再將計算機網絡技術與仿真實驗室結合，進一步形成一個網絡虛擬實驗室，使學員不受地域和時間的限制，隨時隨地進行科學實驗。目前，清華大學已經使用虛擬儀器技術構建汽車發動機檢測系統對汽車發動機進行出廠檢測。此外，虛擬儀器還被應用在航天、軍事、生物醫學、工廠生產等多個領域。

3 虛擬儀器技術新發展

（1）虛擬儀器的網絡化。計算機網絡技術的發展，為虛擬儀器技術開創了新天地，將網際網絡技術與PC技術結合起來，形成網絡化的虛擬儀器技術。網絡化的虛擬儀器技術使處于不同位置、不同功能的測試設備聯系起來，通過網絡來實現這些設備的共享，減少了硬件設備的重復投資。此外，利用網絡技術，不僅可以將測量設備中的資料直接上傳至網絡，還可以通過網絡對測試設備進行遠程的操作，為不同地區人員進行合作交流提供了很大的便利。

（2）硬件的虛擬化。隨著虛擬儀器技術的發展，硬件設備也朝著虛擬化的方向發展。用戶可以根據自己的特定要求，通過編程的方式來定義硬件的功能并改變相應的性能參數，使硬件的使用更加靈活方便。目前，市場上使用最為廣泛的虛擬硬件設備，其采樣率和精度都可以在滿足用戶的需求下進行重新定義，實現功能的改變。

（3）虛擬儀器的可互換性。在虛擬儀器中，軟件占據著舉足輕重的地位，因此對軟件進行開發研究，一直都是發展虛擬儀器技術的重中之重。虛擬儀器的可互換性[2]，即用戶可以根據自己的需要，將應用軟件從現處的平臺移植到另一個平臺上進行使用，實現了應用軟件的跨平臺使用。目前，相關研究人員已經開發出一種驅動器，該驅動器可以支持不同廠家生產的儀器，為虛擬儀器互換提供了可能。此外，IVI技術力圖開發一個驅動儀器的程序標準，從而為虛擬儀器互換提供一個框架，也使儀器編程簡便化。

（4）組件技術的發展。隨著用戶對虛擬儀器要求的不斷提高，在虛擬儀器技術中，軟件規模逐漸增大，所使用的測量設備的數量和種類也不斷增多，發展組件技術，實現軟件設備的“即插即用”，對虛擬儀器技術發展具有重大意義。組建技術的發展，可以實現軟件的最大化利用，縮短開發周期，降低維護的成本。目前，已經出現了COM/DCOM、javaBeans/EJB等組件標準，使組件技術進一步成熟。

虛擬儀器技術是儀器行業的一次重大變革，在很大程度上推動了儀器行業的發展。與傳統的儀器相比，虛擬儀器具有性能高、擴展性強、開發時間少以及無縫集成的優勢，為用戶提供更加快捷方便的服務。目前，虛擬儀器已經被應用在多個領域，并且不斷的創新發展，虛擬儀器的網絡化、可交換化，硬件的虛擬化以及組件技術的發展，將會將虛擬儀器技術帶入一片新的天地。