虛擬儀器概述

彭先進

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，還需自制部分信號調理模塊。

參考文獻：

[1]趙會兵.虛擬儀器技術規范與系統集成[M].清華大學出版社，北方交通大學出版社，2003.

[2]路林吉，饒家明.虛擬儀器講座[J].信息技術.2000.

[3]陜西海泰電子有限責任公司.VI技術.

（作者單位：襄陽職業技術學院）