［摘　要］介紹了虛擬儀器這一新技術(shù)在計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域中的應(yīng)用，描述了建立虛擬儀器的一般過(guò)程、特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)國(guó)際上幾種著名的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件作了評(píng)述。

［關(guān)鍵詞］　測(cè)控系統(tǒng)；虛擬儀器；軟硬件

1　引 言

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)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚摗⑿碌臏y(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。在這種背景下，美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Corporation，簡(jiǎn)稱NI）在20世紀(jì)80年代最早提出虛擬儀器（Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI）的概念。虛擬儀器這種計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)同和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)近幾年的應(yīng)用需求急劇高漲。因此，虛擬儀器的產(chǎn)生是測(cè)控領(lǐng)域的一次革命。

2　虛擬儀器的基本概念、特點(diǎn)及其構(gòu)成

所謂虛擬儀器，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義、具有虛擬前面板、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。其基本思想就是在測(cè)試系統(tǒng)或儀器設(shè)計(jì)中盡可能地用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”。簡(jiǎn)而言之VI系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的。用戶可以通過(guò)友好的圖形界面（這里稱作虛擬前面板）操作計(jì)算機(jī)，如同操作功能相同的單臺(tái)傳統(tǒng)儀器一樣。虛擬儀器具有以下特點(diǎn)：

①　在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能。

②　儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來(lái)定義的，而不是事先由廠家定義好的。

③　儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)更新，而不需購(gòu)買新的儀器。

④　研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。

⑤　虛擬儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)。

與傳統(tǒng)非數(shù)字化儀器相比，虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于用戶自定義儀器功能、結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活以及其開放性。

虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。其中，硬件接口模塊可以包括插入式數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）、串／并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其它接口卡。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。在這里，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2．1　虛擬儀器的硬件構(gòu)成

如圖2—1所示，虛擬儀器的硬件構(gòu)成有多種方案，通常采用以下幾種：

（1）基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)

這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW（或LabWindows／CVI）相結(jié)合，通過(guò)A／D變換將模擬、數(shù)字信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等，并可通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)反饋控制。根據(jù)需要還可加入信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)DSP等硬件模塊。

（2）基于通用接口總線GPIB接口的儀器系統(tǒng)

GPIB（General Purpose Interface Bus）儀器系統(tǒng)的構(gòu)成是邁向虛擬儀器的第一步，即利用GPIB接口卡將若干GPIB儀器連接起來(lái)，用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能，組織大型柔性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，技術(shù)易于升級(jí)，維護(hù)方便，儀器功能和面板自定義，開發(fā)和使用容易。它可高效靈活地完成各種不同規(guī)模的測(cè)試測(cè)量任務(wù)。利用GPIB技術(shù)，可由計(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，排除人為因素造成的測(cè)試測(cè)量誤差。同時(shí)，由于可預(yù)先編制好測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，提高了測(cè)試效率。

（3）利用VXI總線儀器實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)

VXI（VMEbus ExtensionforInstrumentation）總線為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個(gè)更為廣闊的發(fā)展空間。VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線———VME（VersaModule Eurocard）總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。由于其標(biāo)準(zhǔn)開放、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便靈活，已越來(lái)越受到重視。它便于組織大規(guī)模、集成化系統(tǒng)，是儀器發(fā)展的一個(gè)方向。

（4）基于串行口或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)

將某些串行口儀器和工業(yè)控制模塊連接起來(lái)，組成實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。將帶有RS－232總線接口的儀器作為I／O接口設(shè)備通過(guò)RS－232串口總線與PC計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)，目前仍然是虛擬儀器的構(gòu)成方式之一。當(dāng)今，PC計(jì)算機(jī)已更多地采用了USB總線和IEEE1394總線。

2．2　虛擬儀器的軟件體系構(gòu)成

構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定以后，就可通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。沒有一個(gè)優(yōu)秀的控制分析軟件，很難構(gòu)成一臺(tái)理想的虛擬儀器系統(tǒng)。根據(jù)VPP（VXIPlug＆Play）系統(tǒng)規(guī)范的定義，虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)