虚拟仪器技术的构成及发展趋势

虚拟仪器技术的构成及发展趋势

摘要：上个世纪80年代，美国NI公司的划时代产品LabVIEW诞生，并随后提出“软件就是仪器”的口号，从而开辟了“虚拟仪器技术”的全新测量概念，成为现代测试技术的发展方向。本文介绍了虚拟仪器技术的定义、特点，构成、以及虚拟仪器系统的发展过程和今后的发展趋势。

关键词：虚拟仪器计算机 LabVIEW I/O 测试技术

1.引言

虚拟仪器简称VI(Visual Instruments)，是电子测量技术与计算机技术深层次结合的新一代电子仪器。虚拟仪器就是利用计算机及其测控系统实现传统仪器的功能，并在计算机屏幕上模拟传统仪器的操作面板，实现人机交互，使得人们在操作计算机的同时就像操作自己设计的仪器一样。虚拟仪器要比传统的电子仪器更为通用，在组建仪器、确定功能和技术更新等方面更为灵活、更为经济，更能适应故障诊断技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新、扩展功能和提高性能的要求。

任何测量与控制都离不开仪器仪表,传统的测量仪器模式为:独立的机箱；有面板操作键和旋钮,有信号的输入与输出端口,有测量结果的显示方式，即指针、表头或数码管窗口等。以往的仪器包括电子测量仪器、分析仪器、生化仪器、医疗电子仪器等称为传统仪器，它的功能和技术指标是由生产厂家定义好的，用户基本上是被动地操作和使用。计算机机技术的出现和发展，从根本上影响和改变着仪器技术的发展。由于计算机可以通过其扩展槽、接口板和装置仓等与外部仪器或设备相连接，使外部仪器设备可以共享其丰富的软件资源，这样就大大增加了仪器的功能，提高了仪器的性能。通过计算机扩展槽或接口板等装置，把计算机的软件资源和硬件资源(数据采集板或模块)与外部的仪器设备连接起来，形成了一类全新的测试仪器设备，人们称这样一种全新的仪器设备为“虚拟仪器”。

2.虚拟仪器的定义及特点

2.1 虚拟仪器的定义

仪器的基本功能就是:信息采样控制、信息分析处理、信息指示表达。传统仪器在实现这三大功能时,是以固化的电路结构来完成的,其专业性很强,用户无法改变仪器的测量功能,因此测量功能单一,使用场合狭窄,从采样、分析、到数据处理全部由人工操作,效率低,可靠性差。如果将上述三大功能块放在计算机上, 充分利用计算机的软件P硬件优势, 就可实现数据的自动采集、分析和处理,达到传统仪器所达到的效果,这种方式突破了传统仪器在测量速度、测量功能以及适应范围的局限,并且给用户拓展了想象空间。用户可根据实际测量需求,随意修改软件或增添硬件,设计自己的测量系统,达到一机多用的功效。

由于传统仪器的采样、分析和处理分别由计算机硬件和软件完成,从而以往我们所看到的测量仪器实体现仅被一台通用型的计算机所代替,测量者面对的操作仪器就是一台计算机。计算机内部安装的数据采集卡的作用就是实现信息采样和传输,测量者可通过自行编制的应用软件对被测信息进行分析处理,并按测量者的意愿(显示或打印)输出测量结果。整个测量过程仅仅是通过对计算机屏幕上生成的仪器面板的操作而完成的。

综上所述,虚拟仪器的定义可为:通用计算机加上一组软件和硬件,通过鼠标或键盘操作,实现测量功能,达到传统仪器所达到的测试效果。

2.2 虚拟仪器的主要特点

2.2.1 性能高

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，工程师在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

2.2.2 扩展性强

虚拟仪器的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。由于虚拟仪器软件的灵活性，用户只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个测试系统。在利用最新科技的时候，就可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

2.2.3 开发时间少

在驱动和应用两个层面上，虚拟仪器高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。方便了用户的操作，使用户可以轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

2.2.4 系统的开放性强

虚拟仪器具有与其它设备互联的能力,如可通过与网络或其它高档外设的连接,实现对现场的监测和管理,这种互联能力使测控系统的功能显著增加, 应用领域明显扩大。

2.2.5 无缝集成

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性，如图1所示。

图1 IDM V304

2.2.6 性价比高

虚拟仪器之所以能达到一机多用的功效,是由于它测量功能的设置极为方便, 技术更新周期短,系统组建时间少,同时由于测量时完全采用数字化,降低了环境干扰和系统误差的影响,从而节省了硬件环节，也减少了测试系统的开发成本和维护成本, 所以经济实用。

虚拟仪器的特点远不止上述几点,它的实用性、开放性、可靠性均有很大的优势,毫无疑问,虚拟仪器是现代电子技术发展的必然,是未来测控领域的中坚。

3.虚拟仪器系统构成

目前虚拟仪器系统的基本构成为数据采集系统、GPIB仪器控制系统、VXI计算机总线系统以及三者之间的任意组合。系统框图如图2:

图2 虚拟仪器系统构成框图

从系统框图中可见,虚拟仪器主要组成部分为硬件和软件两类。硬件是基本的框架, 是系统的支撑,软件是仪器的灵魂,是系统运作的关键,下面就两部分分别给予介绍。

3.1 虚拟仪器的硬件系统

在以计算机为核心组成的硬件平台支持下，可以通过不同测试功能模块的组合，来实现仪器的多种测控功能。计算机与外界的通信主要通过对外通信接口(如RS232C，GPIB，1394等)、信号转换功能(如A/D，D/A，I/O卡等)以及总线通信(如VXI，PXI)等来实现的，本文主要列举下列六种类型加以简单说明。

(1)RS232C串口通信接口串口通信是以Serial标准总线的仪器，具有独立的通信功能，实现计算机的串口通信实现数据交换。尽管RS232C总线是PC机早期采用的通用串行总线，但由于其传输简单、便利，所以至今仍然适用于传输速率较低的虚拟仪器或测试系统。

(2)GPIB总线接口GPIB总线主要是将带有GPIB接口的仪器，通过GPIB总线与计算机通信，实现数据交换。GPIB仪器是以GPIB总线标准的仪器，具有独立的仪器功能。GPIB为8位并行传输，所以传输速率比串口通信效率高，速度快。目前正在使用的传统测量仪器产品中，许多带有GPIB接口总线，所以只要将计算机冲入GPIB接口板，就可与之通信。但8位并行仪器总线的传输速率和传输距离还是

有限，已经跟不上当今大规模自动测试系统的需求。

(3)USB和1394接口USB接口是Inter、Microsoft等大厂商为解决计算机外设种类的Et益增加，与有限的主板插槽和端口之间的矛盾，而设计的一种通用串行总线接口。USB设备具有较高的数据传输率(目前流行的USB2.0，速度可达480Mbps)、使用灵活、易扩展等优点。计算机上的1394接口原为采集数字摄像机图像而设计的，它与USB是两代标准，其通信速率可达400Mbps，比最快的USB通信速率快8倍多，所以近来也出现一些利用1394接口来进行数字信号传输的。

(4)A/D和D/A接口板A/D指模拟量与数字量转换，实现外部模拟信号输入计算机；D/A指数字量与模拟量转换，实现计算机控制信号的输出。A/D和D/A接口板早期为计算机内置插板式，即将接口板插入计算机的PCI或ISA插槽或笔记本电脑的PCMA插槽中；后来出现一些并口数据采集板，即将接口板连接在计算机外部的并口上，易于拆卸方便用户；目前发展较快的是远端串口模块和USB接口的数据转换模块。所有上述各种方式，都是将外部模拟信号与计算机的数字信号进行相互转换。

(5)I/O接口板I/O指计算机的数字量输入输出，以实现外部数字信号输入计算机或计算机控制信号的输出。与A/D和D/A接口板雷同，I/O板早期为计算机内置插板式，后来出现一些并口I/O板，近来大力发展的是远端串口I/O模块和USB 接口的I/O模块。

(6)PXI系统和VXI模块PXI系统是以PXI标准总线模块，是PCI总线的扩展，完成某些特定的功能，通过PXI总线与计算机交换数据。VXI模块是以VXI总线标准的功能模块，单独集成在VXI标准箱内，完成某些特定的功能，通过VXI总线与计算机实现数据交换。VXI模块以其高速和高可靠性来满足当代科学技术发展的测试要求，成为世界各国开发虚拟仪器最重视的开发对象。

上述板卡、模块或仪器，与传感器和计算机组成完整的虚拟仪器系统。计算机可以是台式计算机或工作站，也可以为便携的笔记本电脑。最终用各种实用化的计算机软件来实现各种特定的功能。

3.2 虚拟仪器的软件系统

虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的软、硬件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化(虚拟化)，从而最大限度地降低系统成本，增强系统的功

能和灵活性。所以软件是虚拟仪器的关键。“软件即是仪器”已成为事实并为多数人所接受，因为随着计算机和软件技术的发展，在现代仪器中和自动测试系统中，软件的投资占有的比例越来越大，远远大于硬件投资，有的甚至占到70%-80%以上。

3.2.1软件开发平台

虚拟仪器的开发环境主要有VisualC++，VisualBasic，LabVIEW等。虚拟仪器的重要组成部分是软面板，它是代表虚拟仪器的整个驱动软件，因此，软面板的水平在很大程度上代表了虚拟仪器的水平。

VC、VB等软件是可视化的开发编程工具，它们对开发人员的编程能力要求很高，且开发周期长。LabVIEW是专业化图形编程软件，能把复杂的语言编程简化成用简单图标提示的方法表示，从而使原本不太熟悉编程的技术人员都可以按照测试要求和任务，快速地编出自己的程序，“画”出仪器面板，提高了工作效率，因此LabVIEW是一种比较优秀的、可首选的虚拟仪器软件开发平台。

美国国家仪器公司NationalInstruments(简称NI)在开发、推广图形化编程技术方面进行了许多卓有成效的努力，NI的虚拟开发平台LabVIEW是建立在Windows基础上的图形化仪器开发系统。用LabVIEW建立的软面板，其界面友好、形象逼真、操作简单直观，与传统文本语言相比，用LabVIEW编程易学易懂省时省力，可以节省大量系统开发时间，即使对于没有文本语言基础的非软件工程师来说，也可以很快学习、掌握并应用来开发虚拟仪器，是一个完全的开放的仪器开发系统。利用它可以构成任意形式的虚拟仪器，如GPIM、VXI、PXI、串行系统、PLC和插入式数据采集系统等，并可通过互联网与其他数据源连接进行动态数据交换。

LabVIEW分析库大约有230多个数据分析和数学计算库函数，包括测量、信号生成、窗12I、滤波、统计、信号处理、吐线弥合、线性代数等，这使得LabVIEW 具有强大的分析和计算功能，加上与其配套的一系列工具软件，使LabVIEW几乎可以构成任何复杂的虚拟仪器，并可进行任何复杂的分析计算，比如图像的采集和分析，而这在常规文本语言下普通人是难以完成的工作。

NI的虚拟开发平台LabVIEW作为国际上最早的编译型图形化编程语言，把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能(图形)并用

线条把各种功能(图形)连接起来的简单图形编程方式。

LabVIEW中编写的源程序，很接近程序流程图。LabVIEW中的程序调试方法也很简单，程序调试的数据探针工具最具典型性。在程序调试运行时，可在程序的任意位置插入任意多的数据探针，检查任意一个中间结果。增加或取消一个数据探针，只需要轻轻点两下鼠标即可。

3.2.2仪器驱动程序

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集，它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码形式提供给用户，用户在更换仪器硬件的同时必须修改测试代码，这样使用起来比较麻烦。有一种可互换虚拟仪器标准IVI，使程序的开发完全独立于硬件。IVI驱动器通过一个通用的类驱动器实现对一种仪器类(如示波器、数字电压表、函数发生器等)的控制。应用程序通过调用类驱动器，类驱动器再通过专用的驱动器与物理的仪器通信。采用IVI技术，可以明显降低成本，减少系统停运时间，提高测试代码的可重用性，使仪器编程直接面对操作用户，通过提供友好的操作界面和丰富的数据分析与处理功能，来完成自动检测任务。

3.2.3 I/O接口软件

I/O接口软件用于处理计算机与仪器硬件间连接的低层通信协议，它是虚拟仪器系统软件的基础。当今优秀的虚拟仪器测试软件都建立在一个标准化(I/O)接口软件组件的通用内核之上，能为用户通过跨计算机平台的应用编程接口，也能为其测试系统选择更多不同的仪器设备。

3.2.4 通用数字处理软件

虚拟仪器的应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件主要包括用来对数字信号进行处理的功能函数，如时域分析过程中的相关分析、卷积运算、差分运算等，频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT等，以及数字滤波等.这些功能函数为广大虚拟仪器用户进一步扩展其测试功能提供了必要的基础。

4.虚拟仪器的发展过程及未来趋势

4.1 虚拟仪器的发展过程

仪器技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们

被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴含的巨大潜力，使发达国家趋之若鹜，在这一领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的带动下率先进入信息时代，而把工业时代远远地抛在后面。20世纪80年代首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分，它已成为发达国家研究开发的热点技术之一。

虚拟仪器是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合共同孕育出的一项美妙的新成果。自20世纪80年代以来，NI公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，特别是它推出的LabVIEW图形编程环境和LabWindows/CVl编程环境已享誉世界，成为这类新型仪器开发系统的世界生产大户。在NI公司之后，著名的美国惠普(HP)公司紧紧跟上推出了HPVEE编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机，用户可用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如Tektronix公司、Raeal公司等也相继推出了总线系统多达数百个品种的虚拟仪器。作为仪器领域中新兴的技术，虚拟仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。从20世纪90年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、天津大学、电子科技大学、西安电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化NI公司、HP公司的产品等方面做了一系列有益的工作，取得了一批瞩目的成果。虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们的仪器观。据《世界仪表与自动化》杂志报导，21世纪初，虚拟仪器的生产厂家超过千家，品种达到数千种，市场占有率将占到电测仪器的50%，这一预测对整个仪器仪表领域不仅是一次强烈的震憾，使从事电测仪器科学技术研究与开发的科学家和工程师们都看清了虚拟仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到在21世纪虚拟式仪器不仅将成为电测仪器的发展方向，而且必将取代实验室中的传统硬件化仪器，使成千上万种传统的硬件化仪器都演变成计算机软件，成为一系列有序的文件融入计算机中，那时有许多种类的仪器在广义上已不完全属于仪器领域的某些分支，而可以将它们看成是信息技术的本体。

虚拟仪器的一大特点便是具有集成性。如果将多种测试仪器的测试、虚拟式仪器库功能的形成过程(在传统仪器中由机内的各电子卡决定)软件化，用一个个

文件来表示一台台仪器的功能，这样便将多种仪器的测试分析功能集成于计算机内，这称为“测试集成”。同样，如果将仪器的面板控件也一一软件化后集成于机内，并使这些仪器的功能软件和控件软件在机内的“框架协议”软件平台上进行软装配、软调试，最后便形成一个多品种的虚拟仪器库。这时用户便可从仪器库中调用自己需要的仪器或由若干仪器组成的实验研究所需要的虚拟仪器系统。构造虚拟仪器的系统结构在“集成”的基础上，通过软件设计可构造虚拟仪器的功能模块(每个功能模块包括一种功能)和控件模块(每个控件模块包括一种控件)。

VI技术经过10余年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、硬/软件的模块化和编程平台的图形化和硬件模块的即插即用(Plug&Play)化等方向发展。目前VI技术已发展成具有GPIB、PC—DAQ、VXI和PXI四种标准体系的结构开放的技术。1998年NI公司又发布了虚拟硬件和可互换虚拟仪器的概念，其产品已经面市，IVI基金会也在1998年于美国成立，并颁布了相应的IVI技术规范。基于VXI技术开发应用完全独立于硬件，提高了程序代码的复用性，大大降低了应用系统的维护费用，必将成为测控技术的主要基础技术之一。

4.2虚拟仪器未来的发展趋势

随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，一些新的PC技术和数据采集技术逐渐应用到虚拟仪器中，虚拟仪器主要向以下几个方向发展。

4.2.1 外挂式虚拟仪器

PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等较麻烦，而且主机上PCI插槽数量有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全往往会造成很大的威胁，计算机内部的强电磁干扰也会对被测信号产生大的影响。外挂式虚拟仪器是将测量到的物理信号通过预处理，转换为所需的数字信号后，再由一根串口线或者USB线传给计算机处理，这样既减少了板卡的装拆过程，也节约了计算机的系统资源，只需运行相配套的软件就可得到想要的结果。因此USB 接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。

4.2.2 PXI型高精度集成虚拟仪器开放式平台

对于测试系统，现在比较先进I/O总线技术主要是VXI总线和PXI总线。VXI

主要用于满足高端自动化测试应用的需要，但是它基于过时的VME总线，而现代计算机不支持这种总线结构，所以它不能利用PC技术的优势，从而也不能将主流软件的支持、低成本、高性能等好处带给最终用户。

而PXI平台基于PCI，所以它固有PCI的一些优点：较低的成本，不断提高的性能，以及为最终用户提供主流软件模型。PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。

PXI平台可以简单地将不同的测试设备整合到一个共同的系统中，并对其进行修改或扩展，以满足测试系统不断变化的需要。开放式的PXI平台将工业标准科技如Compact/PCI、Windows操作系统与嵌入式的触发结合在一起，提供一个比PC计算机更耐用、更具有确定性的系统。PXI虚拟仪器具有良好的可扩展性、兼容性和性价比，所以它将成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台，并使虚拟仪器的功能向智能检测系统发展。

4.2.3 网络化虚拟仪器

虚拟仪器技术融合了PC技术及网际网络技术，便产生了网络化虚拟仪器。网际网络的潮流将资料共享带入了一个新的阶段，加速了虚拟仪器的网络技术及远程监控技术的发展，而这些技术是传统独立仪器不可能实现的。

尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，但NI 等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，可以方便地将虚拟仪器组成计算机网络。虚拟仪器技术利用网际网络的功能，将分散在不同地理位置、不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，不仅让人们能够轻而易举地得到自己需要的测试数据，还能带来巨大的效益。所以，网络化虚拟仪器将会在科学技术的各个领域中具有极其广泛的应用前景。

网络化虚拟仪器利用网络技术将来自测量或控制设备中的资料直接传送到Web网页上，或是用掌上型的数字工具读取资料，甚至还可以将数据传输到手机上。使用虚拟仪器技术，可以使用网际网络的强大功能远距离控制仪器设备，或是与远在其他办公地点甚至其他国家的同事合作处理一个项目。

由此可见，计算机和现代仪器已相互包容，计算机网络也就是通用的仪器网

络，“网络就是仪器，，的概念确切地概括了仪器的网络化发展趋势。计算机技术、传感器技术、网络技术与测量、测控技术的结合，使网络化、分布式测控系统的组建更为方便，以Internet为代表的计算机网络技术的迅速发展及相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大，应用更广。

5.结束语

虚拟仪器设计已经成为测试与仪器技术发展的一个重要方向。随着高速AD 芯片和电路的进一步集成化，可以设想在不远的将来，一台安装有虚拟仪器软件的标准微机成为一个多功能的测量仪器站，从根本上改变目前专用仪器的研制和生产方式，具有广阔的应用前景和巨大的潜在经济效益。

虚拟数字示波器不仅能够实现一般通用数字示波器的功能，而且充分发挥了计算机的强大功能和LabVIEW 在仪器开发方面的灵活性，用户可根据需要增加仪器的功能，根据自己的喜好设计示波器界面，同时可利用网络进行远程测量，做到硬件资源和测试数据的共享。该系统具有实际的应用价值，开放化，虚拟仪器技术结合网络技术，可实现以软件设计为核心的自动测试系统，使现代化测试向智能化、系统化和网络化发展。

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