虛擬儀器是在電腦基礎上通過(guò)增加相關(guān)硬體和軟體構建而成的、具有視覺(jué)化介面的儀器。
虛擬儀器徹底打破了傳統儀器只能由生產(chǎn)廠(chǎng)家定義，用戶(hù)無(wú)法改變的局面，從而使得任何一個(gè)用戶(hù)都可以方便靈活地用滑鼠或按鍵在電腦顯示幕幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進(jìn)行測試工作，並可以根據不同的測試要求通過(guò)視窗切換不同的虛擬儀器，或通過(guò)修改軟體來(lái)改變、增減虛擬儀器系統的功能與規模。虛擬儀器具有的這種“可開(kāi)發(fā)性”和“可擴展性”等優(yōu)越特點(diǎn)使虛擬儀器具有強大的生命力和競爭力。
虛擬儀器技術(shù)由三大部分組成一、的軟體。軟體是虛擬儀器技術(shù)中zui重要的部分。使用正確的軟體工具並通過(guò)設計或調用特定的程式模組，工程師們可以地創(chuàng )建自己的應用以及友好的人機交互介面。NI公司提供的行業(yè)標準圖形化編程軟體---LabVIEW，不僅能輕鬆方便地完成與各種軟硬體的連接，更能提供強大的後續資料處理能力，設置資料處理、轉換、存儲的方式，並將結果顯示給用戶(hù)。此外，NI提供了更多互動(dòng)式的測量工具和更高層的系統管理軟體工具，滿(mǎn)足客戶(hù)對高性能應用的需求。二、模組化的I/O硬體。面對如今日益複雜的測試測量應用，NI提供了的軟硬體的解決方案。無(wú)論用戶(hù)是使用PCI、PXI、PCMCIA、USB或者是1394匯流排，NI都能提供相應的模組化的硬體產(chǎn)品，產(chǎn)品種類(lèi)從資料獲取、信號處理、聲音和振動(dòng)測量、視覺(jué)、運動(dòng)、儀器控制、分散式I/O到CAN介面等工業(yè)通信，應有盡有。NI高性能的硬體產(chǎn)品結合靈活的開(kāi)發(fā)軟體，可以為負責測試和設計工作的工程師們創(chuàng )建*自定義的測量系統，滿(mǎn)足各種獨特的應用要求。目前，NI已經(jīng)達到了每?jì)蓚€(gè)工作日推出一款硬體產(chǎn)品的速度，大大拓寬了用戶(hù)的選擇面。三、用於集成的軟硬體平臺。NI首先提出的專(zhuān)為測試任務(wù)設計的PXI硬體平臺，已經(jīng)成為當今測試、測量和自動(dòng)化應用的標準平臺，它的開(kāi)放式構架、靈活性和PC技術(shù)的成本優(yōu)勢，為測量和自動(dòng)化行業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)翻天覆地的變革。由NI發(fā)起的PXI系統聯(lián)盟現已吸引了68家廠(chǎng)商，聯(lián)盟屬下的產(chǎn)品數量也已激增至近千種。
1、硬體技術(shù)
1.1卡式儀器
傳統儀器主要由控制面板和內部處理電路組成；而卡式儀器自身不帶儀器面板，它必須借助電腦強大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對儀器的控制、資料分析和顯示。以資料獲取卡為例，它通常具有A/D轉換、D/A轉換、數位I/O和計數器/計時(shí)器等功能，有些還具有數位濾波和數位信號處理的功能?，F在的多功能資料獲取卡多採用了“虛擬硬體（VirtualHardware，簡(jiǎn)稱(chēng)VH）的技術(shù)，它的思想源於可編程器件，使用戶(hù)通過(guò)程式能夠方便地改變硬體的功能或性能參數，從而依靠硬體設備的柔性來(lái)增強其適用性和靈活性。目前市面上的VH，其採樣率和精度都是可變的。
由於卡式儀器與電腦結合緊密，能夠充分利用已有的電腦資源，較之傳統儀器成本更低廉、使用更靈活、性能更強，因此它是一種極具潛力的儀器種類(lèi)。
1.2匯流排技術(shù)
1.2.1儀器匯流排
GPIB匯流排（即IEEE488匯流排）是一種數位式平行匯流排，主要用於連接測試儀器和電腦。
該匯流排zui多可以連接15個(gè)設備（包括作為主控器的主機）。如果採用高速HS488交互握手協(xié)定，傳輸速率可高到8MBps。
VXI匯流排（即IEEE1155匯流排）是一種高速電腦匯流排—VME匯流排在儀器領(lǐng)域的擴展。它是在1987年，由五家測試和儀器公司（Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments）制訂的儀器匯流排標準。VXI匯流排具有標準開(kāi)放、結構緊湊、資料吞吐能力強，zui高可達40MBps，定時(shí)和同步精確、模組可重複利用、眾多儀器廠(chǎng)家支援的特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應用。不過(guò)，由於價(jià)格較高，推廣應用受到一定限制，主要集中在航空、航太等國防軍工領(lǐng)域。
PXI匯流排是以CompactPCI為基礎的，由具有開(kāi)放性的PCI匯流排擴展而來(lái)（NI公司於1997年提出）。PXI匯流排符合工業(yè)標準，在機械、電氣和軟體特性方面充分發(fā)揮了PCI匯流排的全部?jì)?yōu)點(diǎn)。PXI構造類(lèi)似於VXI結構，但它的設備成本更低、運行速度更快，體積更緊湊。目前基於PCI匯流排的軟硬體均可應用於PXI系統中，從而使PXI系統具有良好的相容性。PXI還有高度的可擴展性，它有8個(gè)擴展槽，而臺式PCI系統只有3～4個(gè)擴展槽。PXI系統通過(guò)使用PCI-PCI橋接器，可擴展到256個(gè)擴展槽。PXI匯流排的傳輸速率已經(jīng)達到132Mbps（zui高為500Mbps），是目前已經(jīng)發(fā)佈的zui高傳輸速率。因此，基於PXI匯流排的儀器硬體將會(huì )得到越來(lái)越廣泛的應用。
1.2.2電腦匯流排
ISA匯流排是一種8位元或16位元非同步資料匯流排，工作頻率為8MHz，zui高資料傳輸率在8位時(shí)為24MBps，16位時(shí)為48MBps。這種匯流排對於低速資料採樣與處理來(lái)說(shuō)是有效的，但對於基於高性能PC機的多工作業(yè)系統和高速資料獲取系統來(lái)說(shuō)，ISA匯流排由於其帶寬、位數等的限制，故不能滿(mǎn)足系統工作的要求。新型主板和高版本作業(yè)系統已不再支援ISA匯流排。
PCI匯流排是一種同步的獨立於CPU的32位元或64位元區域匯流排，時(shí)鐘頻率為33MHz，資料傳輸率高達132～264MBps，PCI匯流排技術(shù)的無(wú)限讀寫(xiě)突發(fā)方式，可在一瞬間發(fā)送大量資料。PCI匯流排上的週邊設備可與CPU併發(fā)工作，從而提高了整體性能。PCI匯流排還有自動(dòng)配置功能，從而使所有與PCI相容的設備實(shí)現真正的“即插即用”（plug&play）。PCI匯流排由於上述優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應用，已成為PC工業(yè)的事實(shí)標準。
USB通用串列匯流排（Universalserialbus）和IEEE1394匯流排（又叫Fireware匯流排）是被PC機廣泛採用的兩種匯流排，它們已被集成到電腦主板上。
USB匯流排能以雛菊鏈方式連接127個(gè)裝置，需要一對信號線(xiàn)及電源線(xiàn)。USB2.0標準的資料傳輸率能達到480Mbps。該匯流排具有輕巧簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、連接方便快捷的特點(diǎn)，現在已被廣泛用於寬頻數位攝像機、掃描器、印表機及存儲設備。IEEE1394匯流排是由蘋(píng)果公司於1989年設計的高性能串口匯流排，目前傳輸速率為100、200、400Mbps，將來(lái)可達3.2Gbps。這種匯流排需要兩對信號線(xiàn)和一對電源線(xiàn)，可以用任意方式連接63個(gè)裝置，它是專(zhuān)為需要大資料量串列傳送的數碼相機、硬碟等設計的。
USB及IEEE-1394匯流排均具有“即插即用”的能力，與平行匯流排相比，更適合於連接多外設的需要。
1.2.3工業(yè)現場(chǎng)匯流排
為了共用測試系統資源，越來(lái)越多的用戶(hù)正在轉向網(wǎng)路。工業(yè)現場(chǎng)匯流排是一個(gè)網(wǎng)路通訊標準，它使得不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品通過(guò)通訊匯流排使用共同的協(xié)定進(jìn)行通訊?，F在，有很多現場(chǎng)匯流排標準，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它們競爭非常激烈。通用現場(chǎng)匯流排的發(fā)展需要一段時(shí)間。
1.3虛擬儀器系統組建方案
虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過(guò)各種不同的介面匯流排，組建不同規模的自動(dòng)測試系統。虛擬儀器系統按硬體構成方式，可有以下幾種組建方案：
（1）GPIB儀器通過(guò)GPIB介面卡與計算機組成GPIB系統。
（2）VXI儀器與計算機組成VXI系統。
（3）PXI儀器組成PXI系統。
（4）以DAQ和信號調理部分為硬體組成PC-DAQ測試系統。
（5）平行匯流排儀器組成平行匯流排系統。
（6）串列匯流排儀器組成串列匯流排系統。
（7）現場(chǎng)匯流排設備組成現場(chǎng)匯流排系統。
一般來(lái)說(shuō)，GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測試系統；PC-DAQ、並行口式、串列口式（如USB式）系統適合普及型的廉價(jià)系統；現場(chǎng)匯流排系統主要用於大規模的網(wǎng)路測試。有時(shí)，可以根據不同需要組建不同規模的自動(dòng)測試系統，也可以將上述幾種方案結合起來(lái)組成混合測試系統。
2、軟體技術(shù)
軟體是虛擬儀器的關(guān)鍵，以下介紹虛擬儀器應用軟體的開(kāi)發(fā)平臺、儀器驅動(dòng)程式以及I/O介面軟體。
2.1軟體發(fā)展平臺
虛擬儀器的開(kāi)發(fā)環(huán)境主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。VC、VB、LabWindows/CVI雖然是視覺(jué)化的開(kāi)發(fā)工具，但它們對開(kāi)發(fā)人員的編程能力要求很高，而且開(kāi)發(fā)週期較長(cháng)。HPVEE是一個(gè)基於圖形的虛擬儀器編程環(huán)境，擁有較多的用戶(hù)，缺點(diǎn)是其生成的應用程式是解釋執行的，運行速度較慢。
LabVIEW是目前國際上*的基於資料流程的編譯型圖形編程環(huán)境，它把複雜、煩瑣、費時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用簡(jiǎn)單或圖示提示的方法選擇功能（圖形），並用線(xiàn)條把各種圖形連接起來(lái)的簡(jiǎn)單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測試要求和任務(wù)快速“畫(huà)”出自己的程式，“畫(huà)”出儀器面板，這大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術(shù)人員的工作量，因此，LabVIEW是一種優(yōu)秀的虛擬儀器軟體發(fā)展平臺。
2.2儀器驅動(dòng)程式
儀器驅動(dòng)程式是測試系統中zui重要的組成部分之一，用來(lái)實(shí)現儀器硬體的通信、控制功能。傳統的儀器驅動(dòng)程式由儀器硬體廠(chǎng)商隨硬體提供，由於不同廠(chǎng)家儀器硬體的差異，使得在更換儀器硬體的同時(shí)不得不修改測試代碼。為了能自由互換儀器硬體而無(wú)需修改測試程式，即解決儀器的互操作問(wèn)題，VXIplug&play聯(lián)盟開(kāi)發(fā)了儀器驅動(dòng)標準VISA。VISA用G語(yǔ)言（圖形語(yǔ)言）或ANSIC語(yǔ)言寫(xiě)成，它可以用於多種虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境和多種作業(yè)系統。
1999年NI公司提出了可互換虛擬儀器標準IVI（InterchangeableVirtualInstruments），使程式的開(kāi)發(fā)*獨立於硬體。IVI是建立在VXIplug&play驅動(dòng)程式標準之上的，它解決了儀器的互操作問(wèn)題。IVI驅動(dòng)器通過(guò)一個(gè)通用的類(lèi)驅動(dòng)器實(shí)現對儀器的控制。類(lèi)驅動(dòng)器是儀器的功能和屬性集，通過(guò)這些功能和屬性集實(shí)現對一種儀器類(lèi)（示波器、數位電壓表、函數發(fā)生器等）中的儀器進(jìn)行控制。應用程式調用類(lèi)驅動(dòng)器，類(lèi)驅動(dòng)器再通過(guò)專(zhuān)用的驅動(dòng)器與物理的儀器通信。專(zhuān)用的儀器驅動(dòng)器（和對應的物理儀器）可以被改變，但應用程式碼保持不變。採用IVI技術(shù)，可以降低軟體的維護費用，減少系統停運時(shí)間，提高測試代碼的可重用性，使儀器編程更簡(jiǎn)單。
2.3I/O介面軟體
I/O介面軟體是虛擬儀器系統軟體的基礎，用於處理電腦與儀器硬體間連接的低層通信協(xié)定。當今優(yōu)秀的虛擬儀器測試軟體都建立在一個(gè)標準化I/O介面軟體元件的通用內核之上，為用戶(hù)提供一個(gè)一致的、跨電腦平臺的應用編程介面（API），使用戶(hù)的測試系統能夠選擇不同的電腦平臺和儀器硬體。
3、發(fā)展趨勢
隨著(zhù)電腦技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)路通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向以下三個(gè)方向發(fā)展：
（1）外掛式虛擬儀器
PC-DAQ式虛擬儀器是現在比較流行的虛擬儀器系統，但是，由於基於PCI匯流排的虛擬儀器在插入DAQ時(shí)都需要打開(kāi)機箱等，比較麻煩，而且，主機上的PCI插槽有限，再加上測試信號直接進(jìn)入電腦，各種現場(chǎng)的被測信號對電腦的安全造成很大的威脅，同時(shí)，電腦內部的強電磁干擾對被測信號也會(huì )造成很大的影響，故以USB介面方式的外掛式虛擬儀器系統將成為今後廉價(jià)型虛擬儀器測試系統的主流。
（2）PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統
PXI系統高度的可擴展性和良好的相容性，以及比VXI系統更高的性?xún)r(jià)比，將使它成為未來(lái)大型高精度集成測試系統的主流虛擬儀器平臺。
（3）網(wǎng)路化虛擬儀器
儘管Internet技術(shù)zui初並沒(méi)有考慮如何將嵌入式智慧型儀器器設備連接在一起，不過(guò)NI等公司已開(kāi)發(fā)了通過(guò)Web流覽器觀(guān)測這些嵌入式儀器設備的產(chǎn)品，使人們可以通過(guò)Internet操作儀器設備。根據虛擬儀器的特性，我們能夠方便地將虛擬儀器組成電腦網(wǎng)路。
利用網(wǎng)路技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的測試設備聯(lián)繫在一起，使昂貴的硬體設備、軟體在網(wǎng)路上得以共用，減少了設備重複投資?，F在，有關(guān)MCN（MeasurementandControlNetworks）方面的標準正在積極進(jìn)行，並取得了一定進(jìn)展。由此可見(jiàn)，網(wǎng)路化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景。
4、虛擬儀器技術(shù)凸顯四大優(yōu)勢
虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模組化硬體，結合靈活的軟體來(lái)完成各種測試、測量和自動(dòng)化的應用。只有同時(shí)擁有的軟體、模組化I/O硬體和用於集成的軟硬體平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴展性強、開(kāi)發(fā)時(shí)間少以及出色的集成這四大優(yōu)勢。
4.1性能高
虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，所以*"繼承"了以現成即用的PC技術(shù)為主導的商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能的處理器和檔I/O，使用戶(hù)在資料高速導入磁片的同時(shí)，就能即時(shí)進(jìn)行複雜的分析。此外，不斷發(fā)展的網(wǎng)際網(wǎng)路和越來(lái)越快的電腦網(wǎng)路使得虛擬儀器技術(shù)展現其更強大的優(yōu)勢。
4.2擴展性強
得益於NI軟體的靈活性，只需更新電腦或測量硬體，就能以zui少的硬體投資和極少的、甚至無(wú)需軟體上的升級即可改進(jìn)用戶(hù)的整個(gè)系統。在利用科技的時(shí)候，用戶(hù)還可以把它們集成到現有的測量設備，zui終以較少的成本加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
4.3開(kāi)發(fā)時(shí)間少
在驅動(dòng)和應用兩個(gè)層面上，NI的軟體構架能與電腦、儀器儀錶和通信方面的技術(shù)結合在一起。NI設計這一軟體架構的初衷就是為了方便用戶(hù)的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強大的功能，使用戶(hù)輕鬆地配置、創(chuàng )建、發(fā)佈、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。
4.4集成
虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬體概念。隨著(zhù)產(chǎn)品在功能上不斷趨於複雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測量設備來(lái)滿(mǎn)足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟體平臺為所有的I/O設備提供了標準的介面，幫助用戶(hù)輕鬆地將多個(gè)測量設備集成到單個(gè)系統，減少了任務(wù)的複雜性。
