虛擬儀器

20年來，無論是初學乍用的新手還是經驗豐富的程序開發人員，虛擬儀器（Virtual Instrument）在各種不同的工程應用和行業的測量及控制的用戶中廣受歡迎，這都歸功於其直觀化的圖形編程語言。虛擬儀

器的圖形化數據流語言和程序框圖能自然地顯示您的數據流，同時地圖化的用戶界面直觀地顯示數據，使我們能夠輕鬆地查看、修改數據或控制輸入。

美國國家儀器公司NI（National Instruments）提出的虛擬測量儀器（VI）概念，引發了傳統儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網路技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，從而開創了“軟體即是儀器”的先河。

“軟體即是儀器”這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發，基於電腦或工作站、軟體和I/O部件來構建虛擬儀器。I/O部件可以是獨立儀器、模塊化儀器、數據採集板（DAQ）或感測器。NI所擁有的虛擬儀器產品包括軟體產品（如LabVIEW）、GPIB產品、數據採集產品、信號處理產品、圖像採集產品、DSP產品和VXI控制產品等。

同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優勢：

虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全"繼承"

了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁碟的同時就能實時地進行複雜的分析。此外，不斷發展的網際網路和越來越快的計算機網路使得虛擬儀器技術展現其更強大的優勢。

NI的軟硬體工具使得我們不再受限於當前的技術中。這得益於NI軟體的靈活性，只需更新計算機或測量硬體，就能以最少的硬體投資和極少的、甚至無需軟體上的升級即可改進整個系統。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。

在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟體構架能與計算機、儀器

儀錶和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟體構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕鬆地配置、創建、發布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬體概念。隨著產品在功能上不斷地趨於複雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟體平台為所有的I/O設備提供了標準的介面，幫助我們輕鬆地將多個測量設備集成到單個系統，減少了任務的複雜性。

虛擬儀器的發展隨著微機的發展和採用匯流排方式的不同，可分為五種類型：

1、PCI匯流排——插卡型虛擬儀器

這種方式藉助於插入計算機內的數據採集卡與專用的軟體

如LabVIEW相結合（註：美國NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控制項自己組建各種儀器。Labview/cvi是基於文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi構成測試系統，它充分利用計算機的匯流排、機箱、電源及軟體的便利。但是受PC機機箱和匯流排限制，且有電源功率不足，機箱內部的雜訊電平較高，插槽數目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺點。另外，ISA匯流排的虛擬儀器已經淘汰，PCI匯流排的虛擬儀器價格比較昂貴。

2、并行口式虛擬儀器

最新發展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬體集成在一個採集盒內。儀器軟體裝在計算機上，通常可以完成各種測量測試儀器的功能，可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發生器、頻率計、數字萬用表、功率計、程式控制穩壓電源、數據記錄儀、數據採集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器，它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業，又可與台式PC機相連，實現台式和攜帶型兩用，非常方便。由於其價格低廉、用途廣泛，特別適合於研發部門和各種教學實驗室應用。

3、GPIB匯流排方式的虛擬儀器

GPIB技術是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發展階段。它的出現使電子

測量獨立的單台手工操作向大規模自動測試系統發展，典型的GPIB系統由一台PC機、一塊GPIB介面卡和若干台GPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB介面可帶多達14台儀器，電纜長度可達40米。GPIB技術可用計算機實現對儀器的操作和控制，替代傳統的人工操作方式，可以很多方便地把多台儀器組合起來，形成自動測量系統。GPIB測量系統的結構和命令簡單，主要應用於台式儀器，適合於精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應用。

4、VXI匯流排方式虛擬儀器

VXI匯流排是一種高速計算機匯流排VME匯流排在VI領域的擴展，它具有穩定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由於它的標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重複利用、眾多儀器廠家支持的優點，很快得到廣泛的應用。經過多年的發展，VXI系統的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規模自動測量系統以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優勢。然而，組建VXI匯流排要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。

5、PXI匯流排方式虛擬儀器

PXI匯流排方式是PCI匯流排內核技術增加了成熟的技術規範和要求形成的，增加了多板同步觸發匯流排的技術規範和要求形成的，增加了多板發匯流排，以使用於相鄰模塊的高速通訊的局匯流排。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而台式PCI系統只有3~4個擴展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，台式PC的性能價格比和PCI匯流排面向儀器領域的擴展優勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平台。

1、GPIB→VXI→PXI匯流排方式（適合大型高精度集成系統）GPIB 於1978年問世，VXI於1987年問世，PXI於1997年問世。

2、PC插卡→並口式→串口USB方式（適合於普及型的廉價系統，有廣闊的應用發展前景）PC插卡式於80年代初問世，并行口方式於1995年問世，串口USB方式於1999年問世。

綜上所述，虛擬儀器的發展取決於三個重要因素。①計算機是載體,②軟體是核心③高質量的A/D採集卡及調理放大器是關鍵。

1 虛擬儀器系統的構成

虛擬儀器由硬體設備與介面、設備驅動軟體和虛擬儀器面板組成。其中，硬體設備與介面可以是各種以PC為基礎的內置功能插卡、通用介面匯流排介面卡、串列口、VXI匯流排儀器介面等設備，或者是其它各種可程式控制的外置測試設備，設備驅動軟體是直接控制各種硬體介面的驅動程序，虛擬儀器通過底層設備驅動軟體與真實的儀器系統進行通訊，並以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控制項。用戶用滑鼠操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。

1.1 虛擬儀器系統的硬體構成

虛擬儀器的硬體系統一般分為計算機硬體平台和測控功能硬體。計算機硬

件平台可以是各種類型的計算機，如台式計算機、攜帶型計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟體資源，是虛擬儀器的硬體基礎。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網路、匯流排標準等方面的發展，導致了虛擬儀器系統的快速發展。

按照測控功能硬體的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口匯流排五種標準體系結構，它們主要完成被測輸入信號的採集、放大、模/數轉換。

1.2虛擬儀器系統的軟體構成

測試軟體是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念並推出第一批實用成果時，就用軟體就是儀器來表達虛擬儀器的特徵，強調軟體在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發軟體。使用者可以根據不同的測試任務，在虛擬儀器開發軟體的提示下編製不同的測試軟體，來實現當代科學技術複雜的測試任務。在虛擬儀器系統中用靈活強大的計算機軟體代替傳統儀器的某些硬體，特別是系統中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬體甚至整個儀器從系統中消失，而由計算機的軟硬體資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統的軟體主要分為以下四部分。

1.2.1儀器面板控制軟體

儀器面板控制軟體即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環境，使用可視化的技術，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。

1.2.2數據分析處理軟體

利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發軟體功能強大的函數庫可以極大提高虛擬儀器系統的數據分析處理能力，節省開發時間。

1.2.3儀器驅動軟體

虛擬儀器驅動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟體。儀器驅動器與通信介面及使用開發環境相聯繫，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發環境信息。儀器驅動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬體控制的紐帶和橋樑。虛擬儀器驅

動程序的核心是驅動程序函數/VI集，函數/VI是指組成驅動的模塊化子程序。驅動程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入參數、收發數據、查看儀器狀態等。高層是應用函數/VI層，它根據具體測量要求調用底層的函數/VI。

1.2.4通用I/O介面軟體

在虛擬儀器系統中，I/O介面軟體作為虛擬儀器系統軟體結構中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。VXI匯流排即插即用聯盟，為其制定了標準，提出了自底向上的I/O介面軟體模型即VISA。作為通用I/O標準，VISA具有與儀器硬體介面無關性的特點，即這種軟體結構是面向器件功能而不是面向介面匯流排的。應用工程師為帶GPIB介面儀器所寫的軟體，也可以於VXI系統或具有RS232介面的設備上，這樣不但大大縮短了應用程序的開發周期，而且徹底改變了測試軟體開發的方式和手段。

2 虛擬儀器系統軟面板的設計標準

虛擬儀器軟面板是用戶用來操作儀器，與儀器進行通信，輸入參數設置，輸出結果顯示的用戶介面。其設計準則是：

（1）按照VPP規範設計軟面板，使面板具有標準化、開放性、可移植性。

（2）根據測試要求確定儀器功能。根據測試任務確定儀器軟面板具體測試、測量功能，開關、控制等設置要求。

（3）用面向對象的設計方法設計軟面板。按照面向對象的設計思想，一個虛擬儀器集成系統由多個虛擬儀器組成，每個虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控制項組成。

3 虛擬儀器系統的組建方案

在虛擬儀器系統的組建方案，主要包括底層硬體、軟硬體介面、應用程序以及驅動程序的設計與開發。

3.1 制定所設計儀器的介面形式

如果儀器設備具有RS-232串列介面，則直接用連線將儀器設備和計算機的RS-232串列口連接即可。如果是GPIB介面，需要額外配備一塊GPIB-488介面板，將介面板插入計算機的ISA插槽，建立起計算機與儀器設備之間的通信橋樑。如果使用計算機來控制VXI匯流排設備，則需要配置一塊GPIB介面卡，通過GPIB 匯流排與VXI主機箱零槽模塊通信。零槽模塊的GPIB-VXI翻譯器將GPIB 的命令翻譯成VXI命令並把各模塊返回的數據以一定的格式傳回主控計算機。DAQ數據採集卡是基於計算機標準匯流排的，因此可以將數據採集卡直接插到計算機的插槽上。

3.2 開發硬體採集卡

一種典型的數據採集卡組成包括，先用感測器把非電的物理量轉變成模擬電量，採樣/保持器可以保持信號，實現對瞬時信號進行採集，以便ADC進行數字轉換，提高ADC轉換器的轉換精度。實現在測量中同時對多路模擬信號進行採樣。多路模擬開關可以分時選通來自多個輸入通道的某一路信號，這樣在多路開關后的單元電路，只需一套即可，也可以採用計算機進行多路選擇控制。當感測器輸出的信號比較小，可以用放大器放大和緩衝輸入信號，如果採用的是可編程增益放大器就可以通過計算機進行增益選擇控制確定增益倍數。精度及性能是儀器系統的生命，而這完全依賴於提供基礎數據的信號採集控制電路，因此在硬體採集電路的設計時，需根據所設計的虛擬儀器所要達到的性能指標和被測信號的特點，設計合理的系統結構。系統的結構合理與否，對系統的可靠性、性能價格比等有直接影響，在硬體和軟體功能的設計上要盡量使虛擬儀器的結構簡單，可靠性高，成本低廉，選用合適的單元器件，儘可能的提高採集卡採集的精度和速度。

3.3 確定設計採集卡的設備驅動程序方案

採集卡的設備驅動程序是控制各種硬體採集卡的驅動程序，是連接主控計算機與信號採集調理部件的紐帶。驅動程序的實質是為用戶提供了用於儀器操作的較抽象的操作函數集，它是虛擬儀器核心軟體之一。

3.4確定虛擬儀器系統應用程序編程語言

虛擬儀器系統軟體結構的設計在體現整個系統的性能和靈活性方面作用很大，因此在開發虛擬儀器系統的軟體部分時，首先要根據所開發的虛擬儀器功能和性能，確定應用程序和軟面板程序的模塊結構和功能，畫出各部分的流程圖，採用合適的編程語言。在編製虛擬儀器軟體中可採用兩種編程方法。一種是採用面向對象的可視化的高級編程語言，如VC++、VB和Delphi等編寫虛擬儀器的軟體，這種方法實現的系統靈活性高，易於擴充和升級維護。另一種是採用圖形化編程方法，如LabVIEW，HPVEE，採用圖形化編程的優勢是軟體開發周期短、編程較簡單，特別適合工程技術人員使用。總之在編寫程序時，要儘可能的讓每一模塊都有一定的獨立性，模塊之間明確定義介面，模塊之間可以採用數據傳遞的形式進行聯繫。

3.5軟體調試和運行

程序編寫好以後要對各模塊進行調試和運行，可以通過採集各種標準信號來驗證虛擬儀器系統功能的正確性和性能的優良性。

基於虛擬儀器技術的應變測量