毕业设计207 虚拟仪器技术

4 虚拟仪器技术

4.1 虚拟仪器的概念[22-23]

虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)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，与测试技术和仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果。其核心是：以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能式的功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与计算机结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义，自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。虚拟仪器可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC机或工作站等各种计算机平台(甚至可以是掌上电脑)加上应用软件而构成的。图4.1是虚拟仪器的外观图。

图4.1 虚拟仪器外观图

Fig.4.1 Face of virtual instrument

给定计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用VI的关键在于应用软件，这是因为应用软件为用户构造或使用VI提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。基于软件在VI技术中的重要作用，美国国家仪器公司(National Instrument，简称NI)提出的“软件即仪器”(The Software is the Instrument)

形象地概述了软件在VI中的重要作用。

一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用

软件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驱动软件，他们在一起共同完成传统仪器的功能。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变，虽然PC机和集成电路技术在过去的20年里有显著的发展和提高，但是，软件才是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。以软件为中心的虚拟仪器系统为用户提供了创新技术并大幅降低了生产成本，有了虚拟仪器，工程师和科学家就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定（完全由厂家提供）的传统仪器的限制。

4.2 传统仪器与虚拟仪器[10][22-27]

（1）传统仪器

独立的传统仪器，例如示波器和波形发生器，性能强大，但是价格昂贵，且被厂家限定了功能，只能完成一件或几件具体的工作，因此，用户通常都不能够对其加以扩展或自定义其功能。传统仪器的旋钮和开关、内置电路及用户所能使用的功能对这台仪器来说都是固定的，设计复杂，生产成本高，精度低，灵活性差，没有摆脱独立使用和手动操作的模式，整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使用起来很不方便。（2）虚拟仪器

虚拟仪器问世以来，由于虚拟仪器可以很好地克服传统仪器的缺点，并具有传统仪器无法比拟的优点，使得虚拟仪器发展迅速。基于PC 机的虚拟仪器系统，诞生以来就充分利用了现成即用的PC 机所带来的最新科技，这些科技和性能上的优势迅速缩短了独立的传统仪器和PC 机之间的距离，包括功能强大的处理器(如Pentium 4) 、操作系统及微软Windows XP、.NET技术。此外，传统仪器往往不便随身携带，而虚拟仪器可以在笔记本电脑上运行，充分体现了其便携特性。对经常变换应用项目和系统要求的工程师和科学家们来说，可以使用虚拟仪器来满足特定的需要，因为有安装在PC 机上的应用软件和一系列可选的插入式硬件，因此无需更换整套设备，即能完成新系统的开发。

（3）传统仪器与虚拟仪器的比较

传统仪器与虚拟仪器最大的不同在设计制造有很大的区别。如图4.2所示，传统硬件化仪器的制造过程是：首先是按仪器需要的功能完成方案设计和电路的技术设计，然后在加工车间进行加工制板、装配、调试等，最后将做好的仪器送到有关部门或机构进行性能测试，合格后才送到仓库中或是客户那里。而虚拟仪器的制造过程彻底打破这一传统，它将仪器的设计，制造，检验，存储全部集中到一台计算机上完成，客户买到的产品不会再是庞大、笨重的铸铁座。这本身就是

测试仪器领域的一场巨大革命。

①传统硬件化仪器的设计制造过程

②虚拟仪器的设计制造过程

图4.2 硬件化仪器与虚拟仪器制造过程

Fig4.2 Manufacture process of hardware instrument and VI

综合比较，我们不难看出，虚拟仪器与传统仪器相比，存在着无可比拟的优势，表4.1列出了二者之间的区别。

表4.1 虚拟仪器与传统仪器的比较

4.3 虚拟仪器的构成[26-31]

从构成要素讲，VI系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的；从构成方式讲，则有以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，以GPIB、

VXI、Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式，如图4.3所示。无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的，因此，VI的发展已经完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示出VI的灵活性与强大生命力。

工业过程

应用软件

应用软件

图4.3 虚拟仪器的基本构成

Fig4.3 Basic composing of VI

一个虚拟仪器系统主要由测控对象、计算机及虚拟仪器软件、各种硬件接口及外围设备等组成。虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下五种。（1）基于数据采集 DAQ（Data AcQuisition）的虚拟仪器系统

PC-DAQ充分利用了广泛普及的PC计算机的总线（PCI或ISA）、机箱、电源以及软件，数据采集卡/板（DAQ）插入PC计算机的空槽中，可以方便快速组建虚拟仪器，而且价格低廉，携带方便。目前插入式数据采集卡已具有兆赫级的采样速度，精度高达24位，具有可靠性高、功能灵活、性能/价格比高等特点。用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构造各种测量和控制仪器，诸如存储数字万用表、信号发生器、示波器、动态信号分析仪，甚至电路和器件测试仪、逻辑分析仪、振动分析仪、表面粗糙度仪等等。在PC计算机上挂接若干DAQ 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器。基于PCI 总线的虚拟仪器测试系统通常适用于低频低速的过程测控系统、教学实验和实验室常规测试。

（2）基于通用接口总线GPIB接口的虚拟仪器系统

GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议，也是仪器系统迈向虚拟仪器的第一步，即利用GPIB接口卡将若干GPIB 仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统。在价格上，GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器，但是GPIB的数据传输速度一般低于500kb/s，不适合于对系统速度要求较高的应用。

一个典型的GPIB测量系统由一台PC机、一块GPIB接口板卡和若干台GPIB 仪器通过标准GPIB电缆连接而成。利用GPIB扩展技术，一个GPIB自动测量测试系统的规模无论是仪器数量还是距离都可以进一步扩展。利用GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可以预先编制好测试测量程序，实现自动测试，提高测试测量可靠性和效率。利用GPIB技术，可以很方便地将多台仪器组合起来，形成较大的自动测量测试系统，高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。利用GPIB技术，还可以很方便地扩展传统仪器的功能，因为仪器是同计算机连接在一起的，仪器测量的结果送到计算机里头，在计算机这边增加各种不同的分析处理算法，就相当于增加了仪器的功能。

（3）PXI体系结构的虚拟仪器系统

PXI（PCI eXtension for Instrumentation）PCI在仪器领域的扩展，是一种新的开放性、模块化仪器总线规范，其核心是 CompactPCI结构和Microsoft Windows 软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求而形成的，PXI增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足试验和测量用户的要求。PXI兼容CompactPCI机械规范，并增加了主动冷却、环境测试（温度、湿度、振动和冲击试验）等要求，这样，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。基于PXI 总线的虚拟仪器测试系统由于电磁兼容性能及冷却性能的改善和模块式结构可用在一般要求的自动测试系统场合和系统总价格有所限制的自动测试系统。

（4）利用VXI总线技术实现虚拟仪器系统

VXI (VEMbus eXtension for Instrumentation)总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间，它是一种高速计算机总线——VEM总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、使用方便灵活，众多仪器厂商支持等优点，已越来越受到人们的重视。在近十年时间内，随着VXI总线规范的不断完善和发展，VXI即插即用系统联盟的不懈努力，VXI系统的组建和使用越来越方便，其应用面也越来越广，尤其是在组建中大规模自动测量测试系统，以及对速度、精度要求较高的场合，有着其他仪器系

统无法比拟的优势，是仪器发展的一个方向。VXI的价格相对较高，适合于尖端的测试领域。基于VXI虚拟仪器测试系统具有良好的性能，可用于自动系统是特别是高速大数据量自动测试系统，宽频带自动测试系统和军用自动化测量，代表着二十一世纪测试技术的发展方向。

（5）基于串口标准总线的虚拟仪器系统

以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器系统。

4.4 虚拟仪器的特点[3][22][32-34]

在过去的20 年中，PC 机（个人电脑）应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，其中最显著的一点就是虚拟仪器概念的出现与发展，以及为工程师和科学家们提高生产率、测量精度及系统性能方面做出的贡献。

虚拟仪器有不断发展的强大计算机技术作为坚强后盾，它为您提供自己定义并创建具有开放式构架的测量和自动化系统的能力。这一概念不仅确保您的工作在未来的可用性，也提供了今后随着需求改变可进行系统调整或扩充的灵活性。VI系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决您的测试问题。随着VI驱动程序标准化及软件开发环境的发展，代码复用成为仪器编程中的基础，这意味着您可以避免仪器编程过程中的大量重复劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，而且您可以用各种不同的模块构造您自己的VI系统，选择统一的测试策略，这不仅会省下您一大笔开销，而且使您的测试投资在未来仍能得到可靠保护。

虚拟仪器只需要少量的硬件，减少了资源和能源的消耗，从而极大地减少了废弃仪器的处理，是21世纪典型的绿色产品。利用虚拟仪器技术，用户可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计来满足多样化实际需求。一台虚拟仪器具备好几台传统仪器的功能已成为虚拟仪器的基本特征。

（1）结合计算机强大的硬件资源和软件资源

将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理，由于充分利用计算机技术，提高了数据的传输、交换等功能，使得组建系统变得更加灵活、简单，现在高性能处理器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。（2）强调“软件就是仪器”的新概念

软件在仪器中代替了以往由硬件甚至整机实现的功能，由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。

（3）仪器由用户自己定义

系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方便地同外设、网络及其它应用连接。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，处理模

块间通讯、定时、触发等功能，强调在通用计算机平台的基础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户定义的、由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。

（4）易于构成较为复杂的测试系统

鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，使用简便，软/硬件生产、维护和开发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台数字式测试仪器使用，又可以构成较为复杂的测试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统，进行远程监控及故障诊断。（5）成本低，开发周期短

性能优秀的传统仪器产品开发周期长，成本高，容易过时，对于用户，则意味着高价格和较高要求的日常维护和保养。而基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体系结构的传统仪器，使得开发容易，周期较短，技术更新快，从用户方面来说，可以大大节省仪器购买、维护费用。

4.5基于PC的虚拟仪器[23-24][34]

（1）基于PC的虚拟仪器的构成

大多数实验室在开发虚拟仪器时，几乎都采用基于PC体系结构，本系统亦是采用此结构。基于PC的虚拟仪器的基本构成如图4.4所示。

图4.4 基于PC机的虚拟仪器系统

Fig4.4 VI system based on PC

①传感器+前置抗混滤波调理电路：它们是测试系统的基础，没有高质量的传感器和各种高质量的调理电路，整个测试系统就就谈不上准确性及稳定性。

②A/D采集卡和D/A卡：在虚拟仪器中，I/O设备集成在数据采集卡上，直接

插到个人计算机总线上，数据采集卡进行数据采集，并且及时的把数据存放到RAM ，微处理器可以立即访问这些数据。数据采集卡技术极大地推动了虚拟仪器的发展，因为它把微处理器和总线技术的进步直接演变为输入/输出设备的改进和系统能力的提高。

③计算机及附件：使用虚拟仪器的个人计算机中，微处理器和总线成为最重要的因素，其中微处理器的发展是最迅速的，它使虚拟仪器的能力极大的提高。现在可以利用快速傅立叶变换进行高速的实时计算，并把它用于过程控制或者其它控制系统中。总线技术的发展也为提高虚拟仪器的处理能力提供了必要的支持，使用ISA 总线，可以使插在电脑中的数据采集卡的采集速度达到2MBps ；使用PCI 总线使得高速微处理器能够更快地访问数据，最高采集速度可提高到132MBps 。由于总线速度的大大提高，现在可以同时使用数块数据采集卡，甚至图象数据采集也可以和数据采集结合在一起。

④各种功能软件：是具有测试分析仪器功能的各种软件，包括采集卡驱动软件、软面板功能软件、信号显示与分析软件等等，这部分是虚拟仪器的灵魂，是虚拟仪器的最大特色。

（2） 基于PC 的虚拟仪器的形成

图4.5 将一台传统硬件仪器形成以PC 机为硬件平台的虚拟仪器

Fig4.5 Come into being VI based on PC from a hardware-based instrument

将PC 机作为一套带有智能化功能的仪器通用的机箱和底盘，把电子板卡组成的硬功能（包括性能和精度指标）库和面板控件组成的硬控件库，按图4.5所示的那样实行软件化，从而形成“软功能库”和“软控件库”，然后将它们送入计算机，在计算机内的一个称为“框架协议”

的专家系统内进行装配、连接、组合、修改、增删卡

卡 软功能库程序

程序 程序

. . . . . . . . . . . . No.1No.2No.n 软控件库

No.2 软装配 软连接 软组合 软调试 软修改 软增删

框 架 协

议

虚 拟 仪 器 成 品

等一系列操作（这种操作是以软件形式进行的），最后便形成一台从外观到功能、性能、精度到操作方法都与同类硬件仪器完全一样的虚拟仪器，此时若在计算机的总线槽内插入一块相应的板卡，并在测试对象与板卡之间接入传感器，这样虚拟仪器便可和外界的被测对象进行数据交换，从而实现其测试与分析任务了。

4.6 虚拟仪器的现状及发展[3][26][34]

（1）虚拟仪器的现状

美国国家仪器（NI）公司于20世纪70年代中期提出虚拟式仪器的概念，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，成为这类新型仪器世界中的第一生产大户。在NI公司之后，美国惠普（HP）公司、Wave Test公司、Racal 公司等也相继推出了多种总线系统的虚拟仪器，如NI公司的LabWindows/CVI和LabVIEW，HP公司的HPVEE开发应用程序和HPBASIC，Wave Test公司的Wave Test VIP(可视仪器编程器)等。

现在虚拟仪器的概念和设计思想正在被我国的许多科研、学校、生产等部门接受并逐步开发应用。今天，我们在改造传统测试仪器的实践过程中,自觉或不自觉地应用了虚拟仪器设计思想，我国虚拟仪器的发展起步虽较晚，但目前已有不少公司、学校和科研机构在进行虚拟仪器的研究开发，如重庆大学的QLV系列虚拟仪器、哈尔滨工业大学的Instrument King仪器王虚拟仪器等。

值得特别关注的是重庆大学测试中心开发的虚拟仪器，该中心在著名的测试仪器专家秦树人教授带领下，在虚拟仪器领域取得了丰硕的成果。秦树人教授是最早提出对虚拟仪器实施国产化，他所倡导的虚拟仪器产品具有和其他虚拟仪器产品不同的技术特色，推出了一系列完全具有自主知识产权的虚拟仪器产品。现在秦树人教授由提出了基于秦氏模型的虚拟仪器开发技术，开发了基于智能控件化虚拟仪器开发系统，为虚拟仪器的开发开拓了新的发展方向。

虚拟式仪器技术经过十余年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、硬/软件的模块化、以及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。现在，虚拟式仪器技术在发达国家的应用已非常普及，而我国基本上还处于传统测试仪器与计算机互相分离的状态，因此，从引进国外先进的虚拟仪器技术和产品入手，大力推广虚拟仪器的应用，无论对加速发展我国自己的电子仪器工业，还是提高我们的测试水平都是有益的。

（2）虚拟仪器发展方向

①硬件趋于简单化

随着高速A/D与D/A器件的发展，未来仪器卡将简化为只有三种类型的卡，即数据采集卡，任意波形产生卡和阵列开关网络卡，其数据处理、控制等则借助虚

拟仪器的软件来实现。

②数字信号处理功能日益加强

在虚拟仪器中,引入DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理），以增强数据的处理能力，获得较高的实时性。

③虚拟仪器软件框架的发展将促进仪器向纵深发展

在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是虚拟仪器发展的关键。在仪器中引入神经网络等先进算法，可以提高仪器的智能程度；引入多媒体技术，可以全面促进仪器的输入/输出功能和人机接口。

总之,借助虚拟仪器的硬/软件功能，更易于完成对多参量数据的融合、处理、显示等。在虚拟仪器中,引入DSP技术、先进算法、多媒体技术等，可使仪器向小型化、多维化、快速化方向发展，且一机多用，智能化程度高，成本低，易扩展。利用虚拟仪器既可以单机测试,又可以通过计算机网络构成分布式测试、监控系统，因而它在工程测试领域中将会发挥越来越重要的作用。相信随着计算机技术的不断发展，虚拟仪器技术将得到进一步的发展和应用，如今在工程领域还占主导地位的传统测试仪器不久将会被虚拟仪器所代替。