虚拟仪器论文
绪论
由于传统的测控仪器是以硬件为主的，价格比较贵、功能不易扩展、技术更新慢、开发和维护的费用高，于是就产生了以硬件为主的虚拟仪器，它就是在硬件和软件的组合下，利用计算机实现的一种仪器系统。它的实质就是利用计算机显示器的功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用硬件完成信号的采集、测量和调理，然后用专用的虚拟仪器分析、设计软件对所采集的各种信号数据进行运算、分析和处理；从而完成各种测试功能的一种计算机系统，利用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同一台专用测量仪器一样。也就是说，虚拟仪器的出现，将测量仪器与计算机连为一体。
与传统仪器相比，虚拟仪器具有较高的性价比，利用虚拟仪器技术构建的虚拟仪器可复用，更新快；突出了“软件就是仪器”的概念；特别是虚拟仪器开放、灵活、可与计算机同步发展，与网络以及其他周边设备相连，因此，网络化是虚拟测控技术的发展趋势，可以减少设备的投资，实现资源的共享。
虚拟仪器是由软件和硬件两大部分组成的。硬件部分包括通用计算机和外围硬件设备。通用计算机可以是台式电脑、笔记本或工作站，外围设备可以是GPIB系统、VXI系统、PXI系统或各种数据采集卡；软件部分包括实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序。
虚拟仪器的开发平台LabVIEW是图形化编程语言，技术人员不用掌握太多的计算机编程知识，只需要通过定义和连接代表各种功能模块的图标，就能快速地建立起通常只有编程技巧高超的程序员才能编制出的高水平应用程序。
虚拟仪器技术的飞速发展促使它广泛地应用于各种方面。虚拟仪器用于电力系统主要是在测量领域中，对于电压、电流和功率等传统物理量的测量，虚拟仪器可以完全代替原来的各种仪表，并且可以对各种测量数据进行分析。特别是在电力系统谐波测试中，通过软件程序来实现测试功能，对采集来的信号进行频谱分析，得出各次谐波的幅值、频率和总谐波畸变率，并分析测试结果。另外，虚拟仪器在设备校验、在线监测等方面都有重要的作用。
1. 虚拟仪器的发展概述
1．1仪器与自动测试技术的发展概况
1．1．1仪器技术的发展概况
测量仪器发展至今，经历了指针式仪表、模拟器件仪器、数字器件仪器、智能仪器、个人仪器、虚拟仪器等发展阶段。
20世纪70年代以来，随着微处理器和计算机技术的发展，微处理器或微机被越来越多的嵌入到测量仪器中，构成了智能仪器。智能仪器使用键盘代替传统仪器面板上的旋钮或开关，对仪器实施操纵；它一般带有GPIB或RS—232接口，具备可程控功能，可以很方便地与其他仪器实现共连，组成复杂的自动测试系统。
随着智能仪器和个人计算机的大量应用，在工程技术人员的工作台上常会出现多台带有微机的仪器和PC机同时使用。一个系统中有多台微机、多套存储器、显示器和键盘，但又不能相互取代或替代，造成资源的很大浪费。1982年，美国推出了第一台个人仪器，在个人仪器中，通用的个人计算机代替了各台智能仪器中的微机及其按键、显示器等人机接口，由置于个人计算机扩展槽或专门的仪器扩展箱中插卡或模块来实现仪器功能，这些仪器插卡或模块通过PC总线直接和计算机相连。个人仪器充分利用了PC机的软件和硬件资源，相对于传统仪器，大幅度降低了系统成本、缩短了研制周期。
个人仪器最简单的构成形式是将仪器卡直接插入PC机的总线扩展槽内。这种构成方式结构简单、成本很低，但缺点是PC机扩展槽数目有限，机内干扰比较严重，另外，PC 机总线也不是专门为仪器系统设计的，无法实现仪器间的直接通信以及触发、模拟信号传输等仪器专用功能。
个人仪器系统具有突出的优点，但是，由于各个厂家在生产个人仪器时没有采用统一的总线标准，在一定程度上影响了个人仪器的进一步发展。随后就出现了VXI总线技术规范，它是在VME计算机总线的基础上，扩展了适合仪器应用的一些规范而形成的。VXI 总线是一个公开的标准，它的宗旨是为模块化电子仪器提供一个开放的平台，使所有厂商的产品都可以在同一个主机箱内运行。
在个人仪器发展过程中，计算机软件在仪器控制、数据分析和处理、结果显示等方面所起到的重要作用也越来越深刻地被人们所认识。1986年，美国国家仪器公司提出了虚拟仪器的概念。在虚拟仪器得到人们认识的同时，虚拟仪器的相关技术规范也在不断地完善。在发展初期，虚拟仪器系统主要采取三种结构形式：基于GPIB总线、PC—DAQ或VXI 总线，但这三种系统都有各自的缺点，GPIB实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展和延伸，数据传输速度较低；PC—DAQ直接利用了ISA总线或串行总线，没有定义仪器系统所需的总线；VXI系统是将用于工业控制的VME计算机总线而建立的，价格昂贵，适用于大型或复杂的仪器系统。为了适应虚拟仪器用户日益多样化的需求，NI公司又推出了一种全新的开放式、模块化仪器总线规范——PXI，直接将PC机中流行的高速PCI总线、Microsoft Windows操作系统和CompactPCI规范定义的机械标准很好的结合在一起，形成了一种性价比很高的虚拟仪器系统。
从20世纪80年代NI公司提出了虚拟仪器的概念至今只有短短的十几年的时间，但虚拟仪器的发展速度很快，使我们认识到虚拟仪器是21世纪仪器发展的方向，而且必将逐步取代传统的硬件化电子仪器，使传统仪器都融入到计算机体系中]11[。
1．1．2自动测试技术的发展概况
随着现代科学技术和现代工业生产的发展，对电子测量和仪器技术的要求越来越高，测试内容和测试对象日益复杂，测试工作量与日俱增，对测试速度和测试精度的要求不断提高，这使得传统的人工测试已经不适应甚至不满足实际测试的需求，采用自动系统成为必然的选择。
20世纪60年代，电子计算机开始用于测试领域，自动测试技术也得以迅速地发展和普遍地应用，其发展大致可分为三个阶段：
（1）第一代自动测试系统
常见的第一代测试系统主要有数据采集系统、自动分析系统等。系统的控制采用计算机或其他一些简单的逻辑和定时电路。20世纪60年代，由于标准化、通用化的仪器产品还未出现，设计和组建第一代自动测试系统时，设计人员需要自行设计仪器与仪器、仪器与计算机之间的接口电路和相关的控制电路。当测试系统中用到的设备较多时，系统研制的工作量很大、费用高、系统的适应性和可扩展性也较差。
（2）第二代自动测试系统
20世纪70年代，第二代自动测试系统出现了，其中最有代表性的是CAMAC总线系统和GPIB总线系统。两者的共同特点是采用标准的总线接口，系统中所用的计算机、程控仪器、开关等均配有标准化的接口电路。用统一的总线电缆将各器件连接起来。设计人员无需自行设计接口电路，测量内容的更改，增删十分灵活，测试速度和精度也大大提高。在测试系统使用完毕后，可以拆下计算机和其他仪器设备移作它用。
（3）第三代自动测试系统
20世纪80年代中期，随着智能仪器、个人仪器的发展，计算机与测量仪器的结合更加紧密，计算机软件不仅承担系统控制和通信功能，也开始代替传统仪器中某些硬件的功能。在这种条件下，虚拟仪器出现了，作为一种以计算机软件实现为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测量速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性极强等优点。因此，虚拟仪器通常被认为是第三代自动测试系统。
1．2虚拟仪器的概念和应用
1．2．1虚拟仪器的概念
虚拟仪器（Virtual Instrument）就是通过计算机加上特定的硬设备，再加上为实现特定功能而编制的软件而形成的既有普通仪器的功能，又具有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。在虚拟仪器中硬件不再是系统的主体，它只是在其中实现信号的输入输出，而对信号资料的分析、计算和统计等繁杂的工作都交由系统的软件处理。利用计算机处理器高速的运算，可以很快得到结果。
虚拟仪器实质上是一种创新的仪器设计思想，而非一种具体的仪器。换句话说，虚拟仪器可以有各种各样的形式，完全取决于实际的物理系统和构成仪器数据采集单元的硬件类型，但是有一点是相同的，那就是虚拟仪器离不开计算机控制，软件就是虚拟仪器设计中最重要，也是最复杂的部分。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表达。
虚拟仪器一词中“虚拟”有以下两方面的含义：
（1）虚拟仪器面板
在使用传统仪器时，操作人员是通过操纵仪器物理面板上安装的各种开关、按键、旋钮等来实现仪器电源的通断、通道选择、量程、放大倍数等参数的设置，并通过面板上安装的发光二极管、数码管、液晶或CRT等来辨别仪器状态和测量结果。
在虚拟仪器中，计算机显示器是唯一的交互界面，物理的开关、按键、旋钮以及数码管等显示器等显示器件均与实物外观很相似的图形控件来代替，操作人员通过鼠标或键盘操纵界面中这些控件来完成仪器的控制。
（2）由软件编程来实现仪器功能
在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的。测量所需的各种激励信号可以由数据采集卡得到，系统硬件模块不能实现的一些数据处理功能，如FFT分析、小波分析、数字滤波、统计分析等，也可以由软件编程来实现，通过不同软件模块的组合，还可以实
现多种自动测试功能。
1．2．2虚拟仪器技术的应用
虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术，应用前景很广泛。从总体上而言，虚拟仪器是测量/测试领域的一个创新概念，改变了人们对仪器的传统观念，适应了现代测试系统网络化、智能化发展趋势。虚拟仪器技术应用方式多种多样，它在工业自动化、仪器制造和实验室方面的应用也很广泛。
（1）工业自动化
我国工业基础比较落后，工业自动化程度不能满足市场经济快速发展的需求。许多生产第一线的工程师熟悉设备和工艺流程，但不具备程序员的专门编程能力，控制系统软件都是交给研究所或大学的程序员编写，软件设计和使用脱节。虚拟仪器设计采用的图形化编程语言，十分适合工程师应用。有利于提高企业自主开发和管理项目的能力，降低工业自动化技术改造的成本。另一方面，采用虚拟仪器技术，根据实际工艺流程和控制要求，将分布在企业不同位置的各种测量仪器和控制装置连接为一个网络系统，通过计算机实施集中控制和管理，可以改变采用传统单元仪表分散工作成本高、维护困难、资源配置重复等特点，提高工业自动化改造的经济效益，降低管理成本。
（2）仪器产业改造
由于我国工业基础比较落后，仪器制造，尤其是高性能科学仪器的制造还远远不能满足国防和经济建设发展的需要。像数字示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪等中高档仪器还主要依赖进口，即使数字万用表、函数发生器等基础测量仪器，国产和进口产品在功能、易用性等方面还存在差距。传统台式仪器制造水平不仅取决于设计，还依赖于工艺和加工水平，因此短期内提高有一定的困难。采用虚拟仪器技术，将过去仪器中许多靠硬件实现的功能用软件来代替，利用商业化的数据采集和PC技术，完全可以开发出各行各业急需的各种测量仪器，缩短我国和先进国家在仪器领域的差距。
（3）实验室应用
为了提供一定的实验规模，传统的教学实验室一般需要购置大量的基础测量仪器，如示波器、万用表、信号源等，投资大、技术更新快、维护困难。利用虚拟仪器技术，可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作等方面完全一样的全软件虚拟仪器，利用这些虚拟仪器，就可以学习和掌握仪器原理、功能和操作，并通过仪器与仪器、仪器与电路的相互配合，完成实际测试过程，达到与用实际仪器教学的相同目的。这就从根本上改变传统实验教学方法，降低实验室建设和管理技术，实现远程实验设计。通过这样一种实验方法，也可以培养学生的求知兴趣和创新能力]1[。
1．3虚拟仪器技术的发展及测控技术的发展趋势
（1）仪器技术、计算机通信技术和网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被成为21世纪科学技术中的三大核心技术。20世纪80年代首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器必将是虚拟技术领域中的重要组成部分，它已经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得出的伟大成果。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，特别是推出的LabVIEW图形编程环境和LabWindows/CVI编程环境已经得到广泛的应用。在NI公司之后，著名的美国HP公司紧紧跟上推出了HPVEE编程系统可以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，也相继推出了总线系统多达数百种的虚拟仪器。作为仪器领域中新兴的技术，虚拟仪器的研究，开发在国内已经经过了起步阶段。从20世纪90年代中期以来，各高校和高科技公司，在研究和
开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及消化HP公司、NI公司的产品等方面做了一系列有益的工作，并取得了一定的成果。21世纪中叶，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将占到电测仪器的50%，这一预测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看清了虚拟仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到21世纪虚拟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。
虚拟仪器的一大特点是集成性。如果将多种测试仪器的测试、虚拟仪器库功能的形成过程软件化，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。同样，如果将仪器的面板控件也一一软化后集成于机内，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。这时用户便可以从仪器库中调用自己需要的仪器或若干仪器组成的实验研究所需要的虚拟仪器系统。构成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和控件模块。
VI技术经过十几年的发展，正沿着总线和驱动程序的标准化、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化等方向发展。目前，VI技术已发展成具有GPIB、PCI、VXI和PXI四种标准体系的结构开放的技术。由于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。随着测量控制过程的网络化，一个真正的虚拟化的测控时代即将到来。
（2）随着计算机技术、网络通信技术的进步而不断发展，21世纪的仪器概念将是一个开发的系统概念。以PC机和工作站为基础，通过组建网络来形成实用的测控系统，提高生产效率和共享信息资源，已成为现代仪器仪表发展的方向。从某种意义上来说，计算机和现代仪器仪表已相互包容，计算机网络也就是通用的仪器网络，如果在测控系统中有更多不同类型的智能设备也像计算机和工作站一样成为网络的节点联入网络，比如各种智能设备、虚拟仪器及传感器等，它们充分利用目前比较成熟的Internet网络的设施，不仅能实现更多资源的共享，降低组建系统的费用，还可以提高测控系统的功能，并拓宽了应用的范围。“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。
目前，以Internet为代表的计算机网络正迅速地发展，随着网络通道容量的扩大，网络速度也不再是网络应用的障碍。利用现有的Internet网络设施，网络化传感器已经应用到分布式测控系统中，简化了系统建设和设备维护，降低了费用并提高了系统的功能，随着测控网络的发展，测控网络和信息网络的互联技术也将日益完善，最终实现大规模对等的范围和广度，一定将以更快的速度扩大。
计算机技术、传感器技术、网络技术和测量、测控技术的结合，使网络化、分布式测控系统的组建更为广泛。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。在国防、通信、航空、气象、制造等领域，对大范围的网络化测控将提出迫切的需要，网络技术也必将在测控领域得到广泛的应用，网络化仪器很快会发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代测量技术和网络测量技术的进步]1[。
1．4虚拟仪器的国内外现状及发展趋势
（1）国外发展历程
随着个人计算机技术的出现，人们开始考虑使用计算机来处理传统仪器所测的数据。由此，GPIB技术在20世纪70年代发展起来，但由于它带宽限制了数据向计算机的实时传输，所以大量的数据处理工作还依靠仪器自身所带的功能。20世纪80年代，随着计算机技术的进一步发展，个人计算机可以带有多个扩展槽，就出现了插在计算机里的数据采集卡，它可以进行一些简单的数据采集，数据的后处理由计算机软件完成，这就是虚拟仪器技术的雏形。1986年，美国NI公司提出了“软件即仪器的口号”，推出了NI—LabVIEW
直观的流程图编程和运行程序的平台。20世纪90年代，计算机总线速度进一步加快，PCI 总线的数据传输速度达到了132Mbytes/s。1996年，美国NI公司在PCI技术联盟已经有近60家成员公司为这一平台开发产品。
（2）我国虚拟仪器的发展历程
1985年，我国东方振动和噪声技术研究所开始提出PC卡泰——微机卡式采集测试分析仪的概念，并推出了数据采集和信号处理软件，随后又提出了“把实验室拎着走”的口号，进而进行了虚拟仪器库平台的研发，实现了INV虚拟仪器库。DASP软件概念突破了传统的随机振动信号分析仪和FFT分析仪概念，实现了向虚拟仪器和计算机采集测试分析仪器概念的过渡。其间，研究所研制了国内第一台虚拟仪器——PC卡泰INV101，接着又推出了台式机用的INV303和便携式笔记本式的INV306系统，并与1993年到加拿大展出，实现了VI的飞跃。到2002年底，已有800多家用户使用COINV生产的26种INV3031306系列产品。
随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展：
（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总线的虚拟仪器是插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PCI插槽有限，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造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，所以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。
（2）PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统
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，将使它成为大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。
（3）网络化虚拟仪器
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，不过NI公司已经开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使我们可以通过Internet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，很方便地将虚拟仪器组成计算机网络。使用网络技术将分散在不同位置和不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备，软件在网络上得到共享，减少了设备重复投资。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。1．5本文所做的工作
虚拟仪器技术是一项涉及多种技术领域的综合性技术，并且也是一项仍然在不断发展的新技术。总体上说，虚拟仪器计术包括软件/硬件两个层次的内容。本文在内容上以虚拟仪器软件/硬件为两条主线，软件以虚拟仪器软件标准和虚拟仪器软件开发平台为中心，硬件则是以不同的接口总线为核心展开论述。
本文首先简单介绍了测控领域的发展，由传统仪器在灵活性、可扩展性、经济性上的局限性，引出了虚拟仪器的出现，并且了解到虚拟仪器在国内外两方面的发展情况和现状。
在虚拟仪器简介一章里，介绍了虚拟仪器的优点、类型及组成，同时也阐述了测控领域面临的挑战和对策，更进一步认识到虚拟仪器出现的必然性。
以下从硬件/软件两个方面分别进行论述。首先是硬件，介绍了PCI总线、CompactPCI 总线、PXI总线及VXI总线，并通过比较确定本设计选用的数据采集卡类型。
最后一部分则以虚拟仪器软件LabVIEW为中心，分别从定义、特点及三大模块等几方面详细介绍了虚拟仪器开发环境，并且利用硬件部分的设计，完成信号采集，配以LabVIEW中的功能模块的组合实现谐波测试的功能，并对测试结果进行分析。另外，还简单介绍了虚拟仪器在电力系统中其他方面的应用。