1.1 虚拟仪器

虚拟仪器（Virtual Instrumention，VI）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说，这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。图1-1所示的框图反映了典型的PC—DAQ/PCI虚拟仪器方案。

图1-1 典型的PC—DAQ/PCI虚拟仪器方案

虚拟仪器的主要特点有：

1）尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。

2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。

3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

1.1.1 虚拟仪器的发展

虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防和航天等领域已经有了相当的发展。PC出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统和有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。

LabVIEW 8.6为多线程功能添加了更多特性。使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性，LabVIEW Real-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次成为进行并行编程的首选。

普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，后来又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。

虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互联及与计算机的连接。使用较多的是IEEE 488或GPIB协议，未来的仪器也应当是网络化的。

所有PC主流技术的新进展，不管是CPU的更新还是便携式计算机的进步，不管是操作系统平台的提升还是网络的应用扩展，都能够为虚拟仪器系统技术带来新的活力和飞跃。

1.1.2 LabVIEW简介

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。Lab_- VIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP和ActiveX等软件标准的库函数，这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的程序语言又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能地利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

1.1.3 虚拟仪器与传统仪器的比较

传统的电子测量仪器（如示波器、万用表、频率计和信号源等）是由专业生产厂家制造的具有特定功能和仪器外观的测试设备，具有固定不变的操作面板，采用固定不变的电子线路和专用接口器件，固化的系统软件。因此，仪器的功能是固定的、用户的扩展性差，只能完成单一的或固定的测试工作。

虚拟仪器是一个全新的概念，多年前，美国国家仪器（National Instruments，NI）公司提出“软件即是仪器”的虚拟仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革。虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能的飞速发展，已把传统仪器远远地抛到后面。用户通过鼠标和键盘操作虚拟仪器面板上的开关、旋钮和按键等选用仪器功能，设置各种参数，启动或停止一台仪器工作。虚拟仪器实现了测量仪器智能化、多样化和模块化，即在相同的硬件平台上由用户通过软件编程实现不同的测试与控制。表1-1为虚拟仪器与传统仪器的比较。

表1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较

1.1.4 虚拟仪器实验平台

虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。

1）传统仪器一般只能单独测量某个电量，如电压表只能测量电压，信号源只能产生各种信号。而一台虚拟仪器可以同时构成多台仪器，这些仪器具有控制通道和数据通道，可以完成对多个参数的自动采集与分析、信息的存储显示、综合与控制，符合现代信息处理的要求。

2）对于越来越复杂的测试系统，如果还使用传统测试仪器，必须由多台仪器搭建，面对不同生产厂家的仪器，用户需要学习不同仪器的操作方法后才能正确使用。虚拟仪器具有良好的人机界面，菜单式操作，利用鼠标和键盘，大大简化了仪器操作，用户通过图形化界面控制仪器的运行，完成对信号的采集、分析、判断、显示及数据存储。

3）目前，微处理器、DSP技术和嵌入式系统等技术的快速发展改变了传统仪器设计理念，原来很多由硬件完成的功能逐步由软件完成，虚拟仪器具有自动化程度高、可靠性好、价格低、升级容易和系统维护好等优点。

4）虚拟仪器利用计算机强大处理显示功能，使仪器许多功能由计算机完成，如果需要增加某些功能，只需改变软件设计。

因此，基于虚拟仪器技术的电子测试仪器将成为新模式电子技术平台。