簡介
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，虛拟儀器（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，這都歸功于其直觀化的圖形編程語言。虛拟儀
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，使我們能夠輕松地查看、修改數據或控制輸入。
美國國家儀器公司NI（National Instruments）提出的虛拟測量儀器（VI）概念，引發了傳統儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網絡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“軟件即是儀器”的先河。
“軟件即是儀器”這是NI公司提出的虛拟儀器理念的核心思想。從這一思想出發，基于電腦或工作站、軟件和I/O部件來構建虛拟儀器。I/O部件可以是獨立儀器、模塊化儀器、數據采集闆（DAQ）或傳感器。NI所擁有的虛拟儀器産品包括軟件産品（如LabVIEW）、GPIB産品、數據采集産品、信号處理産品、圖像采集産品、DSP産品和VXI控制産品等。
優勢
同其他技術相比，虛拟儀器技術具有四大優勢：
性能高
虛拟儀器技術是在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盤的同時就能實時地進行複雜的分析。此外，不斷發展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛拟儀器技術展現其更強大的優勢。
擴展性強
NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于NI軟件的靈活性，隻需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件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産品上市的時間。
節約時間
在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器
儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件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，使我們輕松地配置、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。
無縫集成
虛拟儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。随着産品在功能上不斷地趨于複雜，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的虛拟儀器軟件平台為所有的I/O設備提供了标準的接口，幫助我們輕松地将多個測量設備集成到單個系統，減少了任務的複雜性。
分類
虛拟儀器的發展随着微機的發展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：
1、PCI總線——插卡型虛拟儀器
這種方式借助于插入計算機内的數據采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結合（注：美國NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自己組建各種儀器。Labview/cvi是基于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總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱内部的噪聲電平較高，插槽數目也不多，插槽尺寸比較小，機箱内無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛拟儀器已經淘汰，PCI總線的虛拟儀器價格比較昂貴。
2、并行口式虛拟儀器
最新發展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒内。儀器軟件裝在計算機上，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、程控穩壓電源、數據記錄儀、數據采集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛拟儀器,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，實現台式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特别适合于研發部門和各種教學實驗室應用。
3、GPIB總線方式的虛拟儀器
GPIB技術是IEEE488标準的虛拟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接口卡和若幹台GPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在标準情況下，一塊GPIB接口可帶多達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，主要應用于台式儀器，适合于精确度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應用。
4、VXI總線方式虛拟儀器
VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在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。由于它的标準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精确、模塊可重複利用、衆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。有其他儀器無法比拟的優勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。
5、PXI總線方式虛拟儀器
PXI總線方式是PCI總線内核技術增加了成熟的技術規範和要求形成的，增加了多闆同步觸發總線的技術規範和要求形成的，增加了多闆發總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而台式PCI系統隻有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總線面向儀器領域的擴展優勢結合起來，将形成未來的虛拟儀器平台。
發展過程
1、GPIB→VXI→PXI總線方式（适合大型高精度集成系統）GPIB 于1978年問世，VXI于1987年問世，PXI于1997年問世。
2、PC插卡→并口式→串口USB方式（适合于普及型的廉價系統，有廣闊的應用發展前景）PC插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口USB方式于1999年問世。
綜上所述，虛拟儀器的發展取決于三個重要因素。①計算機是載體,②軟件是核心③高質量的A/D采集卡及調理放大器是關鍵。
設計方案
1 虛拟儀器系統的構成
虛拟儀器由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛拟儀器面闆組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC為基礎的内置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛拟儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統進行通訊，并以虛拟儀器面闆的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面闆操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠标操作虛拟儀器的面闆就如同操作真實儀器一樣真實與方便。
1.1 虛拟儀器系統的硬件構成
虛拟儀器的硬件系統一般分為計算機硬件平台和測控功能硬件。計算機硬
件平台可以是各種類型的計算機，如台式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理着虛拟儀器的軟件資源，是虛拟儀器的硬件基礎。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網絡、總線标準等方面的發展，導緻了虛拟儀器系統的快速發展。
按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種标準體系結構，它們主要完成被測輸入信号的采集、放大、模/數轉換。
1.2虛拟儀器系統的軟件構成
測試軟件是虛拟儀器的主心骨。NI公司在提出虛拟儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛拟儀器的特征，強調軟件在虛拟儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛拟儀器開發軟件。使用者可以根據不同的測試任務，在虛拟儀器開發軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現當代科學技術複雜的測試任務。在虛拟儀器系統中用靈活強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件，特别是系統中應用計算機直接參與測試信号的産生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛拟儀器測試系統的軟件主要分為以下四部分。
1.2.1儀器面闆控制軟件
儀器面闆控制軟件即測試管理層，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，放在虛拟儀器的前面闆上。
1.2.2數據分析處理軟件
利用計算機強大的計算能力和虛拟儀器開發軟件功能強大的函數庫可以極大提高虛拟儀器系統的數據分析處理能力，節省開發時間。
1.2.3儀器驅動軟件
虛拟儀器驅動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅動器與通信接口及使用開發環境相聯系，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。儀器驅動器是虛拟儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛拟儀器驅
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、查看儀器狀态等。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接口軟件
在虛拟儀器系統中，I/O接口軟件作為虛拟儀器系統軟件結構中承上啟下的一層，其模塊化與标準化越來越重要。VXI總線即插即用聯盟，為其制定了标準，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O标準，VISA具有與儀器硬件接口無關性的特點， 即這種軟件結構是面向器件功能而不是面向接口總線的。應用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統或具有RS232接口的設備上，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件開發的方式和手段。
2 虛拟儀器系統軟面闆的設計标準
虛拟儀器軟面闆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接口。其設計準則是：
（1） 按照VPP規範設計軟面闆，使面闆具有标準化、開放性、可移植性。
（2） 根據測試要求确定儀器功能。根據測試任務确定儀器軟面闆具體測試、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闆。按照面向對象的設計思想，一個虛拟儀器集成系統由多個虛拟儀器組成，每個虛拟儀器均由軟面闆控制。軟面闆由大量的虛拟控件組成。
3 虛拟儀器系統的組建方案
在虛拟儀器系統的組建方案，主要包括底層硬件、軟硬件接口、應用程序以及驅動程序的設計與開發。
3.1 制定所設計儀器的接口形式
如果儀器設備具有RS-232串行接口，則直接用連線将儀器設備和計算機的RS-232串行口連接即可。如果是GPIB接口，需要額外配備一塊GPIB-488接口闆，将接口闆插入計算機的ISA插槽，建立起計算機與儀器設備之間的通信橋梁。如果使用計算機來控制VXI總線設備，則需要配置一塊GPIB接口卡，通過GPIB 總線與VXI主機箱零槽模塊通信。零槽模塊的GPIB-VXI翻譯器将GPIB 的命令翻譯成VXI命令并把各模塊返回的數據以一定的格式傳回主控計算機。DAQ數據采集卡是基于計算機标準總線的，因此可以将數據采集卡直接插到計算機的插槽上。
3.2 開發硬件采集卡
一種典型的數據采集卡組成包括，先用傳感器把非電的物理量轉變成模拟電量，采樣/保持器可以保持信号，實現對瞬時信号進行采集，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拟信号進行采樣。多路模拟開關可以分時選通來自多個輸入通道的某一路信号，這樣在多路開關後的單元電路，隻需一套即可，也可以采用計算機進行多路選擇控制。
當傳感器輸出的信号比較小，可以用放大器放大和緩沖輸入信号，如果采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确定增益倍數。精度及性能是儀器系統的生命，而這完全依賴于提供基礎數據的信号采集控制電路，因此在硬件采集電路的設計時，需根據所設計的虛拟儀器所要達到的性能指标和被測信号的特點，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，在硬件和軟件功能的設計上要盡量使虛拟儀器的結構簡單，可靠性高，成本低廉，選用合适的單元器件，盡可能的提高采集卡采集的精度和速度。
3.3 确定設計采集卡的設備驅動程序方案
采集卡的設備驅動程序是控制各種硬件采集卡的驅動程序，是連接主控計算機與信号采集調理部件的紐帶。驅動程序的實質是為用戶提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數集，它是虛拟儀器核心軟件之一。
3.4确定虛拟儀器系統應用程序編程語言
虛拟儀器系統軟件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，因此在開發虛拟儀器系統的軟件部分時，首先要根據所開發的虛拟儀器功能和性能，确定應用程序和軟面闆程序的模塊結構和功能，畫出各部分的流程圖，采用合适的編程語言。在編制虛拟儀器軟件中可采用兩種編程方法。
一種是采用面向對象的可視化的高級編程語言，如VC++、VB和Delphi等編寫虛拟儀器的軟件，這種方法實現的系統靈活性高，易于擴充和升級維護。另一種是采用圖形化編程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用圖形化編程的優勢是軟件開發周期短、編程較簡單，特别适合工程技術人員使用。總之在編寫程序時，要盡可能的讓每一模塊都有一定的獨立性，模塊之間明确定義接口，模塊之間可以采用數據傳遞的形式進行聯系。
3.5軟件調試和運行
程序編寫好以後要對各模塊進行調試和運行，可以通過采集各種标準信号來驗證虛拟儀器系統功能的正确性和性能的優良性。
