虚拟仪器的概念

第八章虚拟仪器设计8.1 虚拟仪器技术随着计算机技术的高度发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。

虚拟仪器是20世纪90年代提出的概念，是现代计算机技术、仪器技术及其它新技术完美结合的产物。

虚拟仪器的提出与发展，标志着21世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向。

8.1.1 虚拟仪器的概念传统仪器一般是一台独立的装置，从外观上看，它一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。

操作面板上一般有一些开关、按钮、旋钮等。

检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及打印输出等。

从功能方面分析，传统仪器可分为信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几个部分。

传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。

传统仪器大都是一个封闭的系统，与其它设备的连接受到限制。

另外，传统仪器价格昂贵，技术更新慢（周期为5至10年），开发费用高。

随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展，出现了数字化仪器和智能仪器。

尽管如此，传统仪器还是没有摆脱独立使用和手动操作的模式，在较为复杂的应用场合或测试参数较多的情况下，使用起来就不太方便。

由于以上这些原因，使传统仪器很难适应信息时代对仪器的需求。

那么如何解决这个问题呢？可以设想，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能，这就是设计虚拟仪器的核心思想。

所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。

虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。

随着计算机技术的快速发展、CPU处理能力的增强、总线吞吐能力的提高以及显示技术的进步，人们逐渐意识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。

填空题、判断题、简答题及程序分析题（与实验有关）复习范围：1虚拟仪器概念是什么？虚拟仪器是一个系统，分为两个部分。

一个部分是软件，另一个部分是硬件。

拿来一个任务，一个问题，提出一种解决方法，这种方法就是虚拟仪器。

基于计算机的仪器，即由测试硬件完成信号的采集与控制，而将信号分析与处理、结果表达与输出让计算机来完成的仪器。

2虚拟仪器与传统仪器的区别是什么？虚拟仪器系统—硬件模块化,软件集成化。

作为一个具体的例子，我们来看一下经典的传统仪器系统，它应该包括一个示波器，一个信号源、数字完用表，还可能包括一个多路复用开关系统，但是这些设备占用了我们实验室大量宝贵的空间，而且它们的成本是非常昂贵的，加上除了它们定义好的功能之外，并不能提供给我们更这些设备占用了我们实验室大量宝贵的空间，PXI机箱，PXI系统还包括一块8通道DSA卡、两块多功能数据采集卡、一块视频信号发生器和一块数字完用表。

这样就节省我们实验室的有限空间，而且与计算机组件的高度集成，大大提高了仪器的性价比。

这是传统仪器和虚拟仪器的性能比较。

3虚拟仪器的优势及应用？4什么是LabVIEW? LabVIEW的主要优势是什么？LabVIEW 作为领先的图形化系统设计软件，拥有直观的图形表达方式和硬件无缝集成的能力，借助丰富函数及相关模块工具包，提升效率的同时拓展应用范围，更好地实现系统应用设计。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。

LabVIEW 采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。

它用图标表示函数，用连线表示数据流向。

LabVIEW在测试、测量和自动化等领域具有最大的优势，因为LabVIEW提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储。

用户可以在数分钟内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。

虚拟仪器总结引言在科学研究和工程领域中，实验仪器是不可或缺的工具。

然而，仪器的购买和维护成本高昂，并且在某些情况下可能不可行。

这就引入了虚拟仪器的概念。

虚拟仪器是一种通过计算机模拟实验仪器功能和响应的工具。

本文将对虚拟仪器进行总结，并探讨其应用和优势。

什么是虚拟仪器?虚拟仪器是一种通过计算机软件模拟实验仪器的功能和响应的工具。

它使用计算机算法和模型来模拟仪器的操作和输出。

虚拟仪器可以模拟各种实验仪器，包括示波器、频谱仪、信号发生器等。

通过虚拟仪器，用户可以在计算机上进行实验和数据采集，而不需要真实的物理仪器。

虚拟仪器通常具有图形用户界面，以便用户可以方便地操作和观察实验结果。

虚拟仪器的应用虚拟仪器在许多领域有广泛的应用。

以下是一些常见的应用领域：1. 教育和培训虚拟仪器在教育和培训中起到了重要的作用。

它可以提供一个实验环境，让学生在不占用实际实验室资源的情况下进行实验。

虚拟仪器还可以提供一个安全的学习环境，避免了可能的实验事故。

教师还可以创建自定义的实验模拟，以满足不同学生的需求。

2. 研究和开发虚拟仪器在科学研究和工程开发中也被广泛使用。

研究人员可以使用虚拟仪器来验证理论模型和算法。

它还可以帮助工程师在产品开发过程中进行实验和优化。

虚拟仪器可以提供快速、准确和可重复的实验结果，加快研究和开发的进展。

3. 远程实验虚拟仪器还可以用于远程实验。

远程实验是一种通过互联网连接到远程实验室进行实验的方式。

虚拟仪器的使用使得远程实验更容易实现。

学生不需要亲自访问实验室，而是可以通过虚拟仪器在计算机上进行实验。

这种方式可以克服时区和地理位置的限制，使得远程教育更具可行性。

虚拟仪器的优势与传统实验仪器相比，虚拟仪器具有以下几个优势：1. 成本效益虚拟仪器的成本远低于实际的仪器。

购买和维护实际仪器是一项昂贵的投资，而虚拟仪器只需要一台计算机和相应的软件。

这使得虚拟仪器成为一种经济实用的替代方案。

2. 灵活性和可扩展性虚拟仪器具有更大的灵活性和可扩展性。

随着科技的飞速发展，虚拟仪器技术作为一种新型的测试测量手段，已经在各个领域得到了广泛应用。

我有幸参与了虚拟仪器实践项目，通过这次实践，我对虚拟仪器技术有了更深入的了解，也收获了许多宝贵的经验和体会。

以下是我对虚拟仪器实践的一些心得体会。

一、虚拟仪器的概念及特点虚拟仪器（Virtual Instrument）是利用计算机技术，结合硬件和软件，实现对传统仪器的功能和性能的拓展和提升。

虚拟仪器具有以下特点：1. 高度集成化：虚拟仪器将传统的测试、测量、控制等功能集成在一个计算机平台上，大大提高了系统的集成度和可靠性。

2. 高度智能化：虚拟仪器通过软件编程，实现对测试数据的采集、处理、分析和显示等功能，提高了系统的智能化水平。

3. 高度灵活性：虚拟仪器可以根据用户需求进行定制，实现不同功能的测试、测量和控制。

4. 高度开放性：虚拟仪器采用开放性标准，便于与其他系统和设备进行连接和交互。

二、虚拟仪器实践过程1. 硬件平台搭建在虚拟仪器实践中，首先需要搭建硬件平台。

我们选择了基于PCI总线的数据采集卡作为硬件核心，配合各种传感器和执行器，实现了对被测对象的实时监测和控制。

2. 软件开发软件开发是虚拟仪器实践的核心环节。

我们采用LabVIEW作为软件开发平台，利用其图形化编程语言和丰富的库函数，实现了对硬件平台的控制、数据采集、处理和分析等功能。

3. 系统调试与优化在软件开发过程中，我们遇到了许多问题，如数据采集不稳定、信号处理不准确等。

通过不断调试和优化，我们逐步解决了这些问题，提高了系统的稳定性和准确性。

4. 系统测试与应用完成软件开发后，我们对虚拟仪器系统进行了全面测试，验证了系统的功能、性能和可靠性。

在实际应用中，虚拟仪器系统表现出了良好的性能，满足了用户的需求。

三、虚拟仪器实践心得体会1. 虚拟仪器技术具有广泛的应用前景通过虚拟仪器实践，我深刻认识到虚拟仪器技术在各个领域的广泛应用。

在科研、工业、医疗等领域，虚拟仪器都可以发挥重要作用，提高测试、测量和控制水平。

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。

虚拟仪器的概念及其系统软硬件结构虚拟仪器是指利用计算机技术与虚拟现实技术相结合，用软件模拟实现各种实验仪器的功能，从而实现具备仪器特点和功能的虚拟环境的系统。

其核心思想是将实际仪器与计算机技术相结合，利用虚拟环境模拟实际的仪器操作和实验过程。

虚拟仪器的系统软件结构主要包括控制软件、数据处理软件、用户界面软件等。

其中，控制软件负责模拟实际仪器的控制和操作，包括仪器的开机、校准、调试、数据采集和数据输出等功能；数据处理软件用于对采集到的数据进行处理、分析和计算，提供更直观的数据结果；用户界面软件用于与用户进行交互，界面通常模拟实际仪器的外观和控制面板，用户通过界面进行操作和监控。

虚拟仪器的系统硬件结构则由多种硬件设备组成。

首先是计算机硬件，包括主机、显示器、鼠标、键盘等，在虚拟仪器系统中主要负责运行和控制虚拟仪器的软件。

其次是数据采集设备，通常包括传感器、数据采集卡等，用于采集实际环境中的物理参数，并将其转换为计算机可以识别的电信号。

另外还包括运动控制设备，如机械臂、执行器等，用于模拟实际仪器的运动和操作。

虚拟仪器的软硬件结构在实现虚拟化过程中互为依赖、相辅相成。

软件通过对硬件设备进行控制和操作，实现了对虚拟仪器的模拟；硬件设备通过传感器、执行器等与实际世界进行交互，为软件提供输入和输出的接口。

软硬件结构的集成和协同工作使得虚拟仪器在模拟实际仪器的功能和操作过程方面更加精细和真实。

虚拟仪器的应用领域非常广泛，涵盖了物理、化学、生物、医学等多个学科领域。

虚拟仪器的优势在于可以提供安全、高效、低成本的实验环境，消除了传统实验仪器的限制，使得学生和研究人员可以在虚拟环境中进行实验和模拟，加深对实验原理和操作过程的理解。

总之，虚拟仪器是一种将计算机技术与虚拟现实技术相结合的系统软硬件结构，通过软件模拟实现各种实验仪器的功能，为用户提供具备仪器特点和功能的虚拟环境。

其软硬件结构互为依赖，通过控制、采集和交互等功能，实现了对实际仪器的模拟和操作。

LabVIEW的基本概念和术语解析LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种由美国国家仪器公司（National Instruments）开发的图形化编程语言和集成开发环境。

它被广泛应用于各种科学和工程领域，用于实时数据采集、信号处理、控制系统设计等。

一、LabVIEW的基本概念1. 虚拟仪器：LabVIEW通过虚拟仪器的概念，将计算机软件与硬件设备相结合，实现了传统仪器的功能。

使用LabVIEW，我们可以创建虚拟仪器（Virtual Instrument），将实验中的传感器、仪器和控制设备的功能模拟成一个虚拟仪器。

虚拟仪器不仅仅是一个图形界面，它还包含了先进的数据处理和分析能力。

通过虚拟仪器，我们可以采集实时数据、分析实验结果，并进行可视化展示。

2. 图形化编程：LabVIEW采用图形化编程语言，即G语言（G Language）。

与传统的文本编程不同，G语言使用图形化的图标和线连接的方式来表示程序的流程和逻辑。

通过图形化编程，我们可以通过拖拽和连接不同的图标来构建程序。

这种方式可以使得程序的结构和逻辑更加直观和易于理解，降低了编程的复杂性。

3. 数据流编程：LabVIEW中的程序被称为虚拟仪器或者VI （Virtual Instrument）。

VI是基于数据流原理工作的，即数据在不同的节点之间流动。

数据流编程使得程序能够以并行的方式工作，每个节点的计算都在数据可用时自动触发。

这种方式可以提高程序的效率和响应速度。

二、LabVIEW的术语解析1. 块图（Block Diagram）：块图是LabVIEW程序的主要视图，用于表示程序的结构和逻辑。

块图由各种图标和线连接组成，展示了数据的流动和处理过程。

2. 前面板（Front Panel）：前面板是LabVIEW程序的用户界面，用于与用户进行交互。

前面板由各种控件和指示器组成，控件用于接收用户的输入，指示器用于显示计算结果或者实时数据。

虚拟仪器虚拟仪器技术是20世纪90年代发展并兴起的一项新技术，主要应用于自动测试、过程控制、仪器设计和资料分析等领域，其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件。

虚拟仪器（VI）的出现是仪器测试测量领域的一个突破，代表着仪器测试测量发展的最新方向和潮流实现了测试测量技术和计算机技术的真正融合，是计算机技术和现代测量技术高速发展共同孕育出的一项新技术。

1.虚拟仪器的概念虚拟仪器是随着计算机技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物，它推动着传统仪器朝着数字化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。

自1986年美国国家仪器公司（National Instruments,简称NI）提出虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）的概念以来，虚拟仪器这种计算机操作的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同和应用。

通常使用的测量仪器基本上由三部分组成：数据获取、数据处理与分析、数据的显示。

传统仪器是将这三部分装入在一个仪器仪表机箱内，而虚拟仪器则是一种功能意义上的仪器，是具有仪器功能的软硬件组合它并不强调物理上的实现形式，所以虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能模块硬件结合起来，充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本仪器设备配件的支持下，利用软件完成资料的采集、控制、资料分析和处理以及测试结果显示的测试测量系统。

它大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的局限性，使用户可以简单、方便地对仪器进行维护、扩展和升级。

众所周知，电子测试自动化是测量仪器发展的主要方向，随着现代科学技术的不断发展，测试项目日益增多，测量范围越来越大，对测试速度精度的要求也越来越高，这些都需要测量仪器和测试方法不断改进和完善，而虚拟仪器系统的特点正适合了这个时代的潮流。

在虚拟仪器系统中，用户使用相同的硬件系统，而只需将具有一种或多种功能的通用模块相互组合，就能设计出不同的仪器系统；同时通过有好的图形接口来操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样方便，而虚拟仪器的“虚拟”在很大程度上也体现在这种模仿真实仪器操作面板的虚拟面板上。