第1章 虚拟仪器概述

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《虚拟仪器技术》
（1）基于PC总线的虚拟仪器 内置PC总线（如ISA、PCI、PC/104）的通用数据采 集卡 （DAQ，Data AcQuisition）。 （2）基于GPIB通用接口总线的虚拟仪器 国际标准（IEEE488.1和IEEE488.2），技术成熟； 但其数据传输速度一般低于500Kb/s，对测试速度要求 很高的场合不太适用。 （3）基于VXl总线的虚拟仪器 具有模块化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI 仪器的互换性和互操作性。 但价格相对较高，适合于高端的测试领域。 （4）基于PXI总线的虚拟仪器 兼容PCI总线产品。 集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性价比最好。
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通过总线技术，可实现： 模块化硬件设计； 标准化；
便于生产、维护（维修）、升级；
较好的经济性。
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仪器与自动测试系统几种常用总线的比较
摘自：Evaluating PXI and VXI Platforms for your Measurement and Automation Needs，NI
（5）因此，软件是虚拟仪器的核心，NI 提出“软件 即仪器”（The software is the instrument）。
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与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点：
（1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性）好； 充分利用计算机丰富的软硬资源。
仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的硬件， 通过软件设计可实现不同的虚拟仪器）。
3. 虚拟仪器通用硬件平台的构成形式
通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备（分立式 或模块式仪器），主要有PC总线的数据采集模块（PCDAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总 线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型，或多 种类型的组合。
I/O 接口设备 PC-DAQ 系统 GPIB 系统 被测信号 VXI 系统 PXI 系统 串口系统 计算机
虚拟数字电压表
基于虚拟仪器的 温度检测与控制
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2. 虚拟仪器的特点
从虚拟仪器的组成结构上来看： （1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用 的测量功能硬件）；
软 件 采集 被测 对象 信号 调理、采集 硬件 激励信号 采集和产生 控制参数 控制和处理 测量 数据 计算机 输出 数据 仪器面板、 鼠标、键盘 数据命令 显示和输出 键入命令 用户
（2）良好的人机界面。虚拟仪器的面板（或称软面板）是 虚拟的（通过“控件”虚拟出面板）； （3）功能强。虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。
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（4）虚拟仪器之“虚拟”含义： 虚拟仪器面板；
软件实现仪器功能。如：基于高速数据采集硬件， 通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚 拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频 率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。
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2. 虚拟仪器的通用硬件平台
（1）通用硬件平台的基本功能 信号采集（模拟、数字输入）； 信号产生（模拟、数字输出）； 信号调理（信号幅度、频率、驱动、隔离等）； 定时与计数； 大容量数据存储。 实时信号处理。 总线与通信。
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1.2 虚拟仪器的形成和发展
1. 虚拟仪器形成的背景 （1）电子测量仪器(Electronic Instruments)及自动测 试系统(Automatic Test System, ATS)的发展
第一代电子仪器 第二代电子仪器 第三代电子仪器 模块化 智能仪器 计算机嵌入到 仪器中 模拟式自动测试系统 第一代测试系统 第二代测试系统 模块化 GPIB 仪器系统 台式仪器积木型 模块化 仪器系统 模块仪器集成型 软件仪器自定义 型 个人仪器 第四代仪器系统 仪器模块嵌入 计算机中 第三代测试系统 虚拟仪器 及系统 第四代电子仪器 数字化 模拟仪器 数字仪器 计算机化
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（2）虚拟仪器是技术发展的结果
计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子 技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用， 使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与 系统的结构不断推陈出新，电子测量仪器及自动测试系 统的结构也发生了质的变化，功能与性能得到不断提高。 计算机（PC机）处于核心地位，计算机软件技术和仪器 与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。 在上述的背景下，提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。 1986年，美国国家仪器公司（NI, National Instrument） 提出了虚拟仪器（Virtual Instrumentation）的概念。
技术更新周期
价格 功能可塑性 系统开放性
短（1~2年）
价格低、可复用与可重配置性强 用户定义仪器功能，柔性 开放、灵活，与计算机技术同步发展
长（5~10年）
价格昂贵 厂商定义仪器功能，刚 性 封闭、固定 功能单一的独立设备 有限的显示选项
构成复杂系统能 易与网络及其他周边设备互连 力 人机交互 无限的显示选项、界面友好 第8页
仪器升级方便，性价比高（一机多用）。 基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟仪器”。 （2）操作方便； 通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面板。 （3）硬件模块化、系列化； 基于仪器总线技术，设计出模块化、系列化硬件。
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虚拟仪器与传统仪器的比较：
比较内容 系统构成 开发周期 开发费用 虚拟仪器 软件和通用硬件。软件是关键 开发时间短、技术要求低、系统通用 性强 软件使得开发和维护费用降至最低 传统仪器 专用硬件系统 开发时间长、技术要求 高、系统功能较专 一 开发与维修开销高
（2）通用硬件平台的组成
计算机 显示器 信号分 采集多路器 信号调理 A/D 变换器 数据 存储器 析处理 及控制 单片机 信号调理 D/ A 变换器 数据 存储器 波形数 据发生 DSP、 FPGA） 键盘 人 机 接 口
信号 输入
信号 输出
标准接口
整形电路
定时计数器
数字I/O
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虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：是一种以 计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核 心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面 板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软 件来定义的计算机仪器。
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如：虚拟示波器
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（3）虚拟仪器技术的发展与展望
虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物。多 门学科多种技术的融合，如测试技术、计算机技术、 软件技术、数字信号处理、总线与接口、网络与通信、 传感技术、光电技术、微机械技术等。 （1）新的总线技术的应用（如HS488，1394b等）。 （2）速度不断提高。 （3）智能化、模块化、集成化是硬件发展的主流。 （4）软件技术。第一是软件标准化问题；第二是如何 利用各种软件开发环境及工具，编制出符合标准的应 用软件。 （5）网络化仪器系统。 （6）应用范围更加广泛。
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1.4 虚拟仪器的软件系统
1. 虚拟仪器的软件结构
虚拟仪器系统的软件结构包括I/O接口软件、仪器驱 动程序和应用软件三部分。
应 用 软 件 仪器驱动程序 I/O 接口软件（VISA 库）
Serial
VXI
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GPIB 等
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（1）I/O接口软件（VISA库） I/O接口软件存在于仪器设备（即I/O接口设备）与 仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器进行 直接存取数据操作，并为仪器设备与仪器驱动程序 提供信息传递的底层软件。 VPP规范了虚拟仪器的I/O接口软件的特点、组成、 内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪 器I/O接口软件定义为VISA（虚拟仪器软件结构） 软件。 VISA库，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范 的总称。 VISA函数库驻留于计算机系统中，是计算机与仪 器之间的标准软件通信接口，用以实现试系统
标准化
特定设计专用型
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（2）仪器与自动测试系统总线技术
总线（bus）：信号或信息传输的公共路径。 片内总线：微处理器芯片内连接内部各逻辑单元； 片间总线：元件级总线（如典型的微机“三总线结 构”）。还有串行总线，如：Motorola的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围接口）、Philips的I2C （Inter IC bus，片间总线）、NS的MicroWire（串行 同步双工通信接口）等。 内总线：板级总线。如个人计算机的PC/XT、PC/AT、 ISA、EISA、MCA、PCI，及工业控制的STD、VME、 CompatPCI，仪器与测量系统的CAMAC、VXI、 PXI等。 外总线：外部通信总线。如RS-232/485、USB、 IEEE1394、EPP、SCSI；现场总线CAN、LONworks、 FF；仪器与测量系统的GPIB、CAMAC、HP-IL、 MXI等。
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1.3 虚拟仪器的系统结构
1. 虚拟仪器系统组成及各部分基本功能
（1）虚拟仪器的系统构成 硬件和软件两大部分构成。
硬件是基础，软件是核心。
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（2）各部分基本功能 虚拟仪器的内部功能，可划分为信号采集与控制、 数据分析与处理、结果表示与输出三大功能模块。 信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台， 并配合仪器驱动程序共同完成，而数据分析与处理、 结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。