1.1 虛擬儀器

隨著計算機技術、大規模集成電路技術和通信技術的飛速發展，儀器技術領域發生了巨大的變化。從最初的模擬儀器到現在的數字化儀器、嵌入式系統儀器和智能儀器；新的測試理論、測試方法不斷應用于實踐；新的測試領域隨著學科門類的交叉發展不斷涌現；儀器結構也隨著設計思想的更新不斷發展。儀器技術領域的各種創新積累使現代測量儀器的性能發生了質的飛躍，導致了儀器的概念和形式發生了突破性的變化，出現了一種全新的儀器概念——虛擬儀器（Virtual Instrument）。

虛擬儀器把計算機技術、電子技術、傳感器技術、信號處理技術和軟件技術結合起來，除繼承傳統儀器的功能外，還增加了許多傳統儀器所不能及的先進功能。虛擬儀器的最大特點是其靈活性，用戶在使用過程中可以根據需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求和各種環境，并且能充分利用計算機豐富的軟硬件資源，突破傳統儀器在數據處理、表達、傳送以及存儲方面的限制。

1.1.1 概念

虛擬儀器是指通過應用程序將計算機與功能化模塊結合起來，用戶可以通過直觀、友好的圖形界面來操作計算機，就像在操作自己定義、自己設計的儀器一樣，從而完成對被測量的采集、分析、處理、顯示、存儲和打印。

虛擬儀器的實質是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結果：利用計算機強大的軟件功能實現信號的運算、分析和處理；利用I/O接口設備完成信號的采集與調理，從而完成各種測試功能的計算機測試系統。使用者用鼠標或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺專用的測量儀器一樣。因此，虛擬儀器的出現，使測量儀器與計算機的界限模糊了。

虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包含以下兩方面的含義。

1）虛擬儀器面板上的各種“圖標”與傳統儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的：由各種開關、按鈕、顯示器等圖標實現儀器電源的“通”“斷”，實現被測信號的“輸入通道”“放大倍數”等參數的設置，以及實現測量結果的“數值顯示”“波形顯示”等。

傳統儀器面板上的器件都是實物，而且是由手動和觸摸進行操作的；虛擬儀器前面板是外形與實物相像的“圖標”，每個圖標的“通”“斷”“放大”等動作通過用戶操作計算機鼠標或鍵盤來完成。因此，設計虛擬儀器前面板就是在前面板設計窗口中擺放所需要的圖標，然后對圖標的屬性進行設置。

2）虛擬儀器測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現的，虛擬儀器是在以PC為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實現儀器的功能。因為可以通過不同測試功能軟件模塊的組合來實現多種測試功能，所以在硬件平臺確定后，就有“軟件就是儀器”的說法。這也體現了測試技術與計算機深層次的結合。

1.1.2 開發環境

應用軟件開發環境是設計虛擬儀器所必需的軟件工具。應用軟件開發環境的選擇，因開發人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶一個界面友好、功能強大的應用程序。

軟件在虛擬儀器中處于重要的地位，它肩負著對數據進行分析處理的任務，如數字濾波、頻譜變換等。在很大程度上，虛擬儀器能否成功的運行，都取決于軟件。因此，美國NI公司提出了“軟件就是儀器”的口號。

通常在編制虛擬儀器軟件時有兩種方法。一種是傳統的編程方法，采用高級語言，如VC++、VB、Delphi等；另一種是采用流行的圖形化編程方法，如采用NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI軟件以及HP公司的VEE等軟件進行編程。使用圖形化軟件編程的優勢是軟件開發周期短，編程容易，適用于不具有專業編程水平的工程技術人員。

虛擬儀器系統的軟件主要包括儀器驅動程序、應用程序和軟面板程序。儀器驅動程序主要用來初始化虛擬儀器，設定特定的參數和工作方式，使虛擬儀器保持正常的工作狀態。應用程序主要對采集來的數據信號進行分析處理，用戶可以通過編制應用程序來定義虛擬儀器的功能。軟面板程序用來提供用戶與虛擬儀器的接口，它可以在計算機屏幕上生成一個和傳統儀器面板相似的圖形界面，用于顯示測量和處理的結果，另一方面，用戶也可以通過控制軟面板上的開關和按鈕，模擬傳統儀器的操作，通過鍵盤和鼠標，實現對虛擬儀器系統的控制。

1.1.3 組成

從功能上來說，虛擬儀器通過應用程序將通用計算機與功能化硬件結合起來，完成對被測量的采集、分析、處理、顯示、存儲和打印等功能，因此，與傳統儀器一樣，虛擬儀器同樣劃分為數據采集、數據分析處理、結果表達三大功能模塊。圖1-1所示為其內部功能框圖。虛擬儀器以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測試能力結合起來，實現了儀器的 功能。

圖1-1中采集處理模塊主要完成數據的調理采集；數據分析模塊對數據進行各種分析處理；結果表達模塊則將采集到的數據和分析后的結果表達出來。

虛擬儀器由通用儀器硬件平臺（簡稱硬件平臺）和應用軟件兩大部分構成。其結構框圖如圖1-2所示。

1.硬件平臺

虛擬儀器的硬件平臺由計算機和I/O接口設備組成。

1）計算機是硬件平臺的核心，一般為一臺PC或者工作站。

2）I/O接口設備主要完成被測輸入信號的放大、調理、模數轉換和數據采集。可根據實際情況采用不同的I/O接口硬件設備，如數據采集卡（DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器和串口儀器等。虛擬儀器構成方式有五種類型，如圖1-3所示。無論哪種VI系統，都是通過應用軟件將儀器硬件與通用計算機相結合的。

2.軟件平臺

虛擬儀器軟件將可選硬件（如DAQ、GPIB、RS232、VXI和PXI）和可以重復使用源代碼庫函數的軟件結合起來，實現模塊間的通信、定時與觸發，源代碼庫函數為用戶構造自己的虛擬儀器系統提供了基本的軟件模塊。當用戶的測試要求變化時，可以方便地由用戶自己來增減軟件模塊，或重新配置現有系統以滿足其測試要求。

虛擬儀器軟件包括應用程序和I/O接口設備驅動程序。

（1）應用程序

1）實現虛擬儀器前面板功能的軟件程序，即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。虛擬儀器在工作時利用軟面板去控制系統。與傳統儀器前面板相比，虛擬儀器軟面板的最大特點是軟面板由用戶自己定義。因此，不同用戶可以根據自己的需要組成靈活多樣的虛擬儀器控制面板。

2）定義測試功能的流程圖軟件程序，利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發軟件功能強大的函數庫，極大提高了虛擬儀器的數據分析處理能力。如HP-VEE可提供200種以上的數學運算和分析功能，從基本的數學運算到微積分、數字信號處理和回歸分析。LabVIEW的內置分析能力能對采集到的信號進行平滑、數字濾波、頻域轉換等分析處理。

（2）I/O接口設備驅動程序

I/O接口設備驅動程序用來完成特定外部硬件設備的擴展、驅動與通信。