1.1 虛擬儀器系統(tǒng)概述

儀器系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了一段很長的歷史。在其早期發(fā)展階段，儀器系統(tǒng)指的是“純粹”的模擬測量設(shè)備，例如EEG記錄系統(tǒng)或示波器。作為一種完全封閉的專用系統(tǒng)，儀器系統(tǒng)包括電源、傳感器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和顯示器等，并且需要手動設(shè)置，才能將數(shù)據(jù)顯示到標度盤、轉(zhuǎn)換器，或者將數(shù)據(jù)打印出來。在當時，如果要進一步使用數(shù)據(jù)，需要操作人員手動地將數(shù)據(jù)復寫到筆記本上。

由于所有的事情都必須要人工操作，因此要對實際采集到的數(shù)據(jù)進行深入分析，或集成復雜的/自動化的測試步驟是很復雜的，甚至是不可能完成的工作。直到20世紀80年代，那些復雜的系統(tǒng)，例如化學處理控制應(yīng)用等，才終于不需要占用到多臺獨立臺式儀器，而是一起連接到中央控制面板，這個控制面板由一系列物理數(shù)據(jù)顯示設(shè)備（例如標度盤、轉(zhuǎn)換器等）以及多套開關(guān)、旋鈕和按鍵組成，專用于儀器的控制。

儀器技術(shù)領(lǐng)域的各種創(chuàng)新積累使現(xiàn)代測量儀器的性能發(fā)生了質(zhì)的飛躍，導致儀器的概念和形式發(fā)生了突破性的變化，出現(xiàn)了一種全新的儀器概念——虛擬儀器。

虛擬儀器把計算機技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、軟件技術(shù)結(jié)合起來，除繼承傳統(tǒng)儀器的已有功能外，還增加了許多傳統(tǒng)儀器所沒有的先進功能。虛擬儀器的最大特點是靈活，用戶在使用過程中可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求和各種環(huán)境，并且能充分利用計算機豐富的軟硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達、傳送以及存儲方面的限制。

1.1.1 虛擬儀器的概念

虛擬儀器通過應(yīng)用程序?qū)⒂嬎銠C與功能化模塊結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像在操作自己定義、自己設(shè)計的儀器一樣，從而完成信息的采集、分析、處理、顯示、存儲和打印。它實際上是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，并以多種形式表達輸出檢測結(jié)果，如利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號的運算、分析和處理，利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集等，從而完成各種測試功能的一種計算機測試系統(tǒng)。使用者用鼠標或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺專用測量儀器一樣。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)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(tǒng)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(guān)、按鈕、顯示器等圖標實現(xiàn)儀器電源的“通”“斷”，實現(xiàn)被測信號的“輸入通道”“放大倍數(shù)”等參數(shù)的設(shè)置，以及實現(xiàn)測量結(jié)果的“數(shù)值顯示”“波形顯示”等。傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是實物，而且是手動操作的；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”等動作由用戶操作計算機鼠標或鍵盤來完成。因此，設(shè)計虛擬儀器前面板就是在前面板設(shè)計窗口中擺放所需的圖標，然后對圖標的屬性進行設(shè)置。

（2）虛擬儀器是在以 PC 為核心組成的硬件平臺的支持下，通過軟件編程來實現(xiàn)儀器功能的，其測量功能通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)。因為可以通過不同測試功能軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種測試功能，所以在硬件平臺確定后，就有了“軟件就是儀器”的說法。這也體現(xiàn)了測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合。

1.1.2 虛擬儀器的優(yōu)勢

在所有測試應(yīng)用軟件中，虛擬儀器技術(shù)有著無法替代的優(yōu)勢。

1.虛擬儀器技術(shù)性能高

虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件 I/O，使用戶在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)技術(shù)和越來越快的計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸速度使得虛擬儀器技術(shù)能展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。

2.虛擬儀器技術(shù)擴展性強

虛擬儀器的軟硬件工具使得工程師和科學家們不再局限于當前的技術(shù)。得益于軟件的靈活性，用戶只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(tǒng)。在利用最新科技的時候，用戶可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。

3.虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)時間短

在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，VI高效的軟件構(gòu)架能與計算機、儀器儀表和通信等最新技術(shù)結(jié)合在一起。VI軟件構(gòu)架的設(shè)計初衷就是為了方便用戶的操作，其靈活性和強大的功能，使用戶可以輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

4.虛擬儀器技術(shù)可實現(xiàn)無縫集成

虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到同一系統(tǒng)，從而減少了任務(wù)的復雜性。

1.1.3 虛擬儀器的特點

虛擬儀器的突出優(yōu)點是不僅可以利用 PC 組建出靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)。它可以通過與不同的接口總線的通信，將虛擬儀器、帶總線接口的各種電子儀器或各種插件單元調(diào)配并組建成為中小型甚至大型的自動測試系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有以下特點。

（1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，面板上布置著種類繁多的顯示單元與操作元件，容易導致許多識別與操作錯誤。而虛擬儀器可通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能，這樣在每個分面板上就實現(xiàn)了功能操作的單純化與面板布置的簡捷化，從而提高操作的正確性與便捷性。同時，虛擬儀器面板上的顯示單元和操作元件的種類與形式不受“標準件”和“加工工藝”的限制，它們由編程來實現(xiàn)，設(shè)計者可以根據(jù)用戶的要求設(shè)計儀器面板。

（2）在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件連接，來完成儀器的各種功能。

（3）儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。

（4）儀器性能的改進和功能擴展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計，而不需購買新的儀器。

（5）研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。

（6）虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。

決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點的根本原因在于“虛擬儀器”軟件可編程，表1-1給出了虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較。