1.2 虛擬儀器的組成

虛擬儀器的組成包括硬件和軟件兩個基本要素。

1.2.1 虛擬儀器的硬件結構

虛擬儀器的硬件結構如圖1.1所示。硬件是虛擬儀器工作的基礎，主要完成被測信號的采集、傳輸、存儲處理和輸入/輸出等工作，由計算機和I/O接口設備組成。計算機一般為一臺PC或工作站，是硬件平臺的核心，它包括微處理器、存儲器和輸入/輸出設備等，用來提供實時高效的數(shù)據(jù)處理工作。I/O接口設備即采集調(diào)理部件，包括PC總線的數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition， DAQ）卡、GPIB總線儀器、GPIB接口卡、VXI/PXI/LXI總線儀器模塊、串口總線儀器/PLC和現(xiàn)場總線儀器模塊等標準總線儀器，主要完成被測信號的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

根據(jù)構成虛擬儀器接口總線的不同，可分為如下幾種構成方案。

（1）基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器

在以PC為基礎的虛擬儀器中，插入式數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器中最常用的接口形式之一，其功能是將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集到計算機中，或?qū)⒂嬎銠C中數(shù)據(jù)輸出給受控對象，典型結構如圖1.2所示。

這種系統(tǒng)采用PC本身的PCI或ISA總線，將數(shù)據(jù)采集卡插入到計算機的PCI或ISA總線插槽中，并與專用的軟件相結合，完成測試任務。它充分利用了微型計算機的軟、硬件資源，更好地發(fā)揮了微型計算機的作用，大幅度地降低了儀器成本，并具有研制周期短、更新改進方便的優(yōu)點。這種插卡式實現(xiàn)方案性價比極佳。

（2）基于GPIB總線方式的虛擬儀器

通用接口總線（General Purpose Interface Bus，GPIB）是由HP公司于1978年制定的總線標準，是傳統(tǒng)測試儀器在數(shù)字接口方面的延伸和擴展。

典型的基于GPIB總線方式的虛擬儀器系統(tǒng)由一臺PC、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成，如圖1.3所示。通過GPIB技術可以實現(xiàn)計算機對儀器的操作和控制，替代了傳統(tǒng)的人工操作方式，提高了測試、測量效率。

（3）基于VXI總線方式的虛擬儀器

在虛擬儀器技術中最引人注目的應用是基于VXI（VMEbus eXtension for Instrumenta-tion）總線的自動測試儀器系統(tǒng)。由于VXI總線具有標準開放、結構緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多廠家支持等優(yōu)點，所以得到了廣泛應用。經(jīng)過近30年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是在組建大、中規(guī)模自動測試儀器系統(tǒng)和對速度、精度要求高的場合，具有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。典型的基于VXI總線的虛擬儀器系統(tǒng)的構成如圖1.4所示。

（4）基于PXI總線方式的虛擬儀器

PXI（PCI eXtension for Instrumentation）總線是NI公司在1997年9月1日推出的全新的開放性模塊化儀器總線規(guī)范。它以CompactPCI為基礎，是PCI總線面向儀器領域的擴展。PXI總線符合工業(yè)標準，在機械、電氣和軟件特性方面充分發(fā)揮了PCI總線的全部優(yōu)點。PXI總線的傳輸速率已經(jīng)達到132 MBps（32位數(shù)據(jù)總線）或264MBps（64位數(shù)據(jù)總線）。

目前，由于PXI模塊儀器系統(tǒng)具有良好的性價比，所以越來越多的工程技術人員開始關注PXI的發(fā)展，尤其是在某些要求測試系統(tǒng)體積小的使用場合。另外，由于PXI測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高，所以在某些高頻段的測試已經(jīng)采用了PXI測試系統(tǒng)。

把臺式PC的性價比和PCI總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來主流的虛擬儀器平臺之一。典型的基于PXI總線方式的虛擬儀器的構成如圖1.5所示。

（5）基于LXI總線方式的虛擬儀器

2004年9月，VXI科技公司和安捷倫公司共同推出一種適用于自動測試系統(tǒng)的新一代基于局域網(wǎng)（LAN）的模塊化測量儀器接口標準LXI（LAN-based eXtension for Instrumentation），即基于LAN的儀器擴展。開放式的LXI標準于2005年9月正式公布，隨后，LXI標準的特有模塊儀器和測量系統(tǒng)投入市場。LXI是整合了可編程儀器標準GPIB協(xié)議和工業(yè)標準VXI的成果而發(fā)展起來的接口總線技術，它將臺式儀器的內(nèi)置測量技術、PC標準I/O接口與基于插卡框架系統(tǒng)的模塊化集于一體，具有數(shù)據(jù)吞吐量高、模塊化結構好、開放性強、即插即用等特點。

作為以太網(wǎng)技術在自動化測試領域的應用擴展，LXI為高效能的儀器提供了一個自動測試系統(tǒng)的LAN模塊式平臺。無論是相對GPIB、VXI還是PXI，LXI都將是未來總線技術的發(fā)展趨勢。以LXI為主體的虛擬儀器網(wǎng)絡結構如圖1.6所示。在這種構成方案中，GPIB，VXI，PXI， LXI共存于系統(tǒng)，它們通常僅是LAN上的一個節(jié)點，這樣不僅能夠最大地發(fā)揮各自的功能和優(yōu)勢，而且可以相互進行數(shù)據(jù)的傳輸和資源的共享。

1.2.2 虛擬儀器的軟件結構

當虛擬儀器的硬件平臺建立起來之后，設計、開發(fā)、研究虛擬儀器的主要任務就是編制應用程序。軟件是虛擬儀器的關鍵，通過運行在計算機上的軟件，一方面實現(xiàn)虛擬儀器圖形化儀器界面，給用戶提供一個檢驗儀器通信、設置儀器參數(shù)、修改儀器操作和實現(xiàn)儀器功能的人機接口；另一方面使計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特征的分析，完成數(shù)據(jù)的輸入、存儲、綜合分析和輸出等功能。虛擬儀器的軟件一般采用層次結構，包含以下3部分。

（1）輸入/輸出（I/O）接口軟件

I/O接口軟件存在于儀器與儀器驅(qū)動程序之間，是一個完成對儀器內(nèi)部寄存單元進行直接存取數(shù)據(jù)操作、為儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞的底層軟件，是實現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎和核心。虛擬儀器系統(tǒng)I/O接口軟件的特點、組成、內(nèi)部結構與實現(xiàn)規(guī)范等在VPP（VXI Plug&Play）系統(tǒng)規(guī)范中有明確的規(guī)定，并被定義為 VISA（Virtual Instrument Software Architecture）軟件。虛擬儀器軟件框架如圖1.7所示。

（2）儀器驅(qū)動程序

儀器驅(qū)動程序的實質(zhì)是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。對于應用程序，它和儀器硬件的通信、對儀器硬件的控制操作是通過儀器驅(qū)動程序來實現(xiàn)的，儀器驅(qū)動程序?qū)τ趦x器的操作和管理，又是通過調(diào)用I/O軟件所提供的統(tǒng)一基礎與格式的函數(shù)庫來實現(xiàn)的。對于應用程序的設計人員，一旦有了儀器驅(qū)動程序，在不是十分了解儀器內(nèi)部操作過程的情況下，他們也可以進行虛擬儀器系統(tǒng)的設計。儀器驅(qū)動程序是連接頂層應用軟件和底層I/O軟件的紐帶和橋梁。虛擬儀器的組成結構和實現(xiàn)在VPP規(guī)范中也做了明確定義，并且要求儀器生產(chǎn)廠家在提供儀器模塊的同時提供儀器驅(qū)動程序文件和DLL文件。

（3）應用軟件

頂層應用軟件主要包括儀器面板控制軟件和數(shù)據(jù)分析處理軟件，完成的任務有：利用計算機強大的圖形功能實現(xiàn)虛擬儀器面板，給用戶提供操作儀器、顯示數(shù)據(jù)的人機接口，以及數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示和存儲等。VPP規(guī)范要求應用軟件具有良好的開放性和可擴展性。

虛擬儀器軟件的開發(fā)可以利用VisualC++，VisualBasic等通用程序開發(fā)工具，也可以利用像HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW與LabWindows/CVI等專用開發(fā)工具。VC、VB作為可視化開發(fā)工具具有友好的界面、簡單易用、實用性強等優(yōu)點，但作為虛擬儀器軟件開發(fā)工具，一般要在儀器硬件廠商提供的I/O接口軟件、儀器驅(qū)動程序的基礎上進行應用軟件開發(fā)。HP的VEE、NI的LabVIEW及LabWindows/CVI等是隨著軟件技術的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的功能強大的虛擬儀器軟件專用開發(fā)工具，具有直觀的前面板、流程圖式的開發(fā)能力和內(nèi)置數(shù)據(jù)分析處理能力，提供了大量的功能強大的函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用，是構建虛擬儀器的理想工具。

1.2.3 虛擬儀器系統(tǒng)

以PC-DAQ接口的虛擬儀器為例，虛擬儀器系統(tǒng)的整體結構如圖1.8所示。

傳感器將被測信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)整為標準信號后，送數(shù)據(jù)采集卡進行采集。數(shù)據(jù)采集卡中通過多路模擬開關、A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)據(jù)緩存幾個部件將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲在緩存中。計算機通過虛擬儀器編程軟件開發(fā)的應用程序調(diào)用設備驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)采集卡進行控制，讀取并處理采集的數(shù)據(jù)，通過虛擬儀器面板，顯示、打印、輸出測試結果。