虚拟仪器及其应用

虚拟仪器是80年代末出现的新的仪器概念，它是计算机技术、测量仪器技术和软件技术的高速发展共同孕育出的一项革命性新技术。虚拟仪器的出现，彻底改变了传统的仪器观，开辟了测量测试技术的新纪元。

1　虚拟仪器的概念

微机及DSP提供了强大的计算能力使得在一定的实时性要求下代替了许多原来由硬件完成的功能，这标志着“软件即仪器（The software is the instrument）”时代的到来。人们给这样的测试仪器起了一个形象的名字——虚拟仪器。

从1987年以专用集成电路(ASIC)和计算机技术为基础的总线仪器——虚拟仪器的雏形问世，到1993年虚拟仪器已发展到三百多家厂商、一千多种虚拟仪器产品，1995年厂商更达一千余家，产品达数千种。据预测，到2000年将有50%的仪器仪表是虚拟仪器。

1．1　虚拟仪器的概念

虚拟仪器指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，它可利用软件在微型机屏幕上构成虚拟仪器面板，在有足够的硬件支持下对信号进行采样，在离线条件下，经软件处理而得到测量结果。它具有结构简单、一机多用、测量精度高等特点，使用者自己操作这台计算机，就象是在操作一台自己专门设计的传统电子仪器。

虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合的产物，是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何使用者都可通过修改软件的方法方便地改变、增减仪器系统的功能和规模。

1．2　虚拟仪器的优点

我们知道，任何仪器都基本上分三部分组成，即数据采集与控制、数据处理与分析、数据的显示。传统仪器是将这三部分放在一个仪表机箱内，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。虚拟仪器相对传统仪器的优势是显而易见的，概括起来有以下几个方面：

（1）　传统仪器功能由仪器厂商定义；虚拟仪器功能由用户自己定义。仪器制造厂仅需提供基本的软硬件，如信号调节器、信号转换器等硬件和仪器应用软件生成环境等软件，真正需要什么样的仪器功能则是用户自己的事情。

（2）　传统仪器与其它仪器设备的连接受限制；而虚拟仪器则是面向应用的系统结构，可方便地与网络、外设及其它应用连接。

（3）　传统仪器图形界面小，人工读数，信息量少；虚拟仪器则展现图形界面，计算机直接读数、分析处理。

（4）　硬件是传统仪器的关键部分；而虚拟仪器中硬件仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器的关键部分，其测试功能均由软件来实现。

（5）　传统仪器系统封闭，功能固定；虚拟仪器则是基于计算机技术的开放灵活的功能模块，可构成多种仪器。

（6）　传统仪器扩展性差，数据无法编辑；虚拟仪器数据可编辑、存储、打印。

（7）　信号每经过一次硬件处理都会引起误差；由于虚拟仪器减少了硬件的使用，因而减少了测量误差。

（8）　传统仪器价格高，技术更新慢（周期为5～10 a），开发和维护费用亦高；虚拟仪器价格低（是传统仪器的五至十分之一），而且可重复利用，技术更新也快（周期为1～2 a），基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用。

虚拟仪器在国际上早已进入实用阶段，在我国虽刚起步，但发展迅速，已在电子测量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析、物矿勘探、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中广泛应用。

2　虚拟仪器的系统构成

虚拟仪器的基本框图如图1所示。



图1　虚拟仪器构成的基本框图

2．1　虚拟仪器的硬件构成

如图1，虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种：

（1）　基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统

GPIB（General Purpose Interface Bus）仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用GPIB接口卡将若干GPIB仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易。它可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。

利用GPIB技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可预先编制好测试程序，实现自动测试，提高了测试效率。

（2）　基于数据采集的虚拟仪器系统

通过A/D变换将模拟、数字信号采集入计算机进行分析、处理、显示等，并可通过D/A转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。