虚拟仪器技术的发展、原理与展望
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虚拟仪器技术的发展、原理与展望
韩洁吴文海王元钦
（中国人民解放军总装备部指挥技术学院北京１０１４１６）
摘要虚拟仪器技术是电子测量技术方面的前沿技术。虚拟仪器将计算机引入到电子测量领域．提高了测量的灵活性和可扩充性等。本文主要介绍了虚拟仪器技术的发展、原理与前景展望。
关键调虚拟仪器电子测量ＧＰＩＢＶＸＩＰＸＩ
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ＴｈｅｏｒｙａｎｄＯｕｔｌｏｏｋｏｆＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ
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虚拟仪器是电子计算机技术与现代测量技术相结合的产物。发展至今经历了二十多年的历程，随着计算机技术日新月异的发展与仪器测量技术的不断更新．该技术将面临更广阔的市场前景和更有利的发展前景。
１虚拟仪器的发展历程
由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现．在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在这种背景下，虚拟仪器应运而生，它的发展以ＧＰＩＢ—ＶＸＩ—ＰＸＩ为主线。以下回顾一下虚拟仪器的发展历史。
通用仪器总线（ＧＰｍ）于１９７８年问世，白此，测量仪器构成自动测量系统就方便得多，测量仪器的程控性能也随着提高，出现一大批高水平的仪器和系统。随后微型计算机开始普及，促使许多微机插件仪器问世．利用微机机箱与插件构成个人计算机仪器系统。由于个人计算机仪器系统没有统一规范，使其发展受到影响，变成非主流的一种程控仪器。１９８７年ＶＸＩ仪器总线问世．它兼备计算机和通用仪器总线的特点，并以开放式规范供测量业界使用，极大限度地促进自动测量系统的发展。
ＶＸＩ总线经十年的推广，与ＧＰＩＢ同样成功，但并未能代替ＧＰＩＢ，因为ＧＰＩＢ结构和命令较简
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单，造价较低，对台式仪器仍有市场。而ＶＸＩ总线必须有机箱、０槽管理器或嵌入控制器，即使ＶＸＩ模块仪器的价格和性能与ＧＰＩＢ台式仪器一样，系统的进入价格也较高。但其收益将从后期的系统扩充、可靠性等获得。介于ＧＰＩＢ与ＶＸＩ之间还有一种ＰＣ总线仪器，它随着个人计算机的普及而受到仪器业的重视。插卡仪器充分利用个人计算机的机箱、总线、电源、软件的便利，出现多种功能的插卡仪器。但是插卡仪器受机箱环境和总线限制，其发展未能达到预期的广泛程度，而且没有统一的标准，大公司，如ＨＰ，Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ不再投入开发力量，只有若干中、小仪器公司坚持开发。
ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ公司在１９９７年下半年推出ＰＸＩ总线．它是ＰＣＩ计算机总线的仪器扩展。比ＶＸＩ精简，机箱、模块尺寸较小。且传输速度高，价位在ＰＣ仪器与ＶＸＩ总线模块仪器之间。它的出现标志着ＧＰＩＢ仪器、ＶＸＩ仪器与ＰＣＩ模块仪器分享自动测试系统的多元化局面形成了，测试产品将更多种多样。
２虚拟仪器的原理
．２．１定义一。
所谓虚拟仪器就是利甩现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件。形成既有瞢通仪器的基本功能，又有一般仪器新没有特殊功能的高档低价的新型仪器。一个典型的倒子是在计算机上插数据采集卡，然后用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号分析的处理：实现传统仪器的功能。１．＋，．２．２特点。‘
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器的关健。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法ｊ梗方便地改变、增碱仪器系统的功能与蠊模，所以有。软件就是仪器”之说。根据壹拟仪器的较特性，将虚拟仪器与传统仪器比较如下；
第一。传统仪器的仪器功怕由收嚣厂商定义，仪器一经购买，其功能与结梅都是嗣定了的。用户无法改变，扩展性低，且往往一台仪器只舱实现一种测试功能，对于较复杂的虚用场合；测试参数较多，使用起来经不方便．其局限性非常明显。而虚报仪器的功能由用户自已定义：针耐性和荑活性棍强，并且虚拟仪器系统具有面向应用的系统结梅；可以方便地与与阿络外设、虚用等连接，而传统仪器与其它仪器设备的连接十分有限。－：；，…
第二，传统仪器图形界面水．人工读数，信息量小，测量数据一般无法编辑。一方面易带来读数误差，另一方面增加后续数据赴理的负担。虚拟仪器一般采用的是ＷｉｎｄｏＷｓ下的图形界面（对于国内用户来说还可以使厝全汉他的中文界面）。计算机直接读数并进行数据的分析处理，可对稠量数据编辑、存储、打卑，方便种易于用户使用。一。
第三。对于传统仪器来说硬件是关键部分；因为硬件的精密性和不可重用牲．因而价格爵贵，开发和维护费用高，且技术更新慢。周期一般为５—１０年ａ’对于虚拟仪器来说软件是关隽部分，软件一经开发。可重复使用，并可根据用户需求任意咎改，因衙其价格较为低廉。仅为特统仪器柏五至十分之一。显而易见，其开发和维护的费用也是较低的，并利于技术更新，周期为１—２年。。
２．３分类
根据虚拟仪器所采用的总线方式，可以将虚拟仪器分为四大类型：
（１）ＰＣ总线——插卡式仪器：
这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用软件结合完成测量任务，它充分利用了个人计算机的机箱、总线、电源、软件的便利。它的发展极大程度上取决于Ａ／Ｄ转换技术。某些新型
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的数据采集卡具有高级定时与触发功能，能够完成仪器级的高精度测量。但是，因为受个人计算机机箱环境和总线的限制，而造成电源功率不足，机箱内噪声电平较高，插槽数目不多，总线面向计算机而非面向仪器，插卡尺寸较小，插槽之间无屏蔽等缺点。插卡式仪器价格便宜．用途广泛，特别适于实验室和教学．对于只需较少测量通道的应用，它是最低价格的实现方法。
（２）ＧＰＩＢ总线——ＩＥＥＥ４８８标准：ＧｅｎｅｒａｌＰｕｒｐｏｓｅＩｎｔｅｒｆａｃｅＢｕｓ
ＧＰＩＢ技术是虚拟仪器技术发展的第一阶段。ＧＰＩＢ技术的出现使电子测量由独立的手工操作的单台仪器走向大规模自动测试系统。一个典型的ＧＰＩＢ测量系统由一台ＰＣ机、一块ＧＰＩＢ接口卡和若干台ＧＰＩＢ仪器通过标准ＧＰＩＢ电缆连接而成。在标准情况下，一块ＧＰＩＢ接口板卡可带多达１４台仪器，电线长度可达２０米。
采用ＧＰＩＢ技术可以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；可以很方便地将多台仪器（可以是不同厂家生产）组合起来，形成较大的自动测量测试系统，高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务；因为仪器测量的结构送到了计算机里，在计算机里增加各种不同的分析处理算法，就相当于增加了仪器的功能，可以很方便地扩展仪器的功能。利用ＧＰＩＢ接口、串行一ＧＰＩＢ、并行一ＧＰＩＢ、以太网一ＧＰＩＢ转换器等可使仪器与几乎所有的台式、便携式及工业ＰＣ和工作站平台——ＰＣ、ＰＳ／２、Ｍａｃｉｎｔｏｓｈ、Ｓｕｎ、ＤＥＣ、ｍＭ、ＶＭＥ及工业总线等相连．通过使用跨操作系统和开发平台的标准ＡＰＩ和开发工具建立应用广泛的ＧＰＩＢ仪器控制系统。’
ＧＰＩＢ测量系统的结构和命令简单，造价低．主要市场在台式仪器市场，最适合于要求高准确度，但不要求对计算机进行高速数据传输的应用。
（３）ＶＸｔ总线一ＩＥＥＥｌｌ５５标准：’
ＶＸＩ总线是一种高速计算机总线——．ｖＭＥ总线在仪器领域的扩展。它具有稳定的电源，强劲的冷却能力和严格的ＲＦＩ／ＥＭＩ屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑，具有数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用ｉ众多仪器厂家支持等优点，罹快得到了广泛的应用。在近十年时间内。随着ｖｘＩ总线规范的不断完善和发展，ｖＸＩ即插即用（ＶＸＩｐｌｌｌｇｉｎ＆ｐｋｙ）系统联盟的不懈努力。ＶＸｌ系统的组建和使用越来越方便，其应用面也越来越广，尤其是在组建大、中规模自动测量测试系统，以及对速度、精度要求较高韵场合，有着其他仪器系婉无法比拟的优势。但是组建ＶＸＩ总线系统必须有机箱。零槽管理器或嵌入式控制器．造价比较高。
（４）Ｐｘｌ总线——模块化仪器：ＰＣＩｅＸｔｅｎｔｉｏｈｓｆｏｒＩｔｌｓｔｒｔｍａｅｎｔａｔｉｏｎ‘
ＰＸＩ总线系统是在ＰＣＩ总线内核技术上增加了成热的技术规范和要求形成的。它增加了用于多板同步的触发膪线和参考时钟、用于精确定时的基形奠发总线、以及用于相邻模块间高速通讯的局部总线。ＰＸＩ在ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ机械规范中增加了环境测试和主动冷却蔓求以保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。它要求所有的仪器模块都必须带有揆ＶＩＳＡ规范编写的ＷＩＮ３２设备驱动程序，因此，ＰＸＩ是一种系统级规范。易于集成和使用，用户的开发费用较ＶＸＩ低。另外，值得一提的是ＰＸＩ的高度可扩展性，ＰＸＩ系统具有多达８个扩展槽．而台式ＰＣＩ系统只具有３到４个扩展槽，使用ＰＣＩ—ＰＣＩ桥接器在理论上可扩展到２５６个扩展槽。在这种体系结构下，台式ＰＣ的性能价格比优势与ＰＣＩ总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成了未来主流的虚拟测试平台。
（５）并行口虚拟仪器
有一系列的可连接到计算机井口的测试装置，它们的硬件集成在探针上，软件安装在计算机上，通常可以完成诸如示波器、多用表、逻辑分析仪的功能。它们也可为归为虚拟仪器一类，比较典
型的有Ｉ．ｉｎｋ仪器公司ＤＳＯ一２１ｘｘ系列的数字示波器，使用它最大的好处是可以方便地与笔记本电脑连接，方便野外作业。
２．４软件
在虚拟仪器系统中．软件设计是关键。虚拟仪器的软件开发平台有多种选择。图形化编程语言有惠普公司的ＨＰＶＥＥ和美国国家仪器公司的ＬａｂＶＩＥＷ等。图形编程语言解决了开发人员使用ｃ／ｃ＋＋语言的困难，非常适合专业技术人员。据ＨＰ公司的报告称，采用ＨＰＶＥＥ图形编程方式同传统的编程技术相比，可以节省大约８０％的程序开发时间，但其运行速度却几乎不受影响。｛舅！【试人员只需调出代表仪器、功能、操作、数据处理、输出显示的图标，输入相关的配置参数，连好类似数据流图的框图，就完成了全部编程工作。对数据采集、测试操作、数援传递、结果分析与表达等均无需编写代码。ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ被称为“科学家与工程师的语言”，它不仅针对测试测量和过程控制领域提供了大量仪器面板中的控制对象．用户还可以通过控制编辑器将现有的控制对象修改成适合自己工作领域的控制对象。ＬａｂＶＩＥＷ也具有优秀的程序调试功能，用户可以在源代码
中的数据流连线上设置探针．在程序运行过程中观察数据流的变化。熟悉Ｃ语言的用户也可以使用基于标准Ｃ语言的１净ｂｗ田８叩昨ｙＩ。帮发虚拱辟爷蘩魄率章壤用可视化编程语言ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ等。
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设备驱动软件是虚拟仪器系统软件的基础。它是应用软伴与硬佯接１３之间的桥梁。可以保证最大的编程灵活性和数据吞吐能力。它应具有通用的应用编程接口（ＡＰＩ），即不管计算机或操作平台如何，所建立的应用程序都可以进行移植。在过去，这部分是由测试开发人员编写的，对每一个仪器硬件编制特殊的驱动代码，延误开发周期。现在，设备驱动程序都是按模块化、与设备无关的方式向用户释放的。一
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一一
虚拟仪器的出现掷带发展史上的一场革命，代毒着但爷李孱的毋瓤棼羼声嘲和和薅，，揖信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估：量，的影响ｍ可Ｉ；Ｉ广露的应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多方面。
国际上从１９８８年开始陆续有虚拟产品问世，当时有五家制造商推出３０种产品。驰扁，鹰拟仪器产品成倍增加。到１９９４年底，虚拟仪器制造厂已达９５家，共生产１０００多种虚拟仪器产品。销售额达２．９３亿美元，占整个仪器销售额７３亿美元的４％。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国。生产虚拟仪器的主要厂家有ＨＰ公司。泰克公司．ＮＩ公司．另有ｐｃｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ等小公司，
．一∥。ｖ．．ｔ目前我国经济进＾＿令新舶发展时勰，缛济的快速发展将加快企避的技术改造步伐，对先进织器设备的需求更加强劲。虐拟仪器赖Ｊ；上生存的ＰＣ诗算机最近几每以极高的速度在发展，ＰｃＩ总线的开发、ＰｅｎｔｉｕｍＰｍ、Ｋ６、ｃ６和ＰｏｗｅｒＰＣ等徽处理器ｌ；上及新蜉数擐采集技术的出现，使我们有可能制造能力更强的虚拟仪器系统。此外ＰＣ计算机价格在不断下降。各种应用软件层出不穷，都为虚拟仪器的发展奠定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代产品，市场容量很大。据专家预测。到本世纪末我国将有５０％的仪器为虚拟仪器。
目前国外厂家的虚拟仪器产品在国际市场上有较强的竞争力，并已开始进入中国市场，但价格
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虚拟仪器技术的发展、原理与展望
作者：韩洁， 吴文海， 王元钦
作者单位：中国人民解放军总装备部指挥技术学院(北京)本文链接：https://www.wendangku.net/doc/0b6603194.html,/Conference_328471.aspx