1、第1章 虛擬儀器概述本章概述1.1 虛擬儀器的基本概念1.2 虛擬儀器的形成和發展 1.3 虛擬儀器的系統結構 1.4 虛擬儀器的軟件系統 1.5 虛擬儀器系統設計及系統集成 1.6 虛擬儀器技術應用 本章總結1.1 虛擬儀器的基本概念1. 虛擬儀器的定義傳統儀器：特定功能和儀器外觀。虛擬儀器（VI，Virtual Instrumentation）：是一種以計算機和測試模塊的硬件為基礎、以計算機軟件為核心所構成的，并且在計算機顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計算機所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來定義的計算機儀器。 如：虛擬示波器虛擬數字電壓表基于虛擬儀器的 溫度檢測與控制2. 虛擬儀器的特點

2、從虛擬儀器的組成結構上來看：（1）虛擬儀器的硬件是通用的（包括通用計算機硬件平臺和通用的測量功能硬件）；（2）良好的人機界面。虛擬儀器的面板（或稱軟面板）是虛擬的（通過“控件”虛擬出面板）；（3）功能強。虛擬儀器的功能是由用戶軟件定義的。（4）虛擬儀器之“虛擬”含義：虛擬儀器面板；軟件實現儀器功能。如：基于高速數據采集硬件，通過計算機軟件編程可實現“虛擬示波器”、“虛擬頻譜儀”、“虛擬交流數字電壓表”、“虛擬頻率計”、“虛擬相位計”等不同儀器。（5）因此，軟件是虛擬儀器的核心，NI 提出“軟件即儀器”（The software is the instrument）。與傳統儀器相比，虛擬儀器技術

3、特點：（1）功能強、性價比高、開放性（可擴充性）好；充分利用計算機豐富的軟硬資源。儀器功能可通過軟件靈活設計（基于相同的硬件，通過軟件設計可實現不同的虛擬儀器）。儀器升級方便，性價比高（一機多用）。基于計算機網絡技術，可實現“網絡化虛擬儀器”。（2）操作方便；通過圖形用戶界面（GUI）操作虛擬儀器面板。（3）硬件模塊化、系列化；基于儀器總線技術，設計出模塊化、系列化硬件。比較內容虛擬儀器 傳統儀器系統構成軟件和通用硬件。軟件是關鍵 專用硬件系統開發周期開發時間短、技術要求低、系統通用性強開發時間長、技術要求高、系統功能較專一開發費用軟件使得開發和維護費用降至最低開發與維修開銷高技術更新周期短（

4、12年）長（510年）價格價格低、可復用與可重配置性強價格昂貴功能可塑性用戶定義儀器功能，柔性廠商定義儀器功能，剛性系統開放性開放、靈活，與計算機技術同步發展封閉、固定構成復雜系統能力易與網絡及其他周邊設備互連功能單一的獨立設備人機交互無限的顯示選項、界面友好有限的顯示選項虛擬儀器與傳統儀器的比較：1.2 虛擬儀器的形成和發展1. 虛擬儀器形成的背景（1）電子測量儀器(Electronic Instruments)及自動測試系統(Automatic Test System, ATS)的發展（2）儀器與自動測試系統總線技術總線（bus）：信號或信息傳輸的公共路徑。片內總線：微處理器芯片內連接內部

5、各邏輯單元；片間總線：元件級總線（如典型的微機“三總線結構”）。還有串行總線，如：Motorola的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍接口）、Philips的I2C（Inter IC bus，片間總線）、NS的MicroWire（串行同步雙工通信接口）等。內總線：板級總線。如個人計算機的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI，及工業控制的STD、VME、CompatPCI，儀器與測量系統的CAMAC、VXI、PXI等。外總線：外部通信總線。如RS-232/485、USB、IEEE1394、EPP、SCSI；現場總線CAN、LONworks

6、、FF；儀器與測量系統的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等。通過總線技術，可實現：模塊化硬件設計；標準化；便于生產、維護（維修）、升級；較好的經濟性。儀器與自動測試系統幾種常用總線的比較摘自：Evaluating PXI and VXI Platforms for your Measurement and Automation Needs，NI （2）虛擬儀器是技術發展的結果計算機技術、軟件技術、總線技術、網絡技術、微電子技術的發展，及其在電子測量技術與儀器領域中的應用，使新測試理論、測試方法、測試技術不斷出現，儀器與系統的結構不斷推陳出新，電子測量儀器及自動測試系統的結構也發生了質的

7、變化，功能與性能得到不斷提高。計算機（PC機）處于核心地位，計算機軟件技術和儀器與測試系統更緊密結合成了一個有機整體。在上述的背景下，提出了全新概念的儀器虛擬儀器。1986年，美國國家儀器公司（NI, National Instrument）提出了虛擬儀器（Virtual Instrumentation）的概念。1990年代，虛擬儀器得到業界廣泛認可和應用，相繼推出了基于GPIB總線（General Purpose Interface Bus）、PC-DAQ（Data Acquisition）和VXI總線（VMEbus eXtension for Instrumentation，1987年）、

8、PXI總線（PCI eXtension for Instrumentation，1997年）等多種虛擬儀器系統。虛擬儀器軟件采用面向對象和可視化編程技術。底層驅動和上層應用軟件融為一體。虛擬儀器軟件的標準化： VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年） 和VISA（Virtual Instrument Software Architecture, 虛擬儀器軟件體系結構）。 IVI（Interchangeable Virtual Instruments，可互換式虛擬儀器，1997年）。（3）虛擬儀器技術的發展與展望虛擬儀器技術是計算機技術與測試技術相結合的產物。多門學科多種技

9、術的融合，如測試技術、計算機技術、軟件技術、數字信號處理、總線與接口、網絡與通信、傳感技術、光電技術、微機械技術等。（1）新的總線技術的應用（如HS488，1394b等）。（2）速度不斷提高。（3）智能化、模塊化、集成化是硬件發展的主流。（4）軟件技術。第一是軟件標準化問題；第二是如何利用各種軟件開發環境及工具，編制出符合標準的應用軟件。（5）網絡化儀器系統。（6）應用范圍更加廣泛。1.3 虛擬儀器的系統結構1. 虛擬儀器系統組成及各部分基本功能（1）虛擬儀器的系統構成硬件和軟件兩大部分構成。硬件是基礎，軟件是核心。（2）各部分基本功能虛擬儀器的內部功能，可劃分為信號采集與控制、數據分析與處理

10、、結果表示與輸出三大功能模塊。信號采集與控制主要由虛擬儀器的通用硬件平臺，并配合儀器驅動程序共同完成，而數據分析與處理、結果表達與輸出則主要由用戶應用軟件完成。2. 虛擬儀器的通用硬件平臺（1）通用硬件平臺的基本功能信號采集（模擬、數字輸入）；信號產生（模擬、數字輸出）；信號調理（信號幅度、頻率、驅動、隔離等）；定時與計數；大容量數據存儲。實時信號處理。總線與通信。（2）通用硬件平臺的組成3. 虛擬儀器通用硬件平臺的構成形式通常為帶有某種標準總線接口的各種測試設備（分立式或模塊式儀器），主要有PC總線的數據采集模塊（PC-DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線儀器模塊、RS

11、-232串口、USB接口儀器等類型，或多種類型的組合。（1）基于PC總線的虛擬儀器內置PC總線（如ISA、PCI、PC/104）的通用數據采集卡 （DAQ，Data AcQuisition）。（2）基于GPIB通用接口總線的虛擬儀器國際標準（IEEE488.1和IEEE488.2），技術成熟；但其數據傳輸速度一般低于500Kb/s，對測試速度要求很高的場合不太適用。（3）基于VXl總線的虛擬儀器具有模塊化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI儀器的互換性和互操作性。但價格相對較高，適合于高端的測試領域。（4）基于PXI總線的虛擬儀器兼容PCI總線產品。集CompactPCI的高性能和VXI可靠

12、性，性價比最好。1.4 虛擬儀器的軟件系統1. 虛擬儀器的軟件結構虛擬儀器系統的軟件結構包括I/O接口軟件、儀器驅動程序和應用軟件三部分。（1）I/O接口軟件（VISA庫）I/O接口軟件存在于儀器設備（即I/O接口設備）與儀器驅動程序之間，是一個完成對儀器寄存器進行直接存取數據操作，并為儀器設備與儀器驅動程序提供信息傳遞的底層軟件。VPP規范了虛擬儀器的I/O接口軟件的特點、組成、內部結構與實現規范，并將符合VPP規范的虛擬儀器I/O接口軟件定義為VISA（虛擬儀器軟件結構）軟件。VISA庫，實質就是標準的I/O函數庫及其相關規范的總稱。VISA函數庫駐留于計算機系統中，是計算機與儀器之間的標

13、準軟件通信接口，用以實現對儀器的控制。（2）儀器驅動程序連接上層應用程序與底層I/O接口儀器的紐帶和橋梁。是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合。儀器廠商提供有相應儀器的驅動程序（原代碼），為用戶提供對儀器操作的較抽象的操作函數集。 （3）程控儀器標準命令SCPISCPI（Standard Commands for Programmable Instruments，可程控儀器標準命令）。面向測試功能而非儀器。（4）應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對用戶操作。提供直觀、友好的操作界面、豐富的數據分析與處理（時域、頻域、數字濾波等）功能，完成自動測試任務。通常，包括測試管理軟件和測試

14、功能軟件兩部分。2. 虛擬儀器軟件開發平臺（1）虛擬儀器軟件框架結構（2）通用的可視化軟件編程環境Microsoft公司的Visual C+和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C+ Builder等。（3）專用于虛擬儀器開發的軟件編程環境圖形化編程（G語言）環境：Agilent VEE、NI LabVIEW；文本編程環境：NI LabWindows/CVI。其中，LabVIEW是目前最流行、應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件。非常適于儀器、測量與控制領域的虛擬儀器軟件開發。NI公司還推出了用于數據采集、自動測試、工業控制與自動化等領域的多種設備驅動軟件和應用軟件

15、，如：LabVIEW的實時應用版本LabVIEW RT；工業自動化軟件BridgeVIEW；工業組態軟件Lookout；基于Excel的測量與自動化軟件Measure；即時可用的虛擬儀器平臺VirtualBench；生理數據采集與分析軟件Biobench；測試執行與管理軟件TestStand；還包括NI-488.2、NI-VISA、NI-VXI、NI-DAQ、NI-IMAQ、NI-CAN、NI-FBUS等設備驅動軟件；以及各種LabVIEW和LabWindows/CVI的增值軟件工具包。1.5 虛擬儀器系統設計及系統集成1. 虛擬儀器系統的設計過程主要包括測試需求分析、系統總體方案設計、系統硬

16、件設計、系統軟件設計、系統集成及系統調試等。（1）測試需求分析分析被測參數的形式（電量還是非電量、數字量還是模擬量）、范圍（幅度、頻率）和數量（通道數），激勵信號的形式和范圍要求；性能指標（測量精度、速度）要求；功能（用戶接口界面、數據分析與處理、存儲與顯示、外部通信接口等）要求。（2）系統總體方案設計根據測試任務要求，確定測試方法；系統組成結構設計。（3）系統硬件設計自制或購買；硬件系統集成。（4）系統軟件設計選擇軟件開發環境；底層驅動設計；上層應用軟件設計（用戶界面設計、測量數據分析與處理、算法設計、測量結果表達）。（5）軟硬件集成與調試功能測試；指標測試；系統優化。1.6 虛擬儀器技術應用1. 應用廣泛從軍事到民用；特別是儀器、測量與控制、自動化等領域。測試測量工業自動化聲學測試設備測試工業自動化食品加工汽車測試生物醫學研