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(fā)展1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.5虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成1.6虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用本章總結(jié)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.虛擬儀器的定義傳統(tǒng)儀器：特定功能和儀器外觀。虛擬儀器（VI，VirtualInstrumentation）：是一種以計(jì)算機(jī)和測(cè)試模塊的硬件為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)軟件為核心所構(gòu)成的，并且在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計(jì)算機(jī)所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來(lái)定義的計(jì)算機(jī)儀器。

1.1虛擬儀器的基本概念1.虛擬儀器的定義如：虛擬示波器如：虛擬示波器虛擬數(shù)字電壓表基于虛擬儀器的溫度檢測(cè)與控制虛擬數(shù)字電壓表2.虛擬儀器的特點(diǎn)從虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)上來(lái)看：（1）虛擬儀器的硬件是通用的（包括通用計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和通用的測(cè)量功能硬件）；（2）良好的人機(jī)界面。虛擬儀器的面板（或稱軟面板）是虛擬的（通過(guò)“控件”虛擬出面板）；（3）功能強(qiáng)。虛擬儀器的功能是由用戶軟件定義的。2.虛擬儀器的特點(diǎn)（4）虛擬儀器之“虛擬”含義：虛擬儀器面板；軟件實(shí)現(xiàn)儀器功能。如：基于高速數(shù)據(jù)采集硬件，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件編程可實(shí)現(xiàn)“虛擬示波器”、“虛擬頻譜儀”、“虛擬交流數(shù)字電壓表”、“虛擬頻率計(jì)”、“虛擬相位計(jì)”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”（Thesoftwareistheinstrument）。虛擬儀器設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)特點(diǎn)：（1）功能強(qiáng)、性價(jià)比高、開(kāi)放性（可擴(kuò)充性）好；充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬資源。儀器功能可通過(guò)軟件靈活設(shè)計(jì)（基于相同的硬件，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同的虛擬儀器）。儀器升級(jí)方便，性價(jià)比高（一機(jī)多用）。基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器”。（2）操作方便；通過(guò)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(shù)，設(shè)計(jì)出模塊化、系列化硬件。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)特點(diǎn)：比較內(nèi)容虛擬儀器傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構(gòu)成軟件和通用硬件。軟件是關(guān)鍵專用硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期開(kāi)發(fā)時(shí)間短、技術(shù)要求低、系統(tǒng)通用性強(qiáng)開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)要求高、系統(tǒng)功能較專一開(kāi)發(fā)費(fèi)用軟件使得開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低開(kāi)發(fā)與維修開(kāi)銷高技術(shù)更新周期短（1~2年）長(zhǎng)（5~10年）價(jià)格價(jià)格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng)價(jià)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(tǒng)開(kāi)放性開(kāi)放、靈活，與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展封閉、固定構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)能力易與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互連功能單一的獨(dú)立設(shè)備人機(jī)交互無(wú)限的顯示選項(xiàng)、界面友好有限的顯示選項(xiàng)虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較：比較內(nèi)容虛擬儀器傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構(gòu)成軟件和通用硬件。1.2虛擬儀器的形成和發(fā)展1.虛擬儀器形成的背景（1）電子測(cè)量?jī)x器(ElectronicInstruments)及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(AutomaticTestSystem,ATS)的發(fā)展1.2虛擬儀器的形成和發(fā)展1.虛擬儀器形成的背景（2）儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總線技術(shù)總線（bus）：信號(hào)或信息傳輸?shù)墓猜窂健Ｆ瑑?nèi)總線：微處理器芯片內(nèi)連接內(nèi)部各邏輯單元；片間總線：元件級(jí)總線（如典型的微機(jī)“三總線結(jié)構(gòu)”）。還有串行總線，如：Motorola的SPI（SerialPeripheralInterface，串行外圍接口）、Philips的I2C（InterICbus，片間總線）、NS的MicroWire（串行同步雙工通信接口）等。內(nèi)總線：板級(jí)總線。如個(gè)人計(jì)算機(jī)的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI，及工業(yè)控制的STD、VME、CompatPCI，儀器與測(cè)量系統(tǒng)的CAMAC、VXI、PXI等。外總線：外部通信總線。如RS-232/485、USB、IEEE1394、EPP、SCSI；現(xiàn)場(chǎng)總線CAN、LONworks、FF；儀器與測(cè)量系統(tǒng)的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等。（2）儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總線技術(shù)通過(guò)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)：模塊化硬件設(shè)計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)化；便于生產(chǎn)、維護(hù)（維修）、升級(jí)；較好的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)：儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)幾種常用總線的比較摘自：EvaluatingPXIandVXIPlatformsforyourMeasurementandAutomationNeeds，NI儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)幾種常用總線的比較（2）虛擬儀器是技術(shù)發(fā)展的結(jié)果計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，使新測(cè)試?yán)碚摗y(cè)試方法、測(cè)試技術(shù)不斷出現(xiàn)，儀器與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不斷推陳出新，電子測(cè)量?jī)x器及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了質(zhì)的變化，功能與性能得到不斷提高。計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和儀器與測(cè)試系統(tǒng)更緊密結(jié)合成了一個(gè)有機(jī)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(guó)國(guó)家儀器公司（NI,NationalInstrument）提出了虛擬儀器（VirtualInstrumentation）的概念。（2）虛擬儀器是技術(shù)發(fā)展的結(jié)果1990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，相繼推出了基于GPIB總線（GeneralPurposeInterfaceBus）、PC-DAQ（DataAcquisition）和VXI總線（VMEbuseXtensionforInstrumentation，1987年）、PXI總線（PCIeXtensionforInstrumentation，1997年）等多種虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器軟件采用面向?qū)ο蠛涂梢暬幊碳夹g(shù)。底層驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用軟件融為一體。虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)化：VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年）和VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture,虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)）。IVI（InterchangeableVirtualInstruments，可互換式虛擬儀器，1997年）。1990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，相繼推出了基于（3）虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與展望虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。多門學(xué)科多種技術(shù)的融合，如測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、總線與接口、網(wǎng)絡(luò)與通信、傳感技術(shù)、光電技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)等。（1）新的總線技術(shù)的應(yīng)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(fā)展的主流。（4）軟件技術(shù)。第一是軟件標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題；第二是如何利用各種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境及工具，編制出符合標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件。（5）網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng)。（6）應(yīng)用范圍更加廣泛。（3）虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與展望1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.虛擬儀器系統(tǒng)組成及各部分基本功能（1）虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.虛擬儀器系統(tǒng)組成及各部分基本（2）各部分基本功能虛擬儀器的內(nèi)部功能，可劃分為信號(hào)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表示與輸出三大功能模塊。信號(hào)采集與控制主要由虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)，并配合儀器驅(qū)動(dòng)程序共同完成，而數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出則主要由用戶應(yīng)用軟件完成。（2）各部分基本功能2.虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)（1）通用硬件平臺(tái)的基本功能信號(hào)采集（模擬、數(shù)字輸入）；信號(hào)產(chǎn)生（模擬、數(shù)字輸出）；信號(hào)調(diào)理（信號(hào)幅度、頻率、驅(qū)動(dòng)、隔離等）；定時(shí)與計(jì)數(shù)；大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。實(shí)時(shí)信號(hào)處理。總線與通信。2.虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)（2）通用硬件平臺(tái)的組成（2）通用硬件平臺(tái)的組成3.虛擬儀器通用硬件平臺(tái)的構(gòu)成形式通常為帶有某種標(biāo)準(zhǔn)總線接口的各種測(cè)試設(shè)備（分立式或模塊式儀器），主要有PC總線的數(shù)據(jù)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-232串口、USB接口儀器等類型，或多種類型的組合。3.虛擬儀器通用硬件平臺(tái)的構(gòu)成形式（1）基于PC總線的虛擬儀器內(nèi)置PC總線（如ISA、PCI、PC/104）的通用數(shù)據(jù)采集卡（DAQ，DataAcQuisition）。（2）基于GPIB通用接口總線的虛擬儀器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEEE488.1和IEEE488.2），技術(shù)成熟；但其數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于500Kb/s，對(duì)測(cè)試速度要求很高的場(chǎng)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(jià)格相對(duì)較高，適合于高端的測(cè)試領(lǐng)域。（4）基于PXI總線的虛擬儀器兼容PCI總線產(chǎn)品。集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性價(jià)比最好。（1）基于PC總線的虛擬儀器1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括I/O接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件三部分。1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)（1）I/O接口軟件（VISA庫(kù)）I/O接口軟件存在于儀器設(shè)備（即I/O接口設(shè)備）與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，是一個(gè)完成對(duì)儀器寄存器進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器設(shè)備與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件。VPP規(guī)范了虛擬儀器的I/O接口軟件的特點(diǎn)、組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)規(guī)范，并將符合VPP規(guī)范的虛擬儀器I/O接口軟件定義為VISA（虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)）軟件。VISA庫(kù)，實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA函數(shù)庫(kù)駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)軟件通信接口，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。（1）I/O接口軟件（VISA庫(kù)）（2）儀器驅(qū)動(dòng)程序連接上層應(yīng)用程序與底層I/O接口儀器的紐帶和橋梁。是完成對(duì)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(yīng)儀器的驅(qū)動(dòng)程序（原代碼），為用戶提供對(duì)儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。（3）程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPISCPI（StandardCommandsforProgrammableInstruments，可程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令）。面向測(cè)試功能而非儀器。（2）儀器驅(qū)動(dòng)程序（4）應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)用戶操作。提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理（時(shí)域、頻域、數(shù)字濾波等）功能，完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。通常，包括測(cè)試管理軟件和測(cè)試功能軟件兩部分。（4）應(yīng)用軟件2.虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)（1）虛擬儀器軟件框架結(jié)構(gòu)2.虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)（2）通用的可視化軟件編程環(huán)境Microsoft公司的VisualC++和VisualBasic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等。（3）專用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟件編程環(huán)境圖形化編程（G語(yǔ)言）環(huán)境：AgilentVEE、NILabVIEW；文本編程環(huán)境：NILabWindows/CVI。其中，LabVIEW是目前最流行、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件。非常適于儀器、測(cè)量與控制領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)。（2）通用的可視化軟件編程環(huán)境虛擬儀器設(shè)計(jì)NI公司還推出了用于數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)測(cè)試、工業(yè)控制與自動(dòng)化等領(lǐng)域的多種設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件，如：LabVIEW的實(shí)時(shí)應(yīng)用版本LabVIEWRT；工業(yè)自動(dòng)化軟件BridgeVIEW；工業(yè)組態(tài)軟件Lookout；基于Excel的測(cè)量與自動(dòng)化軟件Measure；即時(shí)可用的虛擬儀器平臺(tái)VirtualBench；生理數(shù)據(jù)采集與分析軟件Biobench；測(cè)試執(zhí)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(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件；以及各種LabVIEW和LabWindows/CVI的增值軟件工具包。NI公司還推出了用于數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)測(cè)試、工業(yè)控制與自動(dòng)化等領(lǐng)1.5虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成1.虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括測(cè)試需求分析、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成及系統(tǒng)調(diào)試等。1.5虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成1.虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)（1）測(cè)試需求分析分析被測(cè)參數(shù)的形式（電量還是非電量、數(shù)字量還是模擬量）、范圍（幅度、頻率）和數(shù)量（通道數(shù)），激勵(lì)信號(hào)的形式和范圍要求；性能指標(biāo)（測(cè)量精度、速度）要求；功能（用戶接口界面、數(shù)據(jù)分析與處理、存儲(chǔ)與顯示、外部通信接口等）要求。（2）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)測(cè)試任務(wù)要求，確定測(cè)試方法；系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（3）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)自制或購(gòu)買；硬件系統(tǒng)集成。（1）測(cè)試需求分析（4）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選擇軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境；底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；上層應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)（用戶界面設(shè)計(jì)、測(cè)量數(shù)據(jù)分析與處理、算法設(shè)計(jì)、測(cè)量結(jié)果表達(dá)）。（5）軟硬件集成與調(diào)試功能測(cè)試；指標(biāo)測(cè)試；系統(tǒng)優(yōu)化。（4）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1.6虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用1.應(yīng)用廣泛從軍事到民用；特別是儀器、測(cè)量與控制、自動(dòng)化等領(lǐng)域。測(cè)試測(cè)量工業(yè)自動(dòng)化聲學(xué)測(cè)試設(shè)備測(cè)試工業(yè)自動(dòng)化食品加工汽車測(cè)試生物醫(yī)學(xué)研究控制工程機(jī)器視覺(jué)計(jì)量校準(zhǔn)電子與非電子測(cè)試石油和天然氣工程制藥生產(chǎn)光纖校準(zhǔn)光學(xué)度量和測(cè)定工業(yè)機(jī)器人過(guò)程自動(dòng)化研發(fā)調(diào)試半導(dǎo)體測(cè)試SCADA統(tǒng)計(jì)流程控制通信測(cè)試振動(dòng)測(cè)試晶片傳送手臂機(jī)械制造1.6虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用1.應(yīng)用廣泛測(cè)試測(cè)量工業(yè)自動(dòng)化聲學(xué)虛擬儀器設(shè)計(jì)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(fā)展1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.5虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成1.6虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用本章總結(jié)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.虛擬儀器的定義傳統(tǒng)儀器：特定功能和儀器外觀。虛擬儀器（VI，VirtualInstrumentation）：是一種以計(jì)算機(jī)和測(cè)試模塊的硬件為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)軟件為核心所構(gòu)成的，并且在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計(jì)算機(jī)所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來(lái)定義的計(jì)算機(jī)儀器。

1.1虛擬儀器的基本概念1.虛擬儀器的定義如：虛擬示波器如：虛擬示波器虛擬數(shù)字電壓表基于虛擬儀器的溫度檢測(cè)與控制虛擬數(shù)字電壓表2.虛擬儀器的特點(diǎn)從虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)上來(lái)看：（1）虛擬儀器的硬件是通用的（包括通用計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和通用的測(cè)量功能硬件）；（2）良好的人機(jī)界面。虛擬儀器的面板（或稱軟面板）是虛擬的（通過(guò)“控件”虛擬出面板）；（3）功能強(qiáng)。虛擬儀器的功能是由用戶軟件定義的。2.虛擬儀器的特點(diǎn)（4）虛擬儀器之“虛擬”含義：虛擬儀器面板；軟件實(shí)現(xiàn)儀器功能。如：基于高速數(shù)據(jù)采集硬件，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件編程可實(shí)現(xiàn)“虛擬示波器”、“虛擬頻譜儀”、“虛擬交流數(shù)字電壓表”、“虛擬頻率計(jì)”、“虛擬相位計(jì)”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”（Thesoftwareistheinstrument）。虛擬儀器設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)特點(diǎn)：（1）功能強(qiáng)、性價(jià)比高、開(kāi)放性（可擴(kuò)充性）好；充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬資源。儀器功能可通過(guò)軟件靈活設(shè)計(jì)（基于相同的硬件，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同的虛擬儀器）。儀器升級(jí)方便，性價(jià)比高（一機(jī)多用）。基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器”。（2）操作方便；通過(guò)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(shù)，設(shè)計(jì)出模塊化、系列化硬件。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)特點(diǎn)：比較內(nèi)容虛擬儀器傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構(gòu)成軟件和通用硬件。軟件是關(guān)鍵專用硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期開(kāi)發(fā)時(shí)間短、技術(shù)要求低、系統(tǒng)通用性強(qiáng)開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)要求高、系統(tǒng)功能較專一開(kāi)發(fā)費(fèi)用軟件使得開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低開(kāi)發(fā)與維修開(kāi)銷高技術(shù)更新周期短（1~2年）長(zhǎng)（5~10年）價(jià)格價(jià)格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng)價(jià)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(tǒng)開(kāi)放性開(kāi)放、靈活，與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展封閉、固定構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)能力易與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互連功能單一的獨(dú)立設(shè)備人機(jī)交互無(wú)限的顯示選項(xiàng)、界面友好有限的顯示選項(xiàng)虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較：比較內(nèi)容虛擬儀器傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構(gòu)成軟件和通用硬件。1.2虛擬儀器的形成和發(fā)展1.虛擬儀器形成的背景（1）電子測(cè)量?jī)x器(ElectronicInstruments)及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(AutomaticTestSystem,ATS)的發(fā)展1.2虛擬儀器的形成和發(fā)展1.虛擬儀器形成的背景（2）儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總線技術(shù)總線（bus）：信號(hào)或信息傳輸?shù)墓猜窂健Ｆ瑑?nèi)總線：微處理器芯片內(nèi)連接內(nèi)部各邏輯單元；片間總線：元件級(jí)總線（如典型的微機(jī)“三總線結(jié)構(gòu)”）。還有串行總線，如：Motorola的SPI（SerialPeripheralInterface，串行外圍接口）、Philips的I2C（InterICbus，片間總線）、NS的MicroWire（串行同步雙工通信接口）等。內(nèi)總線：板級(jí)總線。如個(gè)人計(jì)算機(jī)的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI，及工業(yè)控制的STD、VME、CompatPCI，儀器與測(cè)量系統(tǒng)的CAMAC、VXI、PXI等。外總線：外部通信總線。如RS-232/485、USB、IEEE1394、EPP、SCSI；現(xiàn)場(chǎng)總線CAN、LONworks、FF；儀器與測(cè)量系統(tǒng)的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等。（2）儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總線技術(shù)通過(guò)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)：模塊化硬件設(shè)計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)化；便于生產(chǎn)、維護(hù)（維修）、升級(jí)；較好的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)：儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)幾種常用總線的比較摘自：EvaluatingPXIandVXIPlatformsforyourMeasurementandAutomationNeeds，NI儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)幾種常用總線的比較（2）虛擬儀器是技術(shù)發(fā)展的結(jié)果計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，使新測(cè)試?yán)碚摗y(cè)試方法、測(cè)試技術(shù)不斷出現(xiàn)，儀器與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不斷推陳出新，電子測(cè)量?jī)x器及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了質(zhì)的變化，功能與性能得到不斷提高。計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和儀器與測(cè)試系統(tǒng)更緊密結(jié)合成了一個(gè)有機(jī)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(guó)國(guó)家儀器公司（NI,NationalInstrument）提出了虛擬儀器（VirtualInstrumentation）的概念。（2）虛擬儀器是技術(shù)發(fā)展的結(jié)果1990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，相繼推出了基于GPIB總線（GeneralPurposeInterfaceBus）、PC-DAQ（DataAcquisition）和VXI總線（VMEbuseXtensionforInstrumentation，1987年）、PXI總線（PCIeXtensionforInstrumentation，1997年）等多種虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器軟件采用面向?qū)ο蠛涂梢暬幊碳夹g(shù)。底層驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用軟件融為一體。虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)化：VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年）和VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture,虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)）。IVI（InterchangeableVirtualInstruments，可互換式虛擬儀器，1997年）。1990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，相繼推出了基于（3）虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與展望虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。多門學(xué)科多種技術(shù)的融合，如測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、總線與接口、網(wǎng)絡(luò)與通信、傳感技術(shù)、光電技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)等。（1）新的總線技術(shù)的應(yīng)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(fā)展的主流。（4）軟件技術(shù)。第一是軟件標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題；第二是如何利用各種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境及工具，編制出符合標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件。（5）網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng)。（6）應(yīng)用范圍更加廣泛。（3）虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與展望1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.虛擬儀器系統(tǒng)組成及各部分基本功能（1）虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.虛擬儀器系統(tǒng)組成及各部分基本（2）各部分基本功能虛擬儀器的內(nèi)部功能，可劃分為信號(hào)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表示與輸出三大功能模塊。信號(hào)采集與控制主要由虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)，并配合儀器驅(qū)動(dòng)程序共同完成，而數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出則主要由用戶應(yīng)用軟件完成。（2）各部分基本功能2.虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)（1）通用硬件平臺(tái)的基本功能信號(hào)采集（模擬、數(shù)字輸入）；信號(hào)產(chǎn)生（模擬、數(shù)字輸出）；信號(hào)調(diào)理（信號(hào)幅度、頻率、驅(qū)動(dòng)、隔離等）；定時(shí)與計(jì)數(shù)；大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。實(shí)時(shí)信號(hào)處理。總線與通信。2.虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)（2）通用硬件平臺(tái)的組成（2）通用硬件平臺(tái)的組成3.虛擬儀器通用硬件平臺(tái)的構(gòu)成形式通常為帶有某種標(biāo)準(zhǔn)總線接口的各種測(cè)試設(shè)備（分立式或模塊式儀器），主要有PC總線的數(shù)據(jù)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-232串口、USB接口儀器等類型，或多種類型的組合。3.虛擬儀器通用硬件平臺(tái)的構(gòu)成形式（1）基于PC總線的虛擬儀器內(nèi)置PC總線（如ISA、PCI、PC/104）的通用數(shù)據(jù)采集卡（DAQ，DataAcQuisition）。（2）基于GPIB通用接口總線的虛擬儀器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEEE488.1和IEEE488.2），技術(shù)成熟；但其數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于500Kb/s，對(duì)測(cè)試速度要求很高的場(chǎng)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(jià)格相對(duì)較高，適合于高端的測(cè)試領(lǐng)域。（4）基于PXI總線的虛擬儀器兼容PCI總線產(chǎn)品。集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性價(jià)比最好。（1）基于PC總線的虛擬儀器1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括I/O接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件三部分。1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)（1）I/O接口軟件（VISA庫(kù)）I/O接口軟件存在于儀器設(shè)備（即I/O接口設(shè)備）與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，是一個(gè)完成對(duì)儀器寄存器進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器設(shè)備與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件。VPP規(guī)范了虛擬儀器的I/O接口軟件的特點(diǎn)、組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)規(guī)范，并將符合VPP規(guī)范的虛擬儀器I/O接口軟件定義為VISA（虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)）軟件。VISA庫(kù)，實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA函數(shù)庫(kù)駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)軟件通信接口，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。（1）I/O接口軟件（VISA庫(kù)）（2）儀器驅(qū)動(dòng)程序連接上層應(yīng)用程序與底層I/O接口儀器的紐帶和橋梁。是完成對(duì)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(yīng)儀器的驅(qū)動(dòng)程序（原代碼），為用戶提供對(duì)儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。（3）程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPISCPI（StandardCommandsforProgrammableInstruments，可程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令）。面向測(cè)試功能而非儀器。（2）儀器驅(qū)動(dòng)程序（4）應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)用戶操作。提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理（時(shí)域、頻域、數(shù)字濾波等）功能，完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。通常，包括測(cè)試管理軟件和測(cè)試功能軟件兩部分。（4）應(yīng)用軟件2.虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)（1）虛擬儀器軟件框架結(jié)構(gòu)2.虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)（2）通用的可視化軟件編程環(huán)境Microsoft公司的VisualC++和VisualBasic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等