虛擬儀器綜述

（一）虛擬儀器的發(fā)展歷程

　　1 國外發(fā)展歷程

　　隨著個人電腦技術(shù)的出現(xiàn)，人們開始考慮使用電腦來處理傳統(tǒng)儀器所測數(shù)據(jù)。由此，GPIB技術(shù)在20世紀70年代發(fā)展起來，這也就是IEEE 488及后來的IEEE488.2標準。但由于GPIB總線帶寬（1Mbytes／s）限制了數(shù)據(jù)向計算機的實時傳輸，所以大量的數(shù)據(jù)處理工作仍然依靠儀器自身所帶有的功能。

　　20世紀80年代，隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，個人電腦可以帶有多個擴展槽，就出現(xiàn)了插在計算機里的數(shù)據(jù)采集卡。它可以進行一些簡單的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的后處理由計算機軟件完成，這就是虛擬儀器技術(shù)的雛形。1986年，美國National Instruments公司（以下簡稱NI公司）提出了“軟件即儀器的口號”，推出了NI-LabVIEW直觀的流程圖編程風格的開發(fā)和運行程序平臺，開啟了虛擬儀器的先河。

　　20世紀90年代，計算機總線速度進一步加快，PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸速度達到了132Mbytes/s。1996年底，美國NI公司在PCI數(shù)據(jù)總線的基礎(chǔ)上提出了第一代PXI系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范�，F(xiàn)在，PXI技術(shù)聯(lián)盟已經(jīng)有接近60家成員公司為這一平臺開發(fā)產(chǎn)品。

　　2 我國發(fā)展歷程

　　1985年，我國東方振動和噪聲技術(shù)研究所（以下簡稱COINV）開始提出PC卡泰（PCCATAI）—微機卡式采集測試分析儀的概念，并推出了數(shù)據(jù)采集和信號處理軟件（DASP Data Acquisition＆Signal Processing），隨后又提出了“把實驗室拎著走”的口號，進而進行了虛擬儀器庫平臺的研發(fā)，實現(xiàn)了INV虛擬儀器庫。DASP軟件概念突破了傳統(tǒng)的隨機振動信號分析儀和FFT分析儀概念，實現(xiàn)了向虛擬儀器和計算機采集測試分析儀器概念的過渡。其間，COINV研制成了國內(nèi)第一臺虛擬儀器—PC卡泰INVl01，接著又推出了臺式機用的INV303和便攜式筆機本式的INV306系統(tǒng)，并于1993年到加拿大多倫多展出，實現(xiàn)了VI的飛躍。到2002年底，已有800余家用戶使用COINV生產(chǎn)的26種INV303/306系列產(chǎn)品。

　　3 國內(nèi)外發(fā)展趨勢和開發(fā)平臺比較

　　虛擬儀器的國內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)兩條主線：一是GPIB→VXI→PXI總線方式(適合大型高精度集成系統(tǒng))，二是PC插卡式→LPT并行口式→串口USB方式→IEEE標準的1394口方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景）。

　　美國NI公司開發(fā)的LabVIEW和中國COINV開發(fā)的DASP虛擬儀器平臺是國內(nèi)外具有代表性的兩個平臺，其軟件各有特點，互相不能替代、功能互補。LabVIEW平臺是一個在國內(nèi)外具有相當影響和大量用戶的虛擬儀器開發(fā)平臺，它對于一般儀器的開發(fā)商、學校儀器制造專業(yè)的教學和提高虛擬儀器的理解，以及一些特殊的用戶是適宜的，但由于它是用于虛擬儀器二次開發(fā)的軟件，而非作為最終直接使用的儀器，這對大量的一般直接用戶、只想用虛擬儀器馬上直接測試分析試驗結(jié)果的用戶，有不方便的地方，也有局限性。DASP平臺它是直接面向最終用戶的虛擬儀器庫，直接可以使用，不需要再進行編程加工，用起來非常快捷方便、可靠，精度又很高，用戶拿起來就可直接使用，但是，對于專業(yè)儀器開發(fā)商或者儀器專業(yè)自己需開發(fā)虛擬儀器的用戶，還有一定的局限性。

　　（二）虛擬儀器的種類與主要特點

　　1 虛擬儀器的種類

　�、� PC總線-插卡型虛擬儀器

　　這種方式借助于插入PC機和工控機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用軟件(如LabVIEW)相結(jié)合，完成測試任務(wù)。插卡類型有ISA卡、PCMCIA卡和PCI卡多種類型。隨著計算機的發(fā)展，ISA型插卡正被PCI插卡取代，PCMCIA卡由于受到結(jié)構(gòu)連接強度太弱的限制而影響了它的工程應(yīng)用。其特點是充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利，特別是A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，儀器價格便宜，用途廣泛，特別適合于教學部門和各種實驗室使用，目前仍有很強的生命力。但是，儀器多數(shù)沒有抗混濾波器且分時采樣，其混疊現(xiàn)象和通道間相位差應(yīng)予重視。

　　② PC端口-LPT并行口式、USB口式和1394口式虛擬儀器

　　最新發(fā)展的一系列可連接到PC機的各種端口(如LPT并行口、USB口和1394口)的測試裝置，可把硬件集成在一個采集盒里或一個探頭上。軟件裝在PC機上，通�？梢酝瓿筛鞣N虛擬儀器的功能，典型的有COINV的INV306系列和LINK公司的DSO一21XX系列數(shù)字示波器。它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機和工控機相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。特別是USB口和1394口具有于傳輸速度快、可以熱插拔、聯(lián)機使用方便的特點，很可能成為未來虛擬儀器的主流平臺。

　�、� GPIB總線方式虛擬儀器

　　這種儀器是IEEE488標準的虛擬儀器早期發(fā)展的產(chǎn)物，目前已經(jīng)逐步退出市場。

　�、� VXI總線方式虛擬儀器

　　VXI總線是一種高速計算機總線-VME總線在VI領(lǐng)域的擴展。經(jīng)過10多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。目前這種類型也有逐漸退出市場的趨勢。

　�、� PXI總線方式虛擬儀器

　　PXI總線方式是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的參考時鐘。用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局部總線。PXI具有高度可擴展性，可擴展到256個擴展槽。把臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來主流的虛擬儀器平臺之一。

　�、� 袖珍型的一體機

　　它由嵌入式工控機或PC 104、掌上電腦，外加DSP、AD／DA、LCD、調(diào)理放大抗混濾波、電子盤與硬盤構(gòu)成，電子盤與硬盤內(nèi)的軟件可以通過并行口或軟驅(qū)進行更新。COINV的SVSA-1型是其發(fā)展方向之一。

　　2 虛擬儀器的主要特點

　�、� 利用標準的商業(yè)技術(shù)

　　虛擬儀器的持續(xù)發(fā)展依靠標準商業(yè)技術(shù)的不斷進步，如個人電腦元件和因特網(wǎng)。這些突飛猛進的商業(yè)技術(shù)必然帶來性能的改進和大批量市場運作的成本降低。虛擬儀器產(chǎn)品使用這些技術(shù)，可以更低的價格為用戶提供更為出色的性能。

　�、� 功能強大的軟件是虛擬儀器的核心

　　軟件工具一般由測量驅(qū)動程序和儀器驅(qū)動軟件、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境(如LabVIEW，LabWindows／CVI和MeasuremelltStudio)以及高階測試與數(shù)據(jù)管理工具三部分組成。使用者利用這種集成式的軟件構(gòu)造，就可以自由地定義和生成功能強大的測量與控制系統(tǒng)。通過降低多種測量設(shè)備集成在一起使用的復雜性，集成式軟件架構(gòu)減少了建立一個高級測量系統(tǒng)所需要花費的時間和投資。

　�、� 模塊化硬件

　　在虛擬儀器解決方案中，信號先由硬件進行數(shù)字化，再利用軟件對數(shù)字化的信號進行處理。使用者可以根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)要求的采樣速率和分辨率，對信號進行定義。模塊化的儀器由軟件組合在一起后可以完成數(shù)據(jù)采集、分析和報告。在某些方面，虛擬儀器可以部分或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的功能，甚至超越傳統(tǒng)儀器。

　�。ㄈ�）虛擬儀器的應(yīng)用

　　虛擬儀器至今在國內(nèi)還是一個相當新的概念，但這些年來應(yīng)用的增長非常迅速，已經(jīng)開始應(yīng)用于航空航天、智能交通、汽車、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域，舉例如下。

　　1 基于虛擬儀器技術(shù)的固體火箭發(fā)動機測試系統(tǒng)

　　固體火箭發(fā)動機的測試是一項復雜而又繁瑣的事情，其特點是工作時間短，采樣速度快，精度要求高，需要對溫度、壓力、流量以及發(fā)動機推力等諸多參數(shù)的測量。因此，要精確測定這些參量，必須選擇恰當?shù)臏y試辦法，采用高精度的測試系統(tǒng)。但是，采用傳統(tǒng)的測試方法要求硬件儀器設(shè)備較多，成本較高，很難滿足固體火箭發(fā)動機精確參數(shù)尤其是動態(tài)參數(shù)的測試要求。但通過引入虛擬儀器技術(shù)，可以很方便地組建一套精密的、動態(tài)性能優(yōu)良的測試系統(tǒng)。

　　虛擬儀器系統(tǒng)的硬件只是用于解決信號的輸入/輸出，也就是數(shù)據(jù)的采集，而軟件則是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。硬件包括傳感器、信號調(diào)理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡等；軟件根據(jù)測試系統(tǒng)的性質(zhì)和測試要求，采用模塊化設(shè)計方法，可將測試系統(tǒng)分為文件處理模塊、標定模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，產(chǎn)品報表模塊、顯示模塊和幫助系統(tǒng)模塊，其程序功能增加自如、靈活多變、通用性強，并采用功能強大的圖形編程語言平臺LabVIEW，使得工程師們不必花很多的時間就能方便高速地開發(fā)出高質(zhì)量要求的測試系統(tǒng)，加快了程序的開發(fā)周期。

　　2 基于虛擬儀器技術(shù)的智能交通車載信息采集平臺

　　隨著多傳感器融合技術(shù)的不斷發(fā)展及其在智能交通領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入，可供使用的交通信息種類越來越多，用于檢測的傳感器也相應(yīng)增加。傳統(tǒng)儀器由于其功能單一、靈活性差、使用復雜、更新和維護成本高，很不適于車載檢測使用。針對這一狀況，可采用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)車載信息采集平臺。

　　平臺的硬件主要包括了各種車載傳感器、I/O接口設(shè)備和車載計算機3個部分。平臺的軟件使用LabWindows／CVI，它是美國NI公司利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的32位面向計算機測控領(lǐng)域虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺，可以在多操作系統(tǒng)(如windows98/NT/2000/XP，Mac Os和Unix等)下運行。整個數(shù)據(jù)采集平臺的軟件設(shè)計采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想，分為實時控制和離線處理兩大部分，其中又包括了許多功能模塊。實時控制部分模塊包括I/O接口設(shè)備初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和移動檢測模塊；離線處理部分包括數(shù)據(jù)讀取模塊、多傳感器信息融合模塊、駕駛特性分析模塊合路網(wǎng)交通狀況分析模塊。

　　將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域，用其來構(gòu)建智能交通車載信息采集平臺，不僅可以滿足目前智能交通中多傳感器信息的采集、監(jiān)控和融合的要求，而且可以靈活的根據(jù)技術(shù)發(fā)展需要進行功能擴展，這對于發(fā)展迅速的智能交通技術(shù)來說，這種基于虛擬儀器技術(shù)的信息采集平臺具有十分現(xiàn)實的意義。

　　3 汽車車內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（IVDAS）

　　一個好的車內(nèi)測試系統(tǒng)應(yīng)該支持許多不同的測試信號。典型的測試信號包含溫度、位置、振動、圖像、壓強/力/負載、速度/距離和控制總線信號等。上述信號與其他信號結(jié)合在一起，為測試工程師研究汽車在不同工況下，甚至最惡劣環(huán)境下汽車的性能提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。因此，測試工程師需要一個靈活的測試系統(tǒng)來滿足不斷增長的測試功能和技術(shù)指標的需要。

　　美國B&B公司在NI公司的LabVIEW和PXI／SCXI基礎(chǔ)上開發(fā)了車內(nèi)測試系統(tǒng)(IVDAS)，系統(tǒng)顯示了虛擬儀器在測試領(lǐng)域應(yīng)用的靈活性。SCXI機箱內(nèi)嵌入各種信號調(diào)理模塊，模塊的模式由信號種類決定，各種信號采集和處理的整合由LabVIEW程序來完成。IVDAS的優(yōu)越性能源于使用PXI和SCXl所帶來的靈活性和可升級性。其可能的升級包括：增加觸摸屏功能；語音合成；語音辨識；運動控制、GPS接受和中控單元。

　　基于上述靈活性，使得IVDAS可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄儀。在IVDAS基礎(chǔ)上還派生出滿足不同需要的車內(nèi)測試系統(tǒng)：發(fā)熱監(jiān)測系統(tǒng)；剎車測試系統(tǒng)（BTS）；聲學剎車測試系統(tǒng)（ABTS）。

　　4 基于虛擬儀器技術(shù)的胃電檢測分析系統(tǒng)

　　采用現(xiàn)代檢測技術(shù)和先進的計算機技術(shù)，可以開發(fā)微機化、自動化、柔性化的虛擬儀器式醫(yī)療檢測儀器系統(tǒng)-胃電檢測分析系統(tǒng)。它由通用PC機、模塊化功能硬件和測控分析軟件構(gòu)成。信號采集硬件模塊接插在PC機的I/0插槽上，與PC機構(gòu)成測試儀器系統(tǒng)。操作人員通過操作PC機顯示器上的虛擬儀器軟面板控制儀器的運行，完成測試分析任務(wù)。這種儀器系統(tǒng)充分利用了通用計算機軟硬件資源，以先進的計算機技術(shù)實現(xiàn)了傳統(tǒng)的昂貴設(shè)備所具有的功能，能完成體表胃電信號的檢測、實時示波、瞬態(tài)記錄、波形存儲、波形分析、頻譜分析等多種功能，具有測試精度高、功能完善、使用方便、一機多用、造價低廉等優(yōu)勢，可應(yīng)用于臨床檢測分析、醫(yī)學科研和教學。

　　系統(tǒng)硬件由體表電極、EGG放大模塊、信號采集控制電路組成；軟件系統(tǒng)包括實時示波模塊、時域分析模塊、頻域分析模塊和文件管理模塊等四個模塊。測控分析軟件系統(tǒng)除了要實現(xiàn)內(nèi)在的儀器測控分析功能外，還要有一系列的外觀和感覺一致的虛擬的儀器軟面板，用戶就像操作傳統(tǒng)的物理儀器一樣操作這些軟面板，實現(xiàn)測量控制及分析。為此，以Windows 9X為平臺，采用面向?qū)ο蠹翱梢暬�的軟件設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)了這一目標。

　　5 用虛擬儀器進行多媒體演示實驗

　　把多媒體教室的計算機裝上基于PC總線的插卡式儀器(DAQ產(chǎn)品)或接上并口式儀器，再配上相應(yīng)的軟件，即構(gòu)成虛擬儀器，可以代替常規(guī)的演示實驗儀器，如智能信號發(fā)生器、數(shù)字存儲示波器、頻譜及信號分析儀、晶體管特性測試儀、頻率特性測試儀、邏輯分析儀、數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表等一整套儀器。采用虛擬儀器，可以滿足多媒體演示實驗教學的需要，比如，完成電感元件電壓和電流相位差的演示實驗和單級低頻放大器演示實驗。

　　將虛擬儀器技術(shù)合理地融人到演示實驗教學中，既可體現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)的作用，使學生學到并掌握先進的儀器儀表技術(shù)和實驗技術(shù)，縮短學生所學知識與現(xiàn)代實驗技術(shù)的距離，又節(jié)約了實驗經(jīng)費的投入，提高了實驗教學的現(xiàn)代化水平。

　　（四）虛擬儀器的市場前景

　　1 虛擬儀器的國際市場發(fā)展前景

　　國際上從1988年開始陸續(xù)有虛擬產(chǎn)品面市，當時有五家制造商推出30種產(chǎn)品，此后，虛擬儀器產(chǎn)品成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠已達95家，共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達2.93億美元，占整個儀器銷售額76億美元的4％。據(jù)“國際自動化儀表”雜志預(yù)測，21世紀前10年，虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過千家，品種將達數(shù)千種，市場潛力巨大。

　　美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大虛擬儀器制造國。創(chuàng)立于1976年的NI公司，總部設(shè)于Texas州首府Austin。作為一家測試測量行業(yè)的上市公司，其在世界各地設(shè)有50多個分公司和辦事處。幾十年來，NI不斷致力于開發(fā)基于計算機的測試測量與自動化平臺，其推出的軟件產(chǎn)品已經(jīng)成為行業(yè)標準。2002市場調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在美國的測試、測量市場，LabVIEW就占42.9％的份額，可見，NI公司在此領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢。最新統(tǒng)計顯示，全球有超過25000的客戶在使用NI的產(chǎn)品，其中不乏國際知名的大公司，像Nokia、Siemens、Tektronix等等。在世界財富500強中的制造業(yè)廠商，也有95％都是NI的客戶。此外，虛擬儀器的主要生產(chǎn)廠家還包括HP公司、Tekronix公司等，前者目前生產(chǎn)100多種型號的虛擬儀器，后者則生產(chǎn)約80多種型號。這些廠家的產(chǎn)品在國際市場上都具有較強的競爭力，目前已開始進入中國市場，但價格昂貴，缺乏中文界面，因此還沒有廣泛地被中國用戶所接受。

　　2 虛擬儀器的國內(nèi)市場發(fā)展前景

　　2004年，我國儀器儀表行業(yè)大多數(shù)企業(yè)發(fā)展良好，總體市場規(guī)模已逾700億元。目前，大部分廠家生產(chǎn)的虛擬儀器基本以計算機加數(shù)模轉(zhuǎn)換及軟件應(yīng)用來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的示波器、頻譜分析儀、頻率計、波形發(fā)生器、波形記錄儀等，但也有些開發(fā)比較早的廠家開始將虛擬儀器在某些行業(yè)開始批量應(yīng)用。據(jù)專家預(yù)測，到2010年我國將有50％的儀器為虛擬儀器，目前國內(nèi)有十幾家企業(yè)在研制PC虛擬儀器，上百種系列實用產(chǎn)品已面市，并開始在航空、航天、通信、醫(yī)療、電力、石油勘探、鐵路等行業(yè)普及應(yīng)用。