1.1 虚拟仪器含义与特点

1.1.1 虚拟仪器的产生

测量仪器发展至今，大体可分为四个阶段：模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器。

模拟仪器，以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器仪表。其基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果，如指针式万用表、晶体管电压表等。

数字仪器，将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字电压表、数字频率计等。

智能仪器，内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理功能。智能仪器的功能模块以硬件和固化的软件形式存在，对用户而言，无论在开发还是应用上，都缺乏灵活性。

虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是由美国国家仪器公司（National Instruments，NI）提出的，其基本思想是：用计算机资源取代传统仪器中的输入、处理和输出等部分，实现仪器硬件核心部分的模块化和最小化；用计算机软件和仪器软面板实现仪器的测量和控制功能。

虚拟仪器的发展大致可分为三个阶段：

第一阶段是利用计算机来增强传统仪器的功能。通用接口总线GPIB标准的确立，使计算机与外部仪器通信成为可能，因此把传统的仪器通过串行接口和计算机连接起来后就可以用计算机控制仪器了。

第二阶段主要在功能硬件上实现了两大技术进步。其一是插入计算机总线槽上的数据采集卡的出现，其二是VXI仪器总线标准的确立，这些新技术的应用奠定了虚拟仪器硬件的基础。

第三阶段形成了虚拟仪器体系结构的基本框架。主要是由于采用面向对象的编程技术构筑了几种虚拟仪器的软件平台，并逐渐成为标准的软件开发工具。

虚拟仪器是现代计算机软、硬件技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。

1.1.2 虚拟仪器的概念

所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

虚拟仪器是一种概念仪器，迄今为止，业界对它还没有一个明确的国际标准和定义。虚拟仪器实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。业界一般认为，所谓虚拟测量仪器，就是采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，对各种各样的数据进行计算机处理、显示和存储的测量仪器。

虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调试，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者利用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。

虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义：

（1）虚拟仪器的面板是虚拟的

虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”“断”；被测信号的“输入通道”“放大倍数”等参数的设置，及测量结果的“数值显示”“波形显示”等。

传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的；虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”“断”“放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。

（2）虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的

虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的测量功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。

虚拟仪器概念是为了适应PC卡式仪器而提出的。众所周知，传统仪器主要包括三个部分：数据采集与控制、数据分析和处理、数据显示。而PC卡式仪器由于自身不带仪器面板，有的甚至不带微处理器，因此必须借助于PC作为其数据分析与显示的工具，利用PC机强大的图形环境建立图形化的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。这种包含实际仪器使用、操作信息的软件与PC结合构成的仪器，就称之为虚拟仪器。或者说，虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的PC仪器，它由PC、一系列功能化硬件模块和控制软件组成。

要注意到“Virtual”一词通常被译成“虚拟”，在测控仪器领域，“Virtual”不仅仅指用计算机去虚拟各种传统仪器的面板，“Virtual”还有“实质上的”“实际上的”“有效的”和“似真的”的含义，完全不同于虚拟现实中的虚拟人、虚拟太空、虚拟海底、虚拟建筑等非“实际”的概念，测控仪器强调的是“实”而不是“虚”。因此，在研究与发展虚拟仪器技术时，要注重利用计算机的软硬件技术实现测控仪器的特点和功能，而不能仅强调虚拟的、只是视觉上的内容，要强调面向测控领域快速有效地解决实际问题。

1.1.3 虚拟仪器的特点

传统的测量仪器基本上是以硬件形式或固化的软件形式存在，测量仪器只能由制造商来定义与设计，因而其灵活性和适应性较差。

在实验室、生产车间和户外现场，为完成某项测试和维修任务，通常需要许多仪器，如信号源、示波器、频谱分析仪等。由于众多的仪器构成的测试系统，价格昂贵，体积庞大，连接和操作复杂，测试效率低，虚拟仪器应运而生。

与传统测量仪器相比，虚拟仪器的设计理念、系统结构和功能定位方面都发生了根本性的变化。概括地说，虚拟仪器主要有以下特点：

1）软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软件来实现的，软件在虚拟仪器中具有重要的地位。借助于一台通用数据采集系统（或板卡），用户可以通过软件构造任意功能的仪器，软件变成了构建仪器的核心，因此美国国家仪器公司（NI）曾提出一个著名的口号“软件就是仪器”。

2）虚拟仪器的性价比高。一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，同时，由于信号的传送和数据的处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，所以大大降低了环境干扰和系统误差的影响。另一方面，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，这缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期。此外，采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传统仪器更经济。

3）虚拟仪器的出现缩小了仪器厂商与用户之间的距离。虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样，受到仪器厂商的限制，出现厂商提供的仪器功能与用户要求不相符合的情况。利用虚拟仪器，用户可以组建更好的测试系统，并且更容易增强系统的功能。

4）扩展性强。NI公司的软、硬件工具使得工程师和科学家不再局限于当前的技术。得益于NI软件的灵活性，只需更新用户的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无须软件上的升级即可改进用户的整个系统。

5）虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果是通过软件在计算机显示器上生成的，与传统仪器面板相似的图形界面由软面板来实现。因此，用户可根据自己的爱好，通过编制软件来定义他所喜爱的面板形式。

6）通过软、硬件的升级，可以方便地提升测试系统的能力和水平。更可贵的是，用户可以运用通用的计算机语言和软件，诸如C++、Visual Basic、LabVIEW、LabWindows/CVI等，扩充、编写软件，从而使虚拟仪器技术更适应、更符合用户自己测试工作的特殊需求。

7）虚拟仪器具有和其他设备互联的能力。如和VXI总线或现场总线等的接口能力。此外，还可以将虚拟仪器接入网络，如Internet等，以实现对现场生产的监控和管理。

8）虚拟仪器的软、硬件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投资。

表1-1列出了传统仪器与虚拟仪器的主要区别。

表1-1 传统仪器与虚拟仪器的比较

1.1.4 虚拟仪器的应用

虚拟仪器由于其功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、计量等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称为“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器的全部功能。虚拟仪器系统已成为仪器领域的一个基本方案，是技术进步的必然结果。它的应用已经遍及各行各业的测量活动。

在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。绝大部分闭环控制系统要求精确地采样，及时地数据处理和快速地数据传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计。尤其在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力必将使其在实时监控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。

虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是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。

虚拟仪器可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。