1.1 虚拟仪器

随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化。从最初的模拟仪器到现在的数字化仪器、嵌入式系统仪器和智能仪器；新的测试理论、测试方法不断应用于实践；新的测试领域随着学科门类的交叉发展不断涌现；仪器结构也随着设计思想的更新不断发展。仪器技术领域的各种创新积累使现代测量仪器的性能发生了质的飞跃，导致了仪器的概念和形式发生了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念——虚拟仪器（Virtual Instrument）。

虚拟仪器把计算机技术、电子技术、传感器技术、信号处理技术和软件技术结合起来，除继承传统仪器的功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过程中可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。

1.1.1 概念

虚拟仪器是指通过应用程序将计算机与功能化模块结合起来，用户可以通过直观、友好的图形界面来操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的仪器一样，从而完成对被测量的采集、分析、处理、显示、存储和打印。

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的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集与调理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用的测量仪器一样。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”，实现被测信号的“输入通道”“放大倍数”等参数的设置，以及实现测量结果的“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要的图标，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功能。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。

1.1.2 开发环境

应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必需的软件工具。应用软件开发环境的选择，因开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好、功能强大的应用程序。

软件在虚拟仪器中处于重要的地位，它肩负着对数据进行分析处理的任务，如数字滤波、频谱变换等。在很大程度上，虚拟仪器能否成功的运行，都取决于软件。因此，美国NI公司提出了“软件就是仪器”的口号。

通常在编制虚拟仪器软件时有两种方法。一种是传统的编程方法，采用高级语言，如VC++、VB、Delphi等；另一种是采用流行的图形化编程方法，如采用NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI软件以及HP公司的VEE等软件进行编程。使用图形化软件编程的优势是软件开发周期短，编程容易，适用于不具有专业编程水平的工程技术人员。

虚拟仪器系统的软件主要包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设定特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态。应用程序主要对采集来的数据信号进行分析处理，用户可以通过编制应用程序来定义虚拟仪器的功能。软面板程序用来提供用户与虚拟仪器的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个和传统仪器面板相似的图形界面，用于显示测量和处理的结果，另一方面，用户也可以通过控制软面板上的开关和按钮，模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标，实现对虚拟仪器系统的控制。

1.1.3 组成

从功能上来说，虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，完成对被测量的采集、分析、处理、显示、存储和打印等功能，因此，与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集、数据分析处理、结果表达三大功能模块。图1-1所示为其内部功能框图。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器的 功能。

图1-1中采集处理模块主要完成数据的调理采集；数据分析模块对数据进行各种分析处理；结果表达模块则将采集到的数据和分析后的结果表达出来。

虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分构成。其结构框图如图1-2所示。

1.硬件平台

虚拟仪器的硬件平台由计算机和I/O接口设备组成。

1）计算机是硬件平台的核心，一般为一台PC或者工作站。

2）I/O接口设备主要完成被测输入信号的放大、调理、模数转换和数据采集。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器和串口仪器等。虚拟仪器构成方式有五种类型，如图1-3所示。无论哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合的。

2.软件平台

虚拟仪器软件将可选硬件（如DAQ、GPIB、RS232、VXI和PXI）和可以重复使用源代码库函数的软件结合起来，实现模块间的通信、定时与触发，源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软件模块，或重新配置现有系统以满足其测试要求。

虚拟仪器软件包括应用程序和I/O接口设备驱动程序。

（1）应用程序

1）实现虚拟仪器前面板功能的软件程序，即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。虚拟仪器在工作时利用软面板去控制系统。与传统仪器前面板相比，虚拟仪器软面板的最大特点是软面板由用户自己定义。因此，不同用户可以根据自己的需要组成灵活多样的虚拟仪器控制面板。

2）定义测试功能的流程图软件程序，利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库，极大提高了虚拟仪器的数据分析处理能力。如HP-VEE可提供200种以上的数学运算和分析功能，从基本的数学运算到微积分、数字信号处理和回归分析。LabVIEW的内置分析能力能对采集到的信号进行平滑、数字滤波、频域转换等分析处理。

（2）I/O接口设备驱动程序

I/O接口设备驱动程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。