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(gè)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(jì)70年代發(fā)展起來，這也就是IEEE 488及后來的IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)。但由于GPIB總線帶寬（1Mbytes／s）限制了數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)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(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，個(gè)人電腦可以帶有多個(gè)擴(kuò)展槽，就出現(xiàn)了插在計(jì)算機(jī)里的數(shù)據(jù)采集卡。它可以進(jìn)行一些簡單的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的后處理由計(jì)算機(jī)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(fēng)格的開發(fā)和運(yùn)行程序平臺(tái)，開啟了虛擬儀器的先河。

　　20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)總線速度進(jìn)一步加快，PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)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(tái)開發(fā)產(chǎn)品。

　　2 我國發(fā)展歷程

　　1985年，我國東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所（以下簡稱COINV）開始提出PC卡泰（PCCATAI）—微機(jī)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(shí)驗(yàn)室拎著走”的口號，進(jìn)而進(jìn)行了虛擬儀器庫平臺(tái)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了INV虛擬儀器庫。DASP軟件概念突破了傳統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)信號分析儀和FFT分析儀概念，實(shí)現(xiàn)了向虛擬儀器和計(jì)算機(jī)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(tái)虛擬儀器—PC卡泰INVl01，接著又推出了臺(tái)式機(jī)用的INV303和便攜式筆機(jī)本式的INV306系統(tǒng)，并于1993年到加拿大多倫多展出，實(shí)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(tái)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(biāo)準(zhǔn)的1394口方式（適合于普及型的廉價(jià)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(tái)是國內(nèi)外具有代表性的兩個(gè)平臺(tái)，其軟件各有特點(diǎn)，互相不能替代、功能互補(bǔ)。LabVIEW平臺(tái)是一個(gè)在國內(nèi)外具有相當(dāng)影響和大量用戶的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，它對于一般儀器的開發(fā)商、學(xué)校儀器制造專業(yè)的教學(xué)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(yàn)結(jié)果的用戶，有不方便的地方，也有局限性。DASP平臺(tái)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(jìn)行編程加工，用起來非�？旖莘奖�、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(diǎn)

　　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(jī)和工控機(jī)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(jì)算機(jī)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(qiáng)度太弱的限制而影響了它的工程應(yīng)用。其特點(diǎn)是充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利，特別是A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，儀器價(jià)格便宜，用途廣泛，特別適合于教學(xué)部門和各種實(shí)驗(yàn)室使用，目前仍有很強(qiáng)的生命力。但是，儀器多數(shù)沒有抗混濾波器且分時(shí)采樣，其混疊現(xiàn)象和通道間相位差應(yīng)予重視。

　�、� 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(jī)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(gè)采集盒里或一個(gè)探頭上。軟件裝在PC機(jī)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(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC機(jī)和工控機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)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(jī)使用方便的特點(diǎn)，很可能成為未來虛擬儀器的主流平臺(tái)。

　�、� GPIB總線方式虛擬儀器

　　這種儀器是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)總線-VME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)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(dòng)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(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。目前這種類型也有逐漸退出市場的趨勢。

　　⑤ 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(shí)鐘。用于精確定時(shí)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(kuò)展性，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽。把臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來主流的虛擬儀器平臺(tái)之一。

　�、� 袖珍型的一體機(jī)

　　它由嵌入式工控機(jī)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(jìn)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(diǎn)

　�、� 利用標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)技術(shù)

　　虛擬儀器的持續(xù)發(fā)展依靠標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，如個(gè)人電腦元件和因特網(wǎng)。這些突飛猛進(jìn)的商業(yè)技術(shù)必然帶來性能的改進(jìn)和大批量市場運(yùn)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(jià)格為用戶提供更為出色的性能。

　�、� 功能強(qiáng)大的軟件是虛擬儀器的核心

　　軟件工具一般由測量驅(qū)動(dòng)程序和儀器驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(fù)雜性，集成式軟件架構(gòu)減少了建立一個(gè)高級測量系統(tǒng)所需要花費(fèi)的時(shí)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(jìn)行數(shù)字化，再利用軟件對數(shù)字化的信號進(jìn)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(jìn)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(bào)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。

　　（三）虛擬儀器的應(yīng)用

　　虛擬儀器至今在國內(nèi)還是一個(gè)相當(dāng)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(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)

　　固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的測試是一項(xiàng)復(fù)雜而又繁瑣的事情，其特點(diǎn)是工作時(shí)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(dòng)機(jī)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(dāng)?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(dòng)機(jī)精確參數(shù)尤其是動(dòng)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(dòng)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(gè)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(jì)方法，可將測試系統(tǒng)分為文件處理模塊、標(biāo)定模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，產(chǎn)品報(bào)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(qiáng)，并采用功能強(qiáng)大的圖形編程語言平臺(tái)LabVIEW，使得工程師們不必花很多的時(shí)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(tái)

　　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(fù)雜、更新和維護(hù)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(tái)。

　　平臺(tái)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(jì)算機(jī)3個(gè)部分。平臺(tái)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(jì)算機(jī)測控領(lǐng)域虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)，可以在多操作系統(tǒng)(如windows98/NT/2000/XP，Mac Os和Unix等)下運(yùn)行。整個(gè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，分為實(shí)時(shí)控制和離線處理兩大部分，其中又包括了許多功能模塊。實(shí)時(shí)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(chǔ)模塊和移動(dòng)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(tái)，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(jìn)行功能擴(kuò)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(tái)具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。

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

　　一個(gè)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(dòng)、圖像、壓強(qiáng)/力/負(fù)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(gè)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(biāo)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(jī)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(shí)；運(yùn)動(dòng)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(xué)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(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以開發(fā)微機(jī)化、自動(dòng)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(jī)、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(jī)的I/0插槽上，與PC機(jī)構(gòu)成測試儀器系統(tǒng)。操作人員通過操作PC機(jī)顯示器上的虛擬儀器軟面板控制儀器的運(yùn)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(jì)算機(jī)軟硬件資源，以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)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(shí)時(shí)示波、瞬態(tài)記錄、波形存儲(chǔ)、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(jī)多用、造價(jià)低廉等優(yōu)勢，可應(yīng)用于臨床檢測分析、醫(yī)學(xué)科研和教學(xué)。

　　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(shí)時(shí)示波模塊、時(shí)域分析模塊、頻域分析模塊和文件管理模塊等四個(gè)模塊。測控分析軟件系統(tǒng)除了要實(shí)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(shí)現(xiàn)測量控制及分析。為此，以Windows 9X為平臺(tái)，采用面向?qū)ο蠹翱梢暬�的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

　　5 用虛擬儀器進(jìn)行多媒體演示實(shí)驗(yàn)

　　把多媒體教室的計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)儀器，如智能信號發(fā)生器、數(shù)字存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，比如，完成電感元件電壓和電流相位差的演示實(shí)驗(yàn)和單級低頻放大器演示實(shí)驗(yàn)。

　　將虛擬儀器技術(shù)合理地融人到演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既可體現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)的作用，使學(xué)生學(xué)到并掌握先進(jìn)的儀器儀表技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，縮短學(xué)生所學(xué)知識(shí)與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的距離，又節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的投入，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化水平。

　�。ㄋ模┨摂M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(dāng)時(shí)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(dá)95家，共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達(dá)2.93億美元，占整個(gè)儀器銷售額76億美元的4％。據(jù)“國際自動(dòng)化儀表”雜志預(yù)測，21世紀(jì)前10年，虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過千家，品種將達(dá)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(gè)分公司和辦事處。幾十年來，NI不斷致力于開發(fā)基于計(jì)算機(jī)的測試測量與自動(dòng)化平臺(tái)，其推出的軟件產(chǎn)品已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)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(cái)富500強(qiáng)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(qiáng)的競爭力，目前已開始進(jìn)入中國市場，但價(jià)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(jì)算機(jī)加數(shù)模轉(zhuǎn)換及軟件應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的示波器、頻譜分析儀、頻率計(jì)、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(shí)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。