虚拟仪器综述

（一）虚拟仪器的发展历程

    1 国外发展历程

    随着个人电脑技术的出现，人们开始考虑使用电脑来处理传统仪器所测数据。由此，GPIB技术在20世纪70年代发展起来，这也就是IEEE 488及后来的IEEE488.2标准。但由于GPIB总线带宽（1Mbytes／s）限制了数据向计算机的实时传输，所以大量的数据处理工作仍然依靠仪器自身所带有的功能。

    20世纪80年代，随着计算机技术的进一步发展，个人电脑可以带有多个扩展槽，就出现了插在计算机里的数据采集卡。它可以进行一些简单的数据采集，数据的后处理由计算机软件完成，这就是虚拟仪器技术的雏形。1986年，美国National Instruments公司（以下简称NI公司）提出了“软件即仪器的口号”，推出了NI-LabVIEW直观的流程图编程风格的开发和运行程序平台，开启了虚拟仪器的先河。

    20世纪90年代，计算机总线速度进一步加快，PCI总线的数据传输速度达到了132Mbytes/s。1996年底，美国NI公司在PCI数据总线的基础上提出了第一代PXI系统的技术规范。现在，PXI技术联盟已经有接近60家成员公司为这一平台开发产品。

    2 我国发展历程

    1985年，我国东方振动和噪声技术研究所（以下简称COINV）开始提出PC卡泰（PCCATAI）—微机卡式采集测试分析仪的概念，并推出了数据采集和信号处理软件（DASP Data Acquisition＆Signal Processing），随后又提出了“把实验室拎着走”的口号，进而进行了虚拟仪器库平台的研发，实现了INV虚拟仪器库。DASP软件概念突破了传统的随机振动信号分析仪和FFT分析仪概念，实现了向虚拟仪器和计算机采集测试分析仪器概念的过渡。其间，COINV研制成了国内第一台虚拟仪器—PC卡泰INVl01，接着又推出了台式机用的INV303和便携式笔机本式的INV306系统，并于1993年到加拿大多伦多展出，实现了VI的飞跃。到2002年底，已有800余家用户使用COINV生产的26种INV303/306系列产品。

    3 国内外发展趋势和开发平台比较

    虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：一是GPIB→VXI→PXI总线方式(适合大型高精度集成系统)，二是PC插卡式→LPT并行口式→串口USB方式→IEEE标准的1394口方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）。

    美国NI公司开发的LabVIEW和中国COINV开发的DASP虚拟仪器平台是国内外具有代表性的两个平台，其软件各有特点，互相不能替代、功能互补。LabVIEW平台是一个在国内外具有相当影响和大量用户的虚拟仪器开发平台，它对于一般仪器的开发商、学校仪器制造专业的教学和提高虚拟仪器的理解，以及一些特殊的用户是适宜的，但由于它是用于虚拟仪器二次开发的软件，而非作为最终直接使用的仪器，这对大量的一般直接用户、只想用虚拟仪器马上直接测试分析试验结果的用户，有不方便的地方，也有局限性。DASP平台它是直接面向最终用户的虚拟仪器库，直接可以使用，不需要再进行编程加工，用起来非常快捷方便、可靠，精度又很高，用户拿起来就可直接使用，但是，对于专业仪器开发商或者仪器专业自己需开发虚拟仪器的用户，还有一定的局限性。

    （二）虚拟仪器的种类与主要特点

    1 虚拟仪器的种类

    ① PC总线-插卡型虚拟仪器

    这种方式借助于插入PC机和工控机内的数据采集卡与专用软件(如LabVIEW)相结合，完成测试任务。插卡类型有ISA卡、PCMCIA卡和PCI卡多种类型。随着计算机的发展，ISA型插卡正被PCI插卡取代，PCMCIA卡由于受到结构连接强度太弱的限制而影响了它的工程应用。其特点是充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，特别是A/D转换技术，仪器价格便宜，用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室使用，目前仍有很强的生命力。但是，仪器多数没有抗混滤波器且分时采样，其混叠现象和通道间相位差应予重视。

    ② PC端口-LPT并行口式、USB口式和1394口式虚拟仪器

    最新发展的一系列可连接到PC机的各种端口(如LPT并行口、USB口和1394口)的测试装置，可把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上。软件装在PC机上，通常可以完成各种虚拟仪器的功能，典型的有COINV的INV306系列和LINK公司的DSO一21XX系列数字示波器。它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机和工控机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。特别是USB口和1394口具有于传输速度快、可以热插拔、联机使用方便的特点，很可能成为未来虚拟仪器的主流平台。

    ③ GPIB总线方式虚拟仪器

    这种仪器是IEEE488标准的虚拟仪器早期发展的产物，目前已经逐步退出市场。

    ④ VXI总线方式虚拟仪器

    VXI总线是一种高速计算机总线-VME总线在VI领域的扩展。经过10多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。目前这种类型也有逐渐退出市场的趋势。

    ⑤ PXI总线方式虚拟仪器

    PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的参考时钟。用于精确定时的星形触发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局部总线。PXI具有高度可扩展性，可扩展到256个扩展槽。把台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台之一。

    ⑥ 袖珍型的一体机

    它由嵌入式工控机或PC 104、掌上电脑，外加DSP、AD／DA、LCD、调理放大抗混滤波、电子盘与硬盘构成，电子盘与硬盘内的软件可以通过并行口或软驱进行更新。COINV的SVSA-1型是其发展方向之一。

    2 虚拟仪器的主要特点

    ① 利用标准的商业技术

    虚拟仪器的持续发展依靠标准商业技术的不断进步，如个人电脑元件和因特网。这些突飞猛进的商业技术必然带来性能的改进和大批量市场运作的成本降低。虚拟仪器产品使用这些技术，可以更低的价格为用户提供更为出色的性能。

    ② 功能强大的软件是虚拟仪器的核心

    软件工具一般由测量驱动程序和仪器驱动软件、应用开发环境(如LabVIEW，LabWindows／CVI和MeasuremelltStudio)以及高阶测试与数据管理工具三部分组成。使用者利用这种集成式的软件构造，就可以自由地定义和生成功能强大的测量与控制系统。通过降低多种测量设备集成在一起使用的复杂性，集成式软件架构减少了建立一个高级测量系统所需要花费的时间和投资。

    ③ 模块化硬件

    在虚拟仪器解决方案中，信号先由硬件进行数字化，再利用软件对数字化的信号进行处理。使用者可以根据应用系统要求的采样速率和分辨率，对信号进行定义。模块化的仪器由软件组合在一起后可以完成数据采集、分析和报告。在某些方面，虚拟仪器可以部分或全部代替传统仪器的功能，甚至超越传统仪器。

    （三）虚拟仪器的应用

    虚拟仪器至今在国内还是一个相当新的概念，但这些年来应用的增长非常迅速，已经开始应用于航空航天、智能交通、汽车、医疗、教育等领域，举例如下。

    1 基于虚拟仪器技术的固体火箭发动机测试系统

    固体火箭发动机的测试是一项复杂而又繁琐的事情，其特点是工作时间短，采样速度快，精度要求高，需要对温度、压力、流量以及发动机推力等诸多参数的测量。因此，要精确测定这些参量，必须选择恰当的测试办法，采用高精度的测试系统。但是，采用传统的测试方法要求硬件仪器设备较多，成本较高，很难满足固体火箭发动机精确参数尤其是动态参数的测试要求。但通过引入虚拟仪器技术，可以很方便地组建一套精密的、动态性能优良的测试系统。

    虚拟仪器系统的硬件只是用于解决信号的输入/输出，也就是数据的采集，而软件则是整个系统的关键。硬件包括传感器、信号调理系统和数据采集卡等；软件根据测试系统的性质和测试要求，采用模块化设计方法，可将测试系统分为文件处理模块、标定模块、采集模块、数据处理模块，产品报表模块、显示模块和帮助系统模块，其程序功能增加自如、灵活多变、通用性强，并采用功能强大的图形编程语言平台LabVIEW，使得工程师们不必花很多的时间就能方便高速地开发出高质量要求的测试系统，加快了程序的开发周期。

    2 基于虚拟仪器技术的智能交通车载信息采集平台

    随着多传感器融合技术的不断发展及其在智能交通领域中应用的不断深入，可供使用的交通信息种类越来越多，用于检测的传感器也相应增加。传统仪器由于其功能单一、灵活性差、使用复杂、更新和维护成本高，很不适于车载检测使用。针对这一状况，可采用虚拟仪器技术开发车载信息采集平台。

    平台的硬件主要包括了各种车载传感器、I/O接口设备和车载计算机3个部分。平台的软件使用LabWindows／CVI，它是美国NI公司利用虚拟仪器技术开发的32位面向计算机测控领域虚拟仪器的软件开发平台，可以在多操作系统(如windows98/NT/2000/XP，Mac Os和Unix等)下运行。整个数据采集平台的软件设计采用了模块化、结构化的设计思想，分为实时控制和离线处理两大部分，其中又包括了许多功能模块。实时控制部分模块包括I/O接口设备初始化模块、数据采集模块、数据显示模块、数据存储模块和移动检测模块；离线处理部分包括数据读取模块、多传感器信息融合模块、驾驶特性分析模块合路网交通状况分析模块。

    将虚拟仪器技术应用于智能交通领域，用其来构建智能交通车载信息采集平台，不仅可以满足目前智能交通中多传感器信息的采集、监控和融合的要求，而且可以灵活的根据技术发展需要进行功能扩展，这对于发展迅速的智能交通技术来说，这种基于虚拟仪器技术的信息采集平台具有十分现实的意义。

    3 汽车车内数据采集系统（IVDAS）

    一个好的车内测试系统应该支持许多不同的测试信号。典型的测试信号包含温度、位置、振动、图像、压强/力/负载、速度/距离和控制总线信号等。上述信号与其他信号结合在一起，为测试工程师研究汽车在不同工况下，甚至最恶劣环境下汽车的性能提供关键数据。因此，测试工程师需要一个灵活的测试系统来满足不断增长的测试功能和技术指标的需要。

    美国B&B公司在NI公司的LabVIEW和PXI／SCXI基础上开发了车内测试系统(IVDAS)，系统显示了虚拟仪器在测试领域应用的灵活性。SCXI机箱内嵌入各种信号调理模块，模块的模式由信号种类决定，各种信号采集和处理的整合由LabVIEW程序来完成。IVDAS的优越性能源于使用PXI和SCXl所带来的灵活性和可升级性。其可能的升级包括：增加触摸屏功能；语音合成；语音辨识；运动控制、GPS接受和中控单元。

    基于上述灵活性，使得IVDAS可以完全代替传统的数据记录仪。在IVDAS基础上还派生出满足不同需要的车内测试系统：发热监测系统；刹车测试系统（BTS）；声学刹车测试系统（ABTS）。

    4 基于虚拟仪器技术的胃电检测分析系统

    采用现代检测技术和先进的计算机技术，可以开发微机化、自动化、柔性化的虚拟仪器式医疗检测仪器系统-胃电检测分析系统。它由通用PC机、模块化功能硬件和测控分析软件构成。信号采集硬件模块接插在PC机的I/0插槽上，与PC机构成测试仪器系统。操作人员通过操作PC机显示器上的虚拟仪器软面板控制仪器的运行，完成测试分析任务。这种仪器系统充分利用了通用计算机软硬件资源，以先进的计算机技术实现了传统的昂贵设备所具有的功能，能完成体表胃电信号的检测、实时示波、瞬态记录、波形存储、波形分析、频谱分析等多种功能，具有测试精度高、功能完善、使用方便、一机多用、造价低廉等优势，可应用于临床检测分析、医学科研和教学。

    系统硬件由体表电极、EGG放大模块、信号采集控制电路组成；软件系统包括实时示波模块、时域分析模块、频域分析模块和文件管理模块等四个模块。测控分析软件系统除了要实现内在的仪器测控分析功能外，还要有一系列的外观和感觉一致的虚拟的仪器软面板，用户就像操作传统的物理仪器一样操作这些软面板，实现测量控制及分析。为此，以Windows 9X为平台，采用面向对象及可视化的软件设计技术实现了这一目标。

    5 用虚拟仪器进行多媒体演示实验

    把多媒体教室的计算机装上基于PC总线的插卡式仪器(DAQ产品)或接上并口式仪器，再配上相应的软件，即构成虚拟仪器，可以代替常规的演示实验仪器，如智能信号发生器、数字存储示波器、频谱及信号分析仪、晶体管特性测试仪、频率特性测试仪、逻辑分析仪、数字电压表、数字电流表等一整套仪器。采用虚拟仪器，可以满足多媒体演示实验教学的需要，比如，完成电感元件电压和电流相位差的演示实验和单级低频放大器演示实验。

    将虚拟仪器技术合理地融人到演示实验教学中，既可体现现代技术的作用，使学生学到并掌握先进的仪器仪表技术和实验技术，缩短学生所学知识与现代实验技术的距离，又节约了实验经费的投入，提高了实验教学的现代化水平。

    （四）虚拟仪器的市场前景

    1 虚拟仪器的国际市场发展前景

    国际上从1988年开始陆续有虚拟产品面市，当时有五家制造商推出30种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额76亿美元的4％。据“国际自动化仪表”杂志预测，21世纪前10年，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达数千种，市场潜力巨大。

    美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大虚拟仪器制造国。创立于1976年的NI公司，总部设于Texas州首府Austin。作为一家测试测量行业的上市公司，其在世界各地设有50多个分公司和办事处。几十年来，NI不断致力于开发基于计算机的测试测量与自动化平台，其推出的软件产品已经成为行业标准。2002市场调查数据显示，在美国的测试、测量市场，LabVIEW就占42.9％的份额，可见，NI公司在此领域占绝对优势。最新统计显示，全球有超过25000的客户在使用NI的产品，其中不乏国际知名的大公司，像Nokia、Siemens、Tektronix等等。在世界财富500强中的制造业厂商，也有95％都是NI的客户。此外，虚拟仪器的主要生产厂家还包括HP公司、Tekronix公司等，前者目前生产100多种型号的虚拟仪器，后者则生产约80多种型号。这些厂家的产品在国际市场上都具有较强的竞争力，目前已开始进入中国市场，但价格昂贵，缺乏中文界面，因此还没有广泛地被中国用户所接受。

    2 虚拟仪器的国内市场发展前景

    2004年，我国仪器仪表行业大多数企业发展良好，总体市场规模已逾700亿元。目前，大部分厂家生产的虚拟仪器基本以计算机加数模转换及软件应用来实现传统仪器中的示波器、频谱分析仪、频率计、波形发生器、波形记录仪等，但也有些开发比较早的厂家开始将虚拟仪器在某些行业开始批量应用。据专家预测，到2010年我国将有50％的仪器为虚拟仪器，目前国内有十几家企业在研制PC虚拟仪器，上百种系列实用产品已面市，并开始在航空、航天、通信、医疗、电力、石油勘探、铁路等行业普及应用。