虛擬儀器的開放式構造
?
概 述??

??? 隨著計算機技術和測控技術的不斷發展，人們希望找到一種簡單而又實用的方法，能讓計算機成為高效的工具，使其在科學研究與工程實踐中充分發揮作用。這就使得 “ 虛擬儀器技術 ” 應運而生。采用虛擬儀器技術，通過把各種硬件、軟件以及附備件的合理搭配，就可以將工業標準計算機變成一臺綜合的測試儀器，在各種測試、測量以及工業自動化中應用。?
虛擬儀器的功能與特點?
?
??? 虛擬儀器（Virtual Instrumentation,VI）技術引入到當今計算機輔助測試（Computer-Aided Test，CAT）領域，使數據采集和工業控制自動化技術起了重大的變革。全世界的科學家和工程師都已經認識到：使用工業標準計算機的硬件和軟件技術來構建虛擬儀器系統，將會獲得前所未有的工作效率。

??? 各種儀器 — 無論是傳統的還是虛擬的 — 在所實現的功能上大同小異。它們都可以進行數據采集、數據分析，并且顯示最終數據結果。而虛擬儀器與傳統儀器最大的不同之處，就在于其具有開放性的構成方式，即具有靈活性和功能的可重構性。

??? 虛擬儀器是用戶根據需要自己定義、自行組合的。用戶可以靈活的將各種計算機平臺、硬件、軟件和各種附備件結合起來，形成自己所需要的各種特定設備。可以是一臺數字多用表，也可以是一臺示波器，還有可能是一臺信號源，或者它同時具有這些設備的所有功能甚至于更多的功能。因而利用 “ 虛擬儀器 ” 來逐步替代傳統的儀器設備后，用戶將大大受益。

??? 計算機是構建虛擬儀器的基礎，對于工業控制自動化來講，計算機已成為一種功能強大、價格低廉的運行平臺。當各種與計算機有關的新的技術出現時，將同時把虛擬儀器的便攜性和強大的功能推向一個新的水平。而且由于計算機的性能價格比不斷提高，使得虛擬儀器的價格更能為廣大用戶所接受。有了虛擬儀器這個解決方案，用戶就可以降低成本、減少系統開發費用以及系統維護費用，同時又可以縮短自行生產的產品的開發、上市時間，提高產品質量。

??? 不難發現，以計算機為基礎的虛擬儀器技術夠提供更廣泛的功能和更強大的靈活性！以下是虛擬儀器幾項特出的優點：

??? 將所用的程控儀器的控制信息集成在虛擬儀器的軟件模塊中，對用戶來講，是完全透明的。用戶在使用過程中無須專門查閱、學習儀器的程控方法與程控指令就可以對儀器進行操作

·計算機強大的圖形用戶界面（Graphic User Interface,GUI）增強了儀器的結果顯示功能，更易于操作

·具有龐大的數據記錄容量

·多級、豐富的顯示選項

·用戶可以自定義分析方式

·用戶可以自定義接口形式

·具有可擴展的工程函數庫

·完整的時間記錄和測試說明

·測量程序中內置多媒體操作指令

·測試過程自動化

·可利用網絡進行多用戶數據共享

·測量結果關聯分析和趨勢標定
?
虛擬儀器的構造
?
??????? 虛擬儀器通常由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成，其結構如圖（ 1 ）所示。其中，硬件設備與接口可以是各種以計算機為基礎的內置功能插卡、通用接口總線（ General Purpose Interface Bus,GPIB ）卡、串行接口卡、 VXI 總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備；設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統進行通訊；并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。在這些控件中預先集成了對應儀器的程控信息，所以用戶使用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。
?
虛擬儀器的硬件組成
?
　 　構建基于計算機的虛擬儀器，需要有相應的硬件來支持。虛擬儀器的硬件組成一般分為基礎硬件平臺和外圍硬件設備。基礎硬件平臺目前可以選擇各種類型的計算機；而外圍硬件設備則主要包括：各種計算機內置插卡和外置測試設備。

　　計算機是虛擬儀器的硬件基礎，虛擬儀器充分地利用了計算機的圖形用戶界面（GUI），所開發的具體應用程序都是基于 Windows 運行環境。所以計算機的配置必須合適。 GUI 對計算機的 CPU 速度、內存大小、顯示卡性能等都有最基本的要求，通常要使用 486 以上的計算機才能獲得良好的效果。采用 Windows 95 操作系統時，至少需 16M 以上的內存。

　　有了計算機硬件平臺，虛擬儀器還必須配備外圍硬件設備，即各種計算機內置功能插卡和外置程控測試設備，才能構成完整的硬件體系。

　　這里的外置程控測試設備是指帶有某種接口的測試設備，比如，帶有HP-IB和RS-232 接口的 HP 34401A 數字萬用表，帶有 GPIB 接口的 Pragmatic 2205A 任意波形發生器 , 等等。

　　隨著硬件生產技術的不斷提高，通過采用各種先進的生產技術，功能更完備、性能更優越的各種計算機內置功能插卡產品正在不斷面市。可以滿足測試的各種應用要求 — 從最基本的到最復雜的。目前，市場上以計算機為基礎的內置插卡品種繁多，門類齊全。單個插卡就可以完全實現以前體積相對龐大的單臺設備的功能。它可以替代任意波形發生器、計數器\定時器、數字萬用表、數字存儲示波器、邏輯分析儀，等等。一定程度上實現了測試與測量儀器的小型化，提高了便攜性。

　　其中，計算機內置插卡中的數據采集（DAQ）多功能卡產品 種類繁多，功能齊全：從數據采集的前向通道至后向通道的各個環節，都有對應的 DAQ 產品。可以完成模擬波形采集與產生、數字量信號采集、波形采集及數據自動存儲、模擬 I/O 、數字 I/O 、定時 I/O 、信號調理等工作；配有各種操作系統完整的設備驅動程序： Windows NT 、 Windows 95 、 Windows 3.1 和 DOS ；具有完備的使用指南，可以讓 I/O 通道的命名、比例變換和尋址操作更加簡單。用戶只需要在配置表格中填入數據，指定名稱、特性、傳感器類型、變換系數或公式、冷端補償值，以及單位轉換系數，就可以定義一個模擬或數字 I/O 通道。

　　當工程師們在構建自動化測試系統時， GPIB 仍然是首選的方案。今天， GPIB 可以應用在 ISA 、 PCI 和 PC Card （PCMCIA）之類的總線上，并可用于 Windows NT 、 Windows 95 以及其它操作系統下。但是越來越多的系統，正在采用新的 PCI 、 PXI 和 VXI 技術，它們可以提供更優越的性能價格比。從 1987 年開始提出的 VXI 總線 是目前儀器與測試技術領域研究與發展的重點，代表了今后測控技術的發展方向。根據 VXI 技術規范設計的各種儀器稱之為 VXI 儀器，與傳統儀器相比， VXI 總線儀器沒有儀器操作面板，儀器的操作完全由軟件來完成,所以虛擬儀器技術在 VXI 總線平臺中更是必不可少的。
?
虛擬儀器的軟件體系
?
　 　在選擇虛擬儀器的使用軟件時，需要考慮眾多因素，例如應用需求、計算機硬件、操作系統、以及具體的儀器硬件；軟件是否建立在開放的結構上？是否需要編程經驗？利用此軟件所開發的應用程序是否能在不同的計算機平臺上移植？同時所選的軟件必須具有一定的通用性，以便與不同的計算機結構、各式各樣的儀器以及數據采集設備配合使用。

　　虛擬儀器軟件體系結構（Virtual Instrumentation Software Architecture，VISA）主要包含兩個層次：用戶應用程序和設備驅動程序。其中設備驅動程序是聯系用戶應用程序與底層硬件設備的基礎。每一種設備驅動程序都是為增加編程靈活性和提高數據吞吐量而設計的。每個設備驅動程序都具有一個共同的應用程序編程接口（Application Program Interface, API），因此，不管虛擬儀器所使用的計算機或者操作系統是什么，最終所編寫的用戶應用程序都是可移植的。

對于市場上的大多數計算機內置插卡，廠家都配備了相應的設備驅動程序。用戶在編制應用程序時，可以象調用系統函數那樣，直接調用設備驅動程序，進行設備操作。如果所用計算機內置插卡和外置設備沒有驅動程序，用戶也可以采用高級語言自己編寫。

　　對于虛擬儀器可視化應用程序的編寫，大致可以歸納為兩種方式，一是采用通用軟件進行編寫。這里所指的通用軟件主要是 Microsoft 公司的 Visual Basic 和 Borland 公司的 Delphi ；二是采用專業圖形化編程軟件進行開發。比如 Hewlett-Packard 公司的 HP VEE 和 LAB Windows/CVI 以及 National Instruments 公司的 LABVIEW 。

軟 件
?特 點
?
VB、 Delphi
?易學、使用簡單；面向對象的可視化編程軟件；它的圖形控件工具能生成復雜的多窗口用戶界面而不必編寫復雜的代碼；可創建自己的 ActiveX 控件 ，以及多線程和線程安全 ActiveX 部件。?
HP VEE
?用于儀器控制、測量處理和測試報告的圖形化編程語言；自動尋找與計算機相連的儀器，自動管理所有的尋址操作；具有直觀、豐富的顯示界面；不必編寫代碼就可以進行數據采集與分析；具有多種數學運算和分析功能，從最基本的數學運算到數字信號處理和回歸分析。?
LABVIEW
?儀器控制與數據采集的圖形化編程環境；直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風格；內置的編譯器可加快執行速度；內置 GPIB 、 VXI 、串口和插入式 DAQ 板的庫函數；內容豐富的高級分析庫，可進行信號處理、統計、曲線擬和以及復雜的分析工作；利用 ActiveX 、 DDE 以及 TCP/IP 進行網絡連接和進程通訊；可應用于 Win31/95/NT 、 Mac OS 、 Sun 、 HP-UX 以及 Concurrent 實時計算機。?
LABWindows/CVI
?使用 ANSI C 編程語言建立實用儀器的交互式開發環境；可視化開發工具自動產生程序大綱和調用函數，從而降低編碼錯誤、加快程序開發速度；集成化 C 語言編程工具，包含 32 位的 C 編譯器、連接程序、調試程序，以及代碼產生實用程序；直觀明了的圖形編輯器，可建立用戶 GUI 界面；可用于 Win31/95/NT 操作系統以及 SUN SPARC 工作站的 Solaris 操作系統；用于 HP-UX 的運行時間庫。?

2) 下面所進行的工作與構造實驗室虛擬儀器的過程相同，在此不再贅述。 總 結
?
　 　基于計算機的虛擬儀器將單臺儀器所具備的高品質測量功能完全嵌入到計算機中。這種新型的、可直接編程的儀器，隨著計算機的功能與靈活性的不斷改進而進步。它可以在保持高檔儀器測量品質的同時，又可以滿足目前各種應用的多樣性要求；同時還具有一定的靈活性，以便進一步擴展其功能，更直接地解決使用過程中所遇到的各種難題。?