引言：測試與測量是人類認識客觀世界的最基本方法，而儀器是實現測試與測量的工具。儀器伴隨著人類科學的發展而不斷進步，成為一切科學技術的基礎，隨著虛擬儀器的出現，為世界儀器產業注入了新鮮血液并徹底改寫了測試測量產業的發展格局。

美國NI公司于上世紀80年代中期提出了全新概念的儀器—虛擬儀器，引發了傳統儀器領域的一場重大變革。虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺，它可代替傳統的測量儀器，如示波器，邏輯分析儀，信號發生器，頻譜分析儀等；可集成于自動控制，工業控制系統；可自由構建成專有儀器系統。

它由計算機，應用軟件和儀器硬件組成。無論哪種虛擬儀器系統，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺式PC或工作站等各種計算機平臺（甚至可以是掌上電腦）加上應用軟件而構成的。

虛擬儀器的三大組成部分

1.高效的軟件

軟件是虛擬儀器技術中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過調用特定的程序模塊，工程師和科學家們可以高效地創建自己的應用以及友好的人機交互界面。擁有了功能強大的軟件，就可以在儀器中創建智能性和決策功能，從而發揮虛擬儀器技術在測試應用中的強大優勢。

2.模塊化的I/O硬件

面對如今日益復雜的測試測量應用，無論是使用PCI， PXI， PCMCIA， USB或者是IEEE 1394總線，都能提供相應的模塊化硬件產品，產品種類從數據采集及信號調理、模塊化儀器、機器視覺、運動控制、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業通訊，應有盡有。

3.用于集成的軟硬件平臺

虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量，控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。從發展史看，電子測量儀器經歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器，由于計算機性能以摩爾定律飛速發展，已把傳統儀器遠遠拋到后面，并給虛擬儀器生產廠家不斷帶來較高的技術更新速率。

測量儀器的主要功能都是由數據采集、數據分析和數據顯示等三大部分組成的。在虛擬現實系統中，數據分析和顯示完全用PC機的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數據采集硬件，就可以與PC機組成測量儀器。

在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統，只要應用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。可見，軟件系統是虛擬儀器的核心，軟件就是儀器。

傳統的儀器主要在儀器技術中用了某種計算機技術，而虛擬儀器則強調在通用的計算機技術中吸收儀器儀表技術。由于微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術的高度發展及其在電子工業測量技術與儀器儀表上的應用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領域以及新的儀器結構不斷涌現，在許多方面已經沖破了傳統儀器的概念。

作為虛擬儀器核心的軟件系統具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性，能為用戶帶來極大的利益，因此，具有傳統的智能儀器所無法比擬的應用前景和市場。

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虛擬儀器應用

目前虛擬儀器已得到了廣泛應用，并成為當前國內外測試技術領域十分關注的技術熱點。

制造業的升級轉型，不僅為設計和測試測量技術帶來了新一輪的革新與挑戰，更使如何高效優質地解決智能制造核心技術互聯互通的測試問題，顯得非常迫切和必要。在電子信息產業升級換代的過程中，測試測量行業的發展充當著重要角色。

隨著計算機技術在測繪系統的廣泛應用，傳統的儀器設備缺乏相應的計算機接口，因而配合數據采集及數據處理十分困難。而且，傳統儀器體積相對龐大，多種數據測量時常感到捉襟見肘，手足無措。我們常見到硬件工程師的工作臺上堆砌著紛亂的儀器，交錯的線纜和繁多待測器件。然而在集成的虛擬測量系統中，我們見到的是整潔的桌面，條理的操作，不但使測量人員從繁復的儀器堆中解放出來，而且還可實現自動測量、自動記錄、自動數據處理。其方便之極固不必多言，而設備成本的大幅降低卻不可不提。一套完整的實驗測量設備少則幾萬元，多則幾十萬元。在同等的性能條件下，相應的虛擬儀器價格要低二分之一甚至更多。虛擬儀器強大的功能和價格優勢，使得它在儀器計量領域具有很強的生命力和十分廣闊的前景。

在專用測量系統方面，虛擬儀器的發展空間更為廣闊。環顧當今社會，信息技術的迅猛發展，各行各業無不轉向智能化、自動化、集成化。無所不在的計算機應用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎。

虛擬儀器的概念就是用專用的軟硬件配合計算機實現專有設備的功能，并使其自動化、智能化。因此，虛擬儀器適合于一切需要計算機輔助進行數據存儲、數據處理、數據傳輸的計量場合。測量與處理、結果與分析相脫節的面貌將大為改觀。數據的拾取、存儲、處理、分析一條龍操作，既有條不紊又迅捷快速。推而廣之，一切計量系統，只要技術上可行，都可用虛擬儀器代替，由此可見虛擬儀器應用空間是多么的寬廣。

在自動控制和工業控制領域，虛擬儀器同樣應用廣泛。決大部分閉環控制系統要求精確的采樣，及時的數據處理和快速的數據傳輸。虛擬儀器系統恰恰符合上述特點，十分適合測控一體化的設計。尤其在制造業，虛擬儀器的卓越計算能力和巨大數據吞吐能力必將使其在溫控系統、在線監測系統、電力儀表系統、流程控制系統等工控領域發揮更大的作用。

虛擬儀器應用領域：

虛擬儀器技術的四大優勢

虛擬儀器技術的優勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統，且功能靈活，很容易構建，所以應用面極為廣泛。尤其在科研、開發、測量、檢測、計量、測控等領域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強大，可實現示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統的參數，如汽車發動機參數、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數等多種數據;它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統設備的使用習慣，用戶不經培訓既可迅速掌握操作規程；它集成方便，不但可以和高速數據采集設備構成自動測量系統，而且可以和控制設備構成自動控制系統。

1．性能高

虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全“繼承”了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，當前正蓬勃發展的一些新興技術（如多核、PCI Express等）也成為推動虛擬儀器技術發展的新動力，使其展現出更強大的優勢。

2．擴展性強

得益于軟件的靈活性，只需更新的計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少、甚至無需軟件上的升級即可改進整個現有系統。在利用最新科技的時候，可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。

3．開發時間少

在驅動和應用兩個層面上，高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。此外還提供了高靈活性和強大的功能，可以輕松地配置、創建、發布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

4．出色的集成

虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設備集成到一個系統之中，減少了任務的復雜性。

特別是在進入二十一世紀以后，以PCI總線方式、并行口式、GPIB總線方式、VXI總線方式和PXI總線方式這五種虛擬儀器技術的發展與成熟，對人類在其他科學領域的研究和工業實踐起到了積極的促進作用，并徹底改寫了世界儀器儀表產業的發展格局。

虛擬儀器成為未來核心儀器

虛擬儀器基于PC技術的特點，使其在工業智能化進程中具有了先天性優勢。在未來，隨著虛擬儀器技術水平的提升、產品品種的豐富和功能的不斷延伸，虛擬儀器將在全球科技發展進程中起到更加重要的促進作用，產生深遠的歷史影響。

虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年由NI公司首先問世以來，獲得了科學界的迅速認可。因為基于PC技術，虛擬儀器系統與現實世界的信號能夠取得高度聯合，可以多角度分析數據以獲取實用信息，幫助用戶提升工作效率，減少產品研發周期。

相比較于傳統儀器，虛擬儀器最大的特點是除了數據采集和顯示部分的硬件系統之外，以基于計算機的軟件分析系統為主導。它的不同功能模塊可以讓用戶自由地對儀器進行定義，并且可以組合成為多種不同儀器，這讓它在具體使用中具有了突破性的功能。因為基于計算機技術，虛擬儀器具有數據共享、使用靈活、攜帶方便、擴展性強和無縫集成的特點，使用范圍日益廣泛，已經成為國際自動化測試領域的新一代領跑產品。

在實際應用過程中，虛擬儀器具有更加強大的靈活性。它的模塊化設置和系統，讓用戶在使用時只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的軟件升級即可改進整個系統。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。同時，因為其生產成本因素，相比較于大型固定儀器，能夠幫助用戶有效地降低生產成本，并形成全新的測量和控制解決方案。

因為工業儀器設備使用的物理環境更加復雜多變，受地形、溫度、濕度等客觀因素影響較大，因此，在一些大型儀器設備不能到達或者適應的工業生產現場，虛擬儀器的小型化、便攜性和模塊化優勢便得到了更充分的體現，可以幫助用戶實現在情況復雜的生產作業第一線進行工作。此外，由于傳輸的高速型，虛擬儀器能夠讓整個分析測試時間變得更短，減少科研人員的作業時間，提高效率。

但與傳統儀器比較，虛擬儀器需要正視和面對的一大挑戰，就是其自身的穩定性問題。因為自身的屬性原因，在實際工作中，由于虛擬儀器相對開放的操作環境，用戶如果由于人為或者非人為因素造成標定數據丟失或者程序改變，都有可能造成檢測結果的失準。從這一點上來說，與傳統儀器相比，虛擬儀器基于計算機開放網絡的特性成為一把雙刃劍，優勢與劣勢并存。如何更好地解決這個問題，提高虛擬儀器檢測結果的準確性和穩定性，是擺在全球業者面前的主要問題。

虛擬儀器技術從提出至今，剛剛經過三十年的發展歷程，與歷史悠久的傳統儀器相比，無論是在技術理論、產業特點、應用示范等階段，都需要更多的時間去完善和發展。但虛擬儀器基于PC技術的特點，使其在工業智能化進程中具有了先天性優勢。

小結：未來，隨著虛擬儀器技術水平的提升、產品品種的豐富和功能的不斷延伸，虛擬儀器將在全球科技發展進程中起到更加重要的促進作用，產生深遠的歷史影響。

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