虛擬儀器的分類及與傳統(tǒng)儀器的比較
發(fā)布日期：2014年8月20日 瀏覽次數(shù)：
一，何為虛擬儀器？
虛擬儀器（Virtual Instruments簡稱VI）技術(shù)發(fā)展非常迅速，所有測量測試儀器的主要功能可由①數(shù)據(jù)采集②數(shù)據(jù)測試和分析③結(jié)果輸出顯示等三大部分組成，其中數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出完全可由基于計算機的軟件系統(tǒng)來完成，因此只要另外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可構(gòu)成基于計算機組成的測量測試儀器�；谟嬎銠C的數(shù)字化測量測試儀器就稱之為虛擬儀器（VI）。
注意：這里所指的虛擬儀器和EDA仿真軟件中的虛擬儀器概念完全不同，它可以完全替代傳統(tǒng)臺式測量測試儀器。而EDA仿真軟件中的虛擬儀器是純軟件的、仿真的。
虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件就可以實現(xiàn)功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器，因此可以說“軟件即儀器”
二，虛擬儀器儀器的分類:
虛擬儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：
虛擬儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：
第一類：PC總線——插卡型虛擬儀器
這種方式借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結(jié)合（注：美國NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自已組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C++,
Visual Basic, Labviews/cvi構(gòu)成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內(nèi)無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較
第二類：并行口式虛擬儀器
最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計算機上，通常可以完成各種測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國LINK公司的 DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實驗室應(yīng)用。
第三類：GBIB總線方式的虛擬儀器
GPIB技術(shù)是 IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊 GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺儀器，電纜長度可達(dá)40米。GPIB 技術(shù)可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要應(yīng)用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應(yīng)用。
第四類：VXI總線方式虛擬儀器
VXI 總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過十多年的發(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)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。
第五類：PXI總線方式虛擬儀器
PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)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)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3~4個擴展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。
三，關(guān)于虛擬儀器的發(fā)展過程，有兩條線：
1、GPIB→VSI→PXI總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）
GPIB 于1978年問世，VXI于1987年問世，PXI于1997年問世。
2、PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景）
PC插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口USB方式于1999年問世。
綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素。①計算機是載體,②軟件是核心③高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。
無論哪種VI系統(tǒng)，都是將硬件儀器（調(diào)理放大器、A/D卡）搭載到筆記本電腦、臺式PC 或工作站等各種計算機平臺上，加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的，實現(xiàn)了用計算機的全數(shù)字化的采集測試分析。因此VI發(fā)展完全跟計算機的發(fā)展步伐同步。所以顯示出VI的靈活性和強大的生命力。虛擬儀器的崛起是測試儀器技術(shù)的一次 “革命”，是儀器領(lǐng)域的一個新的里程碑。未來的VI完全可以覆蓋計算機輔助測試（CAT）的全部領(lǐng)域。幾乎能替代所的模擬測試設(shè)備。它的重要意義和在于尚是一塊處女地，有待我們?nèi)ラ_拓，它有許多求知部分有待大家去填補。虛擬儀目的前景十分光明�；谟嬎銠C的全數(shù)字測量分析是采集測試分析的未來。
但是這里值得指出的是“VIRTUAL”一詞可以翻譯成①“虛擬的”②“虛像的”③“實質(zhì)上的”④“有效的”等幾種意思。當(dāng)前我們研制的虛擬儀器應(yīng)該著重于功能上“實質(zhì)的”“有效的”儀器，不要片面地追求“虛像的”，單純地追求外形上的相似而花大力氣去模似老式儀器外形。這是一個誤區(qū)。我們應(yīng)該在這里大力提倡追求儀器的功能和測試的精度及可靠性，達(dá)到一種真正高級儀器的測試效果，而不要誤入歧途，去追求外形上的相似，浪費大量的人力物力。
虛似儀器的發(fā)展是信息技術(shù)的一個主要領(lǐng)域。對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)不可估量的影響�？蓮V泛應(yīng)用于電子測量、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。
PC插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口USB方式于1999年問世。
綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素。①計算機是載體,②軟件是核心③高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。
無論哪種VI系統(tǒng)，都是將硬件儀器（調(diào)理放大器、A/D卡）搭載到筆記本電腦、臺式PC 或工作站等各種計算機平臺上，加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的，實現(xiàn)了用計算機的全數(shù)字化的采集測試分析。因此VI發(fā)展完全跟計算機的發(fā)展步伐同步。所以顯示出VI的靈活性和強大的生命力。虛擬儀器的崛起是測試儀器技術(shù)的一次 “革命”，是儀器領(lǐng)域的一個新的里程碑。未來的VI完全可以覆蓋計算機輔助測試（CAT）的全部領(lǐng)域。幾乎能替代所的模擬測試設(shè)備。它的重要意義和在于尚是一塊處女地，有待我們?nèi)ラ_拓，它有許多求知部分有待大家去填補。虛擬儀目的前景十分光明�；谟嬎銠C的全數(shù)字測量分析是采集測試分析的未來。
但是這里值得指出的是“VIRTUAL”一詞可以翻譯成①“虛擬的”②“虛像的”③“實質(zhì)上的”④“有效的”等幾種意思。當(dāng)前我們研制的虛擬儀器應(yīng)該著重于功能上“實質(zhì)的”“有效的”儀器，不要片面地追求“虛像的”，單純地追求外形上的相似而花大力氣去模似老式儀器外形。這是一個誤區(qū)。我們應(yīng)該在這里大力提倡追求儀器的功能和測試的精度及可靠性，達(dá)到一種真正高級儀器的測試效果，而不要誤入歧途，去追求外形上的相似，浪費大量的人力物力。
虛似儀器的發(fā)展是信息技術(shù)的一個主要領(lǐng)域。對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)不可估量的影響�？蓮V泛應(yīng)用于電子測量、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。
四，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較
所謂虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器，邏輯分析儀，信號發(fā)生器，頻譜分析儀等；可集成于自動控制，工業(yè)控制系統(tǒng)；可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。它由計算機，應(yīng)用軟件和儀器硬件組成。無論哪種虛擬儀器系統(tǒng)，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(yīng)用軟件而構(gòu)成的。
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(jié)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(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測量儀器經(jīng)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（每半年提高一倍）飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋到后面，并給虛擬儀器生產(chǎn)廠家不斷帶來較高的技術(shù)更新速率。
虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測量、檢測、計量、測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)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(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機參數(shù)、汽油標(biāo)號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)既可迅速掌握操作規(guī)程；它集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動測量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。
在儀器計量系統(tǒng)方面，示波器、頻譜儀、信號發(fā)生器、邏輯分析儀、電壓電流表是科研機關(guān)、企業(yè)研發(fā)實驗室、大專院所的必備測量設(shè)備。隨著計算機技術(shù)在測繪系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的儀器設(shè)備缺乏相應(yīng)的計算機接口，因而配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理十分困難。而且，傳統(tǒng)儀器體積相對龐大，多種數(shù)據(jù)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(tǒng)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(fù)的儀器堆中解放出來，而且還可實現(xiàn)自動測量、自動記錄、自動數(shù)據(jù)處理。其方便之極固不必多言，而設(shè)備成本的大幅降低卻不可不提。一套完整的實驗測量設(shè)備少則幾萬元，多則幾十萬元。在同等的性能條件下，相應(yīng)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(yōu)勢，使得它在儀器計量領(lǐng)域具有很強的生命力和十分廣闊的前景。
在專用測量系統(tǒng)方面，虛擬儀器的發(fā)展空間更為廣闊。環(huán)顧當(dāng)今社會，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)無不轉(zhuǎn)向智能化、自動化、集成化。無所不在的計算機應(yīng)用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎(chǔ)。虛擬儀器的概念就是用專用的軟硬件配合計算機實現(xiàn)專有設(shè)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(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠嬃繄龊�。測量與處理、結(jié)果與分析相脫節(jié)的面貌將大為改觀。數(shù)據(jù)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(tǒng)，只要技術(shù)上可行，都可用虛擬儀器代替，由此可見虛擬儀器應(yīng)用空間是多么的寬廣。
在自動控制和工業(yè)控制領(lǐng)域，虛擬儀器同樣應(yīng)用廣泛。決大部分閉環(huán)控制系統(tǒng)要求精確的采樣，及時的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸。虛擬儀器系統(tǒng)恰恰符合上述特點，十分適合測控一體化的設(shè)計。尤其在制造業(yè)，虛擬儀器的卓越計算能力和巨大數(shù)據(jù)吞吐能力必將使其在溫控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、電力儀表系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)等工控領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
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(jié)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(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測量儀器經(jīng)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（每半年提高一倍）飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋到后面，并給虛擬儀器生產(chǎn)廠家不斷帶來較高的技術(shù)更新速率。
虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測量、檢測、計量、測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)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(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機參數(shù)、汽油標(biāo)號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)既可迅速掌握操作規(guī)程；它集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動測量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。
在儀器計量系統(tǒng)方面，示波器、頻譜儀、信號發(fā)生器、邏輯分析儀、電壓電流表是科研機關(guān)、企業(yè)研發(fā)實驗室、大專院所的必備測量設(shè)備。隨著計算機技術(shù)在測繪系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的儀器設(shè)備缺乏相應(yīng)的計算機接口，因而配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理十分困難。而且，傳統(tǒng)儀器體積相對龐大，多種數(shù)據(jù)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(tǒng)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(fù)的儀器堆中解放出來，而且還可實現(xiàn)自動測量、自動記錄、自動數(shù)據(jù)處理。其方便之極固不必多言，而設(shè)備成本的大幅降低卻不可不提。一套完整的實驗測量設(shè)備少則幾萬元，多則幾十萬元。在同等的性能條件下，相應(yīng)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(yōu)勢，使得它在儀器計量領(lǐng)域具有很強的生命力和十分廣闊的前景。
在專用測量系統(tǒng)方面，虛擬儀器的發(fā)展空間更為廣闊。環(huán)顧當(dāng)今社會，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)無不轉(zhuǎn)向智能化、自動化、集成化。無所不在的計算機應(yīng)用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎(chǔ)。虛擬儀器的概念就是用專用的軟硬件配合計算機實現(xiàn)專有設(shè)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(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠嬃繄龊�。測量與處理、結(jié)果與分析相脫節(jié)的面貌將大為改觀。數(shù)據(jù)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(tǒng)，只要技術(shù)上可行，都可用虛擬儀器代替，由此可見虛擬儀器應(yīng)用空間是多么的寬廣。
在自動控制和工業(yè)控制領(lǐng)域，虛擬儀器同樣應(yīng)用廣泛。決大部分閉環(huán)控制系統(tǒng)要求精確的采樣，及時的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸。虛擬儀器系統(tǒng)恰恰符合上述特點，十分適合測控一體化的設(shè)計。尤其在制造業(yè)，虛擬儀器的卓越計算能力和巨大數(shù)據(jù)吞吐能力必將使其在溫控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、電力儀表系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)等工控領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
