虚拟仪器技术概述

虚拟仪器

第２０卷第３期２００７年５月

机电产品开发与创新

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓ

Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．３ 产品与市场Ｍａｙ．，２００７

虚拟仪器技术概述

陈思，黄亚宇

（昆明理工大学，昆明云南６５００９３）

摘要：虚拟仪器是一种新型的测试仪器，主要依靠软件来实现各种测试功能。本文对虚拟仪器的构成和

特点等方面做了介绍，讨论了虚拟仪器的发展趋势。

关键词：虚拟仪器；构成和特点；发展趋势中图分类号：ＴＰ３９１．９

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－６６７３（２００７）０３－０５１－０３

０引言

随着现代科学技术的飞速发展，高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。在这种情况下，１９８６年美国国家仪器公司（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，简称ＮＩ）研发推出了图形化编程环境的开发平台—Ｌａｂｖｉｅｗ软件，并首先提出了虚拟仪器（ＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，简称ＶＩ）的概念

［１］

电路、数据采集卡（ＤａｔａＡｃａｕｉｓｉｔｉｏｎ，简称ＤＡＱ）及ＰＣ机为仪器硬件平台，采用ＰＣＩ或ＩＳＡ计算机本身的总线，将ＤＡＱ直接插入ＰＣ机的相应标准的总线扩展插槽即可，因此这种虚拟仪器又称ＰＣ－ＤＡＱ／ＰＣＩ插卡式虚拟仪器。

（２）基于通用接口总线ＧＰＩＢ（ＧｅｎｅｒａｌＰｕｒｐｏｓｅＩｎ－

ｔｅｒｆａｃｅＢｕｓ）接口的虚拟仪器，它是以ＧＰＩＢ接口仪器、ＧＰＩＢ接口卡及ＰＣ机为仪器硬件平台，ＧＰＩＢ仪器具有

独立的仪器操作界面，可以脱离计算机使用，也可以通过标准ＧＰＩＢ电缆连接计算机实施程序控制。

（３）基于串行口仪器的虚拟仪器，它是由Ｓｅｒｉａｌ标准总线仪器及ＰＣ机为仪器硬件平台，符合ＲＳ－２３２／

。作为一种以计算机软件为核心的新型仪器系

统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自动测试系统的同义语

［２］

。

１虚拟仪器的构成

任何测量测试仪器的主要功能都是由三大部分组成：①数据采集；②数据测试和分析；③结果输出显示。而虚拟仪器也是由这三大部分组成，不同的是虚拟仪器的数据分析和结果输出完全由计算机的软件系统来完成。因此，只要提供一定的数据采集硬件，就构成了基于计算机组成的虚拟测量测试仪器

［３］

ＲＳ４２２标准的ＰＬＣ和单片机系统。

（４）基于ＶＸＩ仪器的虚拟仪器，它是以ＶＸＩ（ＶＭＥ－

ｂｕｓＥｘｔｅｎｓｉｏｎｆｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）标准总线仪器模块及ＰＣ机为仪器硬件平台，由主机箱、控制器和仪器模块

构成。其中，控制其安装在零号槽中，称为零槽控制器。ＶＸＩ控制器包括嵌入式ＰＣ控制、嵌入式工作站控制器和外置工作站控制器，可根据测试功能的不同要求来选用。

（５）基于ＰＸＩ仪器的虚拟仪器，它是以ＰＸＩ（ＰＣＩＥｘ－

。虚拟仪器通常

［４］

是有计算机、硬件接口电路和软件这三部分构成。

１．１虚拟仪器的硬件构成

硬件接口电路与计算机仪器构成了虚拟仪器的硬件。计算机是虚拟仪器的核心，主要完成数据处理和结果的显示，硬件接口电路主要完成被测输入信号的采集、放大、模／数传换，根据构成虚拟仪器的接口总线不同，主要可分为如下集中构成方案，如图１所示。

（１）基于数据采集卡的虚拟仪器，它是以信号调理

收稿日期：２００７－０３－２８

作者简介：陈思（１９８１－），辽宁沈阳人，硕士研究生。

ｔｅｎｓｉｏｎｆｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）标准总线仪器模块及ＰＣ机为

硬件平台，ＯＸＩ总线方式是在ＰＣＩ总线内核技术上增加多板同步触发总线和参考时钟规范和要求形成。标准的

ＰＸＩ模块化仪器系统有８个插槽，还可以ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ交

互操作，可与ＧＰＩＢ或ＶＸＩ集成，组成大规模、多用途系统。

（６）基于现场总线设备的虚拟仪器，它是以Ｆｉｅｌｄ－

ｂｕｓ标准总线仪器及ＰＣ机为仪器硬件平台。

上述的几种方案中，ＧＰＩＢ、ＶＸＩ、ＰＸＩ方案主要适合构成大型高精度集成测试系统；ＰＣＩ－ＤＡＱ／ＰＣＩ、串行口方案主要适合构成大规模的网络测试系统，如测试任

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虚拟仪器

产品与市场

信号调理数据采集卡

的术语和图形化符号来代替传统的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大减轻系统开发人员的负担，使

计

算机

被测对象

ＧＰＩＢ接口仪器ＧＰＩＢ接口卡

其将主要精力投到系统设计中，而不再是具体软件细节的推敲上。

串行口仪器／ＰＬＣ

ＶＸＩ仪器ＰＸＩ仪器

现场总线设备

２虚拟仪器的特点

虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的富有生命力的仪器种类。其主要特点可以概括为以下几个方面：

（１）强调“软件就是仪器”的新概念，取代传统仪器“硬件为主体”的概念。软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机来实现的角色，软件时虚拟仪器的核心，而虚拟仪器中的硬件仅是为了解决信号的输入输出，这是虚拟仪器与传统仪器相比，在概念上的重大突破。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于软件，用户可根据需要，将先进的处理算法、人工智能和专家系统应用于仪器的设计与集成，从而将仪器的水平提高到一个新的层次

［６］

图１虚拟仪器的硬件构成框图

务需要，也可将上述集中方案结合构成混合测试系统。

１．２虚拟仪器的软件构成

虚拟仪器最核心的技术是软件，通过修改程序可实现功能完全不同的各种测量测试仪器，以满足各种不同的需求。软件可以定义为各种仪器，可以说“软件即仪器”。使原来需要硬件实现的功能软件化，以便最大限度的降低系统成本，增强系统功能与灵活性。由于计算机很容易与网络、外围设备，以及其他应用连接，对于数据采集、系统控制、远程传送都非常方便。我们只要利用数据采集卡，就可在计算机上构造新的仪器系统，

应用程序仪器驱动程序

。并且虚拟仪器充分利用计算机丰富的图

由软件进行编程实现不同的功能。虚拟仪器系统的软件从底层到顶层可分为三个层次，即ＶＩＳＡ库、

形用户界面资源，建立图形化软件面板来代替常规的仪器控制面板，真正做到界面友好，人机交互。

（２）虚拟仪器的功能可由用户定义。虚拟的功能可在用户级上产生，从而使得仪器不再完全由硬件决定，彻底打破了传统仪器一经设计、制造完成后，其功能不可改变的封闭性、单一性。当需要时用户可通过软件编程加入新的功能，而不必购买新的仪器，使得一台虚拟仪器可实现各种仪器的不同功能，大大提高了仪器功能的灵活性。

（３）易于构建网络化的测量仪器。虚拟仪器基于计算机网络技术和接口技术，具有方便、灵活的互连性（Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ），可与网络及其它周边设备互联。随着网罗技术的发展，已经形成网络虚拟仪器，它是一种新型的基于Ｗｅｂ技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器成为Ｉｎｔｅｒ－

ＶＩＳＡ库

图２虚拟仪器的软件构成框图仪器驱动程序、应用程序。

虚拟仪器的软件构成如图２所示。

（１）ＶＩＳＡ（ＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｏｆｔｗａｒｅＡｒｃｈｉｔｅｃ－

ｔｕｒｅ）库，ＶＩＳＡ库实质是标准的Ｉ／Ｏ函数库及其相关规

范的总称，它存在于仪器（即Ｉ／Ｏ接口设备）与仪器驱动程序之间，是一个为仪器与仪器驱动提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。

（２）仪器驱动程序，对于数据的采集与控制，由于涉及到硬件操作，需要相应的硬件驱动程序。驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是连接应用程序和ＶＩＳＡ库的桥梁，每一个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂家以源码的形式提供给用户，用户在应用程序中可方便地调用其仪器驱动程序，而不必自己设计。

（３）应用软件，它是建立在仪器驱动程序之上，由用户编写，通过提供直接友好的测控操作界面，丰富的数据分析与处理功能来完成自动测控任务。目前，虚拟仪器的应用软件开发环境主要有两种：一种是基于传统的文本语言式的软件开发环境，主要有Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／

ｎｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ的一部分，可方便地构建远程自动测试系

统，实现测量、控制过程的网络化。

（４）虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，并采用模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。系统必需的基本硬件，如数据采集电路等被高度集成，制成硬件插卡，实现硬件模块的即插即用（Ｐｌｕｇ

＆Ｐｌａｙ）。系统软件的开发是基于模块化的设计思想，并

大量运用动态链接库、类库和函数库，代码具有良好的可重复性。虚拟仪器利用软件，选配一个或几个带共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统，由于虚拟仪器具有开放性、标准型和模块化结构，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，提高可

ＣＶＩ、ＶｉｓｕａｌＣ＋＋、ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ、Ｄｅｌｐｈｉ等；另一种是基

于图形化语言的软件开发环境，

主要有Ｌａｂｖｉｅｗ、

ＨＰＶＥＥ等。其中如杏花软件是用工程技术人员所熟悉

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虚拟仪器

产品与市场

重复利用率。系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，软／硬件生产、维护和开发的费用降低。

独立基本的硬件模块实现传统仪器的三大功能，以网线相连接，这不是简单的组合，测试网络的功能将远远大于系统中各独立个体的功能总和。

３虚拟仪器的发展趋势

虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。计算机是载体，软件是核心，高质量的Ａ／Ｄ采集卡及调理放大器是关键

［７］

４结束语

虚拟仪器的崛起是测试仪器技术的一个新的里程碑，它在现代测控系统中更灵活、更紧凑、更经济、功能更强大。无论是测量、测试、计量或是工业过程控制和分析处理，还是涉及其它更为广泛的测控领域，选用虚拟仪器都是理想的解决方案的主流。参考文献：

［１］Ｈ．Ｇｏｌｄｂｅｒｇ．Ｗｈａｔｉｓｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．ＩＥＥＥＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ＆ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＭａｇａｚｉｎｅ，２０００，４．

［２］基于Ｌａｂｖｉｅｗ的虚拟仪器ＶＩ及应用［Ｊ］．潍坊学院学报，２００５，３．［３］杨可曼．关于虚拟仪器应用前景［Ｊ］．高等函授学报（自然科学版），２００４，６．

［４］瞿錾，邓居祁，盛旺．虚拟仪器的初探［Ｊ］．长沙大学学报，２００６，３．［５］刘君华．虚拟仪器图形化编程语言Ｌａｂｖｉｅｗ教程［Ｍ］．西安：西安电

子科技大学出版社，２００３．

［８］

。

计算机硬件和软件的渗入给传统测试技术带来了新的革命，在计算机、微电子、传感器、通信和网络等技术不断进步的有力支撑和多领域科研需求的激励下，明显地表现出与高新技术深度融合，尤其是网络技术开始应用到测试技术中，成为测试技术满足实际需求的关键支撑，网络化必然是测试系统发展的大势所趋。网络本身具有很强的灵活性，其最重要的一个基本特征就是实现信息资源的共享

［６］

。随着计算机技术、电

子技术等相关技术的发展，虚拟仪器将会成为测试仪器

。网络化虚拟仪器的特征是将虚拟

仪器、昂贵的外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务，使用网络化虚拟仪器，人们从任何地点、在任意时刻获取到测量信息（或数据）的愿望成为现实，网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警。与传统的仪器、测量、测试相比，这将是一个质的飞跃，与以ＰＣ机为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器发展产生一次革命。网络化虚拟仪器实现的三大功能：数据获取、数据分析及图形化显示分开处理，分别使用

［６］瞿曌．基于虚拟仪器的输水管路泄漏检测系统［Ｊ］．电气自动化，２００５，１．［７］刘保华，黄考利．虚拟仪器的软件实现方法［Ｊ］．自动化博览，２００２，１．［８］崔惠柳．虚拟仪器技术及其新进展［Ｊ］．广西科学院学报，２００５，１．

ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｍｍａｒｙｏｆＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ

ＣＨＥＮＳｉ，ＨＵＡＮＧＹａ－Ｙｕ

（ＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＫｕｎｍｉｎｇＹｕｎｎａｎ６５００９３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓａｋｉｎｄｏｆｎｅｗｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ａｎｄｅａｃｈｋｉｎｄｏｆｔｅｓｔｆｕｎｃｔｉｏｎｍａｉｎｌｙｒｅａｌｉｚｅｓｂｙｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｃｏｍ－ｐｏｓｉｎｇａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

（上接第５０页）

４结论

随着计算机辅助技术的发展，产品的设计趋向于精确化，设计成本降低、设计效率提高、产品的研发周期缩短，这些都对提高企业快速优质响应市场的能力有重要意义。随着软件功能的增强，设计者的工作变得优质、高效，也显得更加地游刃有余。表面上看，设计工作变得简单了，而事实上，这样的设计过程对设计者的

素质提出了更高的要求。与用尺规等作图工具加上几本手册即可进行工作的传统的设计过程相比，运用计算机辅助设计具有更高的技术含量。参考文献：

［１］黄阳，等．ＺＢ混凝土草芯砌块成型设备的设计［Ｊ］．机械工程师，２００６，９．［２］陈定方，等．虚拟设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．［３］曹岩，等．Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ精通篇［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５．

ＤｅｓｉｇｎｏｆａＨａｎｄｃａｒｔｆｏｒＺＢ－１ＣｏｎｃｒｅｔｅＢｒｉｃｋｗｏｒｋｓ

ＨＵＡＮＹａｎｇ，ＷＡＮＧＪｉａｎ－Ｙｅ，ＭＩＮＧＺｈｏｎｇ－Ｆｅｎｇ

（ＴｈｅＦｉｒｓｔＡｅｒｏｎａｕｔｉｃＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｉｒＦｏｒｃｅ，ＸｉｎｙａｎｇＨｅｎａｎ４６４０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｃｏｕｒｓｅｏｆａｈａｎｄｃａｒｔｆｏｒＺＢ－１ｃｏｎｃｒｅｔｅＢｒｉｃｋｗｏｒｋｓｂｙｕｓｉｎｇＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓｂａｓｅｄｏｎｕｓｅｒｓ’ｎｅｅｄ，ｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｈｅｇｒａｐｈｉｃｍｏｄｅｌ．ａｎｄｕｓｅｄＣＯＳＭＯＳｗｏｒｋｓｔｏｄｏａｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｋｅｙｐａｒｔｏｆｔｈｅｈａｎｄｃａｒｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｂｒｉｃｋｗｏｒｋ；ＣｌａｙＢｒｉｃｋ；Ｃｏｎｖｅｙｐｕｓｈｃａｒｔ；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ

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