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摘要：虛擬儀器技術是電子測量技術和計算機測控相結合的前沿技術，是當前的研究熱點之一。本文重點闡述了虛擬儀器的基本原理、主要結構、性能特點和主要分類，比較分析了虛擬儀器與傳統儀器性能特點上的異同，對虛擬儀器技術的應用及發展趨勢做出了簡要介紹與分析。 關鍵字：虛擬儀器；軟件化； 軟硬件設計; 應用前景 1.虛擬儀器簡介 虛擬儀器(簡稱VI) 的概念最早是由美國國家儀器公司(簡稱NI) 于1986 年提出來的，這是對傳統儀器概念上的重大突破。其基本原理是以計算機為硬件平臺，使原來需要硬件實現的各種儀器功能盡可能地軟件化，利用高效靈活的軟件控制高性能的硬件來完成各種測試、測量和自動化的應用，以便最大限度地降低系統成本，增強系統功能與靈活性，達到了 “軟件就是儀器”的目的。 2.虛擬儀器的特點 跟傳統儀器一樣，虛擬儀器也包括信號的采集與控制、信號的分析和處理、處理結果的表達和顯示三大基本功能。在傳統儀器中，這三大功能的實現都是應用硬件來實現的，而硬件都是廠家生產，用戶無法任意更改。因此，對傳統儀器來說，其功能在出廠時就已經固定了。然而，虛擬儀器技術可以讓用戶體驗到完全自定義的測量和自動化系統功能的靈活性，構建起滿足特定需求的系統。 與傳統儀器相比，虛擬儀器技術具有以下特點：功能強、性價比高、開放性好、虛擬儀器豐富和增強了傳統儀器的功能，用戶可以根據測量需要添加外部設備，實現相應的測量功能，也可以自定義便于構成復雜的測試系統，可實現“網絡化虛擬儀器"。并且，虛擬儀器操作方便，通過圖形用戶界面實現人機交互，大大地提高工作效率。 2.1 虛擬儀器的基本結構 虛擬儀器由硬件設備與接口，設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。 2.1.1 虛擬儀器系統的硬件構成: 虛擬儀器的硬件系統一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網絡、總線標準等方面的發展促進了虛擬儀器系統的快速發展。按照測控功能硬件的不同虛擬儀器主要可分為PC總線、串口總線、GPIB、VXI和PXI 5種標準體系結構.它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數轉換，具體分類為： 1PC總線型：借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的虛擬儀器軟件相結合，它可以通過各種控件組建各種儀器。 2GPIB總線型是IEEE-488標準的虛擬儀器早期的發展階段.它的出現使電子測量獨立的單臺手工操作向大規模自動測試系統發展. GPIB技術可用計算機實現對儀器的操作和控制,替代傳統的人工操作方式,可以很方便地把多臺儀器組合起來形成自動測量系統. 3串口總線型是可連接到計算機串行口的測試裝置。它們把儀器硬件集成在一個采集盒內，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,可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀等儀器. 4VXI總線型是一種高速計算機總線VME總線在虛擬儀器領域的擴展，它具有穩定的電源、強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽. 5PXI總線型是PCI總線內核技術增加了成熟的技術規范和要求。以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI具有的高度可擴展性,與PCI總線面向儀器領域的擴展優勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。 2.1.2虛擬儀器系統的軟件構成 虛擬儀器的軟件系統是虛擬儀器的核心。用戶可以根據不同的測試任務，編制不同的測試軟件，實現復雜的測試任務。在虛擬儀器系統中用靈活強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件，特別是系統中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特性的分析，由計算機的軟硬件資源來完成傳統儀器的功能。虛擬儀器系統的軟件包括應用軟件、儀器驅動軟件和通用I/O接口軟件3部分。應用軟件根據其功能又分為儀器面板控制軟件和數據分析處理軟件。 3.虛擬儀器系統的設計過程 虛擬儀器系統的設計過程主要包括測試需求分析、系統總體方案設計、系統硬件設計、系統軟件設計、系統集成 及系統調試等。 4.虛擬儀器技術的應用 虛擬儀器的發展是信息技術的一個主要領域。對科學技術的發展和國防、工業、農業的生產有著不可估量的影響。可廣泛應用于電子測量、振動分析、聲學分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機械工程、建筑工程、地質勘探、生物醫療、教學及科研等諸多方面。 4.1機械工程測試技術中虛擬儀器的應用 在機械工程領域的日常工作中，常常要對機械 傳動的性能、參數進行測試與分析。傳統的測試一般要借助體積龐大、價格昂貴、功能相對簡單的儀器完成，加之傳統工程測試系統不能兼容和共享相關的軟硬件資源，加大了測試成本，降低了測試數據的準確性。隨著計算機技術、微電子和信息技術的發展，借助計算機可使傳統儀器的功能更強大，不僅能改善傳統儀器的性能，也可提升儀器系統與計算機的集成度。 軟件部分主要是運用計算機將傳統測試儀器的檢測功能軟件化，也就是將測試功能實施軟件化設計。硬件部分是依據具體的測試要求把所用到的模塊化硬件接口卡插入計算機總線槽中，再借助傳感器和測量電路把測試對象與模塊接口卡進行連接。這樣一套完善的虛擬儀器測試系統方可形成。為充分展現虛擬儀器技術的優勢，可以采用集成測試手段把多種傳統儀器測試功能、面板控件等集成于同一軟件平臺上，使一臺計算機成為多功能的工程檢測儀器。由于部分硬加工轉變為軟加工，大大減少了資源、能源消耗，具有綠色環保的優點。 4.2分析儀器虛擬仿真教學平臺建設 建立分析儀器的虛擬實驗平臺，使用者可以在理論知識的基礎上，可以按照自己的想法在虛擬實驗室平臺上動手操作，而無需擔心由于操作失誤造成的儀器設備的損壞，或者由于操作 失誤造成的安全事故。分析儀器虛擬實驗室平臺的建立，有利于培養和提高使用者的實踐操作能力，分析判斷能力、設計創作能力和創新意識。 將虛擬仿真所需要的相關資料，分析儀器標準操作示范圖片，分析儀器實驗室設備圖片，動畫素材，專家微課視頻，等所有相關教學資源均上傳到虛擬實驗平臺上，此平臺對公眾開放，使用者可以隨時以自己的ＩＤ身份登錄虛擬平臺，在虛擬平臺上進行操作演練，虛擬平臺會使用者的操作演練進行評判打分，使用者可以實時的指導自己操作過程中的錯誤，并及時糾正。另外，通過互聯網，使用者和專家可以通過此虛擬平臺進行跨越時空的交流，方便涉及分析儀器不同行業的人士相互傳授經驗，解決問題。 4.3虛擬儀器在智能機器人實踐課程中的應用 虛擬儀器的應用將復雜的電路、傳感器等的設置問題轉換成只需要懂得基本的算法設計思想和編程技能就可以操作機器人的問題，有效地降低了課程的入門門檻，增加了學生的學習信心。利用LabVIEW 平臺將對各種儀器進行調試和運行獲取數據的過程轉變為各種控制單元，包括運動控制單元、傳感器控制單元、語音控制單元以及視頻控制單元等參數輸入和結果獲取的過程；將各種儀器的電路控制的過程轉變為LabVIEW平臺結構化連線的功能。這種將復雜問題分步解決的方式有利于問題的簡化，大大提高學生實驗的效率。利用LabVIEW 平臺將各類信號的處理和識別轉變為數據結構的設計和算法的優化問題，大幅提高計算機科學與技術學科知識的應用面。 5.虛擬儀器技術的展望 虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術性能方面具有靈活性與經濟性，因而特別適 應于當代科學技術迅速發展和科學研究不斷深化所提出的更高更新的測量課題和測量需求。 展望未來，虛擬儀器將會有以下發展趨勢： 5.1 標準化 目前，虛擬儀器的PCI、VXI、PXI 等技術規范已成功實現了標準化，但在觸發方式、延時、同步、不同通道的共用時基等方面還未實現標準化，這將影響其在不同平臺上的互換性和移植性，也將影響虛擬儀器軟件模塊的標準化。虛擬儀器的硬件結構將會繼續朝著標準化、模塊化的方向發展，模塊式結構使測試系統體積不斷減少、處理速度不斷提高，從而使測試系統的小型化和微型化成為可能。 5.2 網絡化 網絡化是虛擬儀器的另一發展趨勢。利用網絡傳輸技術，將分布于不同位置的虛擬儀器、外部設備、被測試點、數據庫等資源有效連接起來，克服了一般虛擬儀器將測試儀器的三大功能模塊都局限在單一的計算機上的缺點，從而實現資源共享功能，共同完成測試任務。 5.3 軟件開發平臺的智能化 虛擬儀器的研究已經取得很多進展，但仍存在不少問題。首先，虛擬儀器的成功開發需要軟件設計經驗和儀器專業知識的有機結合，因此對普通用戶來說，自己開發虛擬儀器還不太現實；其次，虛擬儀器的設計難度大、效率低，盡管ActiveX、COM 等技術可以在一定程度上提高了系統軟件的可重用性，但在儀器設計時仍然需要編寫大量代碼才能將這些部件組合成一個完整的系統。最后，虛擬儀器的可重構性很差，用戶若需要改變儀器的某些功能，必須要經過代碼層次上的修改才能實現。采用人工智能技術提高虛擬儀器的可重構能力、降低虛擬儀器的設計難度，將會是虛擬儀器技術的又一發展方向。 結束語 虛擬儀器目前正在向功能綜合化的多功能虛擬儀器庫提高、精度和可靠性、方便操作、一鍵完成所需要的功能的方向發展。目前正蓬勃發展的新興技術也成為推動虛擬儀器技術發展的新動力！虛擬儀器的出現是科技界、教學界和測試儀器制造界的一次具有深遠意義的技術革命。
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