虚拟仪器技术综述

虚拟仪器技术综述

摘要：本文论述了虚拟仪器的发展历程，虚拟仪器的基本概念、组成，虚拟仪器的总线技术，与传统仪器技术进行对比，虚拟仪器技术的优势， LabVIEW 软件的应用，最后对虚拟仪器技术的发展趋势进行了分析总结。

关键词：虚拟仪器、总线技术、LabVIEW

一、虚拟仪器的发展历程

1．国外发展历程

随着个人电脑技术的出现，人们开始考虑使用电脑来处理传统仪器所测数据。由此，GPIB技术在20世纪70年代发展起来，这也就是IEEE 488及后来的IEEE488.2标准。但由于GPIB总线带宽（1Mbytes／s）限制了数据向计算机的实时传输，所以大量的数据处理工作仍然依靠仪器自身所带有的功能。

20世纪80年代，随着计算机技术的进一步发展，个人电脑可以带有多个扩展槽，就出现了插在计算机里的数据采集卡。它可以进行一些简单的数据采集，数据的后处理由计算机软件完成，这就是虚拟仪器技术的雏形。1986年，美国National Instruments公司（以下简称NI公司）提出了“软件即仪器的口号”，推出了NI-LabVIEW直观的流程图编程风格的开发和运行程序平台，开启了虚拟仪器的先河。

20世纪90年代，计算机总线速度进一步加快，PCI总线的数据传输速度达到了132Mbytes/s。1996年底，美国NI公司在PCI数据总线的基础上提出了第一代PXI系统的技术规范。现在，PXI技术联盟已经有接近60家成员公司为这一平台开发产品。

2．我国发展历程

1985年，我国东方振动和噪声技术研究所（以下简称COINV）开始提出PC卡泰（PCCATAI）—微机卡式采集测试分析仪的概念，并推出了数据采集和信号处理软件（DASP Data Acquisition＆Signal Processing），随后又提出了“把实验室拎着走”的口号，进而进行了虚拟仪器库平台的研发，实现了INV虚拟仪器库。DASP软件概念突破了传统的随机振动信号分析仪和FFT分析仪概念，实现了向虚拟仪器和计算机采集测试分析仪器概念的过渡。其间，COINV研制成了国内第一台虚拟仪器—PC卡泰INVl01，接着又推出了台式机用的INV303和便携式笔机本式的INV306系统，并于1993年到加拿大多伦多展出，实现了VI的飞跃。

二、虚拟仪器技术定义及组成

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。它是由计算机技术、测量技术和微电子技术高速发展而孕育出的一项革命性技术。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的

需求。20 世纪80 年代中期，美国国家仪器公司（NationalInstrument，简称为NI） 首先提出的“软件就是仪器”（TheSoftware is the Instrument）这一概念便是对虚拟仪器最本质的论述和表达。

虚拟仪器由硬件和软件两部分构成。硬件由计算机和I/O 接口设备组成，按功能可分为3 个主要部分：①信号输入：完成信号的采集、放大和A/D 转换，将被测信号变成标准信号（一般用电压信号）以利于计算机处理。对于多量程采集卡，只需根据传感器输出选择量程即可。②信号输出：将计算机产生的数字信号经过信号调理转换成适合于被测系统的激励信号。这两部分由I/O 接口设备（如：数据采集卡、GPIB 总线仪器、VXI 总线仪器、PXI 总线仪器和串口系统等）完成。③信号处理：利用计算机对所采集的信号进行分析、显示和存储等，PC 机是硬件平台的核心。软件是虚拟仪器的核心，仪器的功能由用户在软件平台上编程实现。目前最常用的软件开发工具是美国NI 公司的LabWindows/CVI[2] 和LabVIEW。NI 公司的虚拟仪器平台———LabVIEW 简化了虚拟仪器系统的开发过程，缩短了系统开发和调试的周期。即使是个编程的新手，也能用全图形化方式编程的LabVIEW 很快地”画”出程序来。因为LabVIEW 是真正面向科学家和工程师的编程语言。

三、虚拟仪器总线技术

目前VI使用的总线技术主要有以下几种。

1.PC总线方式的虚拟仪器

这种方式借助于插入PC机和工控机内的数据采集卡与专用的软件相结合，完成测试任务。它允分利用计算机总线、机箱、电源及软件的便利。插卡类型有ISA卡、PCI卡和PCMCIA卡等多种类型。

ISA总线是一种8位或16位非同步数据总线，工作频率为 8 MHz ， 数据传输速率 8位时为lMB／s，16位时为2MB／s。对低速数据采集来说是有效的，但对基于高性能 P C机的多任务系统和高速数据采集系统而言，ISA总线则越来越成为一种瓶颈。

PCI总线是一种独立于CPU的32位或64位局部总线,时钟频率为33MHz，数据传输率高达132MB／s—264MB／s，PCI总线技术用无限凄写突发方式，可在一瞬间发送 大量数据。PCI总线上的外围设备可以和 C P U 并行工作，闪此PCI总线得到了广泛的应用随着汁算机技术的发展，ISA卡逐渐退舞台，有被PCI卡取代的趋势。PCMCIA卡由于受到结构强度太弱的限制，影响了它的工程应用。插卡式仪器价格便，因计算机数量非常庞大，因此用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室，目前仍有强大的生命力。

2.GPIB总线方式的虚拟仪器

GPIB总线(即IEEE488总线)是一种行外总线，是在HP公司1965年设计的HP—IB仪器接口总线的基础上发展而来的，经历IEEE488一l975、IEEE488.1—1987、IEEE488.2—1987几个不断改进完善的阶段，目前市面上使用的是IEEE4882标准的GPIB。该标准的成功之处在于，它使测试系统的互连和通讯标准化。

3.USB总线方式的虚拟仪器

USB通用串行总线和IEEE1394总线(义叫Fireware总线)是被PC机广泛采用的两种总线，它们已被集成到计算机主板USB总线能连接127个装置，需要一对信号线及电源线。USB2．0标准的数据传输率能达到480Mbps。该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特点，现在已被广泛用丁宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。IEEE 1394总线是由节果公司于1989年设计的高性能串口总线，日前传输速率为100Mbps、200Mbps、400Mbps，将来可达3．2Gbps。这种总线需要两对信号线和一对电源线，可以用任意方式连接63个装置，它是专为需要大数据量串行传送的数码相机、 硬盘等设计的USB及IEEE1394总线均具有“即插即用——plug&play”的能力，与并行总线相比，更适合于连接多外设的需要。基于USB总线，NI公司推出了USB一6008和USB一6009等几款数据采集卡。

4.VXI总线方式的虚拟仪器

VXI总线是一种高速计算机总线VME在VI领域的扩展，由HP、Tektronix等公司在l987共同制定，它以VME为基础，吸取了GPIB易于组合的优点。适合组建大、中规模的自动测试系统和对速度和精度要求较高的场合。组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

5.PXI总线方式的虚拟仪器

PXI总线1997年由NI公司推出。它是在PCI总线内核技术上增

加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的参考时钟。用于精确定时的星形触发总线。以使用相邻模块的高速通讯的局部总线。PXI具有高度可扩展性，可扩展到256个扩展槽。把台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台之一。

6.IXI总线式的虚拟仪器

2004年9月VXI科技公司和安捷伦联合推出一

种新的基于工业以太网的总线规范1XI(LAN Xtensions for Instrumentation)。可以这样说，以太网的发展为基于网络的测试系统提供了台，也成就了IXI的诞生。IXI标准用以太网作系统的骨干，无需VXI或PXI方式的机箱。在众计算机和通信网络中选用以太网技术，在于以太网的发展已相当成熟，被广泛安装在计算机作为标通信接口以太网的基础设施非常普及，网卡、路由器和光纤等价格日益便宜。以太网采用的TCP协议在Internet内广泛使用。另外。以太网的错误检测、故障定位、长距离互联以及树状拓扑结构都现有的总线优越，网络速度也由最初的10Mb／s现在的l0Gb／s。IXI联盟于2005年10月通过了IEEE158协议，为IXI网络化虚拟仪器的设计实现提供标准。我国的海泰公司率先加入了IXI联盟。未来的总线将会向专业化和大众化方向发展，因此在LXI仪器还未完全占领市场之前，VXI、PXI和USB等都将成为市场的主流总线技术。

四、虚拟仪器技术的四大优势

1.性能高

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

2.扩展性强

这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

3.开发时间少

在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

4.无缝集成

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在

功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

五、LabVIEW

1983年，NI公司开始投入人力研究一种能为仪器系统的程序设计节省时间和精力的软件。他们成功开发了LabVIEW虚拟仪器的概念-直观的前面板用户结构与革新的流程图式程序设计方法的组合。1990年，NI公司已经完全重写了LabVIEW软件，结合几年来用户的反馈信息而加入了新的软件工艺，使其执行速度更快，大体与C语言的执行速度相当。 LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering work bench-实验室虚拟仪器工程平台 )的概念，是直观的前面板与流程图式编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。LabVIEW和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作 , 是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境。软件前面板其实是自动化的拓展，它们保持了传统直观的视觉和感觉效果，且创建了一个真正的接口，无论用户使用什么类型的硬件，软件前面板只包含了对于一个应用场合很重要的参数，用户能够很容易地从一个单一前面板控制多台仪器，并把整个系统作为一台虚拟仪器来看待。流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的，而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节

无关，构建和测试程序就可以节省时间，同时用户就对整个系统实现图形化描述，用户还能够重用虚拟仪器，可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。同时 ,利用其模块化和递归方式，用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。与传统的编程方式相比 ,使用LabVIEW 设计虚拟仪器 ,可以提高效率 4～1 0倍。LabVIEW集成了很多仪器硬件库，如GPIB/VXI/基于计算机的仪器、基于RS232协议的仪器、插入式数据采集卡、图像获取和机器视觉等。

总之，LabVIEW具有以下特点：

(1)图形化的仪器编程环境：它使用\"所见即所得\"的可视化技术建立人机界面 ,针对测试、测量以及过程控制等领域。用户还可以方便地将现有控制对象改成适合自己需要的控制对象。

(2)内置的程序编译器：LabVIEW有一个图形编辑器来产生最优化编辑代码 ,虚拟仪器执行他们相当编译Ｃ的速度。利用应用程序生成器，用户能够产生虚拟仪器，就像独立的可执行程序一样。

(3)灵活的调试手段 ：用户可以在源代码中设置断点，单步执行源代码，在源代码的数据流上设置探针，在程序运行中观察数据流的变化。

(4)功能强大的函数库：LabVIEW 提供了大量现成函数供用户直接调用，从底层VXI、GPIB、串口及数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序，从基本的功能函数到高级分析库、涵盖了仪器设计中几乎所需要的函数。

(5)开放式的开发平台：LabVIEW 提供了接口 ,使用户在LabVIEW平台上能调用其他软件平台编译的模块。

(6)支持多种操作系统平台和较强的网络功能。 LabVIEW进行图形化程序设计的步骤：

（1)、建立方案：建立其前面板接口，利用向导把流程图组合在一起。

（2)、建立前面板：从控制模块上选择需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上，从而利用前面板去控制整个系统。

（3)、构建流程图：从功能模板上选择对象，并用线将它们连接起来以便数据进行传递，从而构建流程图。

（4)、数据流程序设计：LabVIEW软件中程序的执行顺序由各方块中的数据流决定，也可以建立同步操作的流程图。

（5)、模块化和层次： LabVIEW软件模块化设计，使任何虚拟仪器既能独立运行，又能被用作其他虚拟仪器的一部分，甚至可以创建自己的虚拟仪器图标，可以设计由虚拟仪器构成的多层系统，并可以改变它以满足不断变化的应用需要。

（6)、图形编辑器：LabVIEW软件是唯一的带有编辑器的图形化编程环境，可以产生最优化的代码，其运行速度快，利用内置的绘图器，能够对与时间很关键的代码部分进行分析和优化。

LabVIEW软件系统可用于测试、过程处理和控制，应用的范围非常的广泛。（1）、测试和测量：LabVIEW已经变成了一种工业的标准开发工具。（2）、过程控制和工厂自动化：LabVIEW软件非常

适用于过程监测和控制。（3）、研究和分析：有力的软件分析库几乎提高了所有的分析函数。

六、结论

虚拟仪器技术已成为仪器领域的一个基本方法, 是技术进步的必然结果。今天, 它的应用已遍及各行各业。使用虚拟仪器技术进行研究、设计、测试, 用户可缩短系统的开发时间, 节省开支。除以上所举的例子之外, 虚拟仪器技术还在其他很多领域包括航空、汽车、生物医学等方面得到广泛应用。相信未来, 虚拟仪器将得到更多的发展, 应用范围也将越来越广。

蔡云龙