维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第２５卷第４期 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） １５ 虚拟仪器的实现 邓居祁，瞿 翌，盛 旺 （长沙大学电子与通信工程系。湖南长沙４１０００３） 摘要：虚拟仪器是继模拟仪器、数字化仪器、智能仪器后的新一代仪器，是电子测试领域发展的一个新 方向。虚拟仪器是电子测量技术和计算机测控技术的前沿技术，它将计算机的采集、测试、分析与处理引 入到电子测试领域，利用数字化技术和软件技术极大地提高了测试系统的灵活性和可扩展性。阐述了测 试仪器的发展历程，给出了虚拟仪器的概念，总结了虚拟仪器的特点，重点研究了虚拟仪器的软件、硬件结 构，并展望了虚拟仪器的发展前景。 关键词：虚拟仪器；测量；构成 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—９７８７（２００６）０４—００１５一ｏ３ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＤＥＮＧ Ｊｕ－ｑｉ，ＱＵ Ｚｈａｏ，ＳＨＥＮＧ Ｗａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｆｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｄｉｇｉｔａｌ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚｅｄ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔ．Ｉｔｒ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｒｅａ．Ｔｈｅ ｖｉｔｒｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ａｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｂｅｉｎｇ ｉｎｔｏｄｕｃｅｄ ｉｒｎｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｒｅａ，ｄｉｇｉｔａｌ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｔｕａｌｒ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｓ ｎａｒｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｒ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｔ ｌａｓｔ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｇｈｔ ｆｕｔｕｒｅ ｉｓ ｅｍｐｈａｓｉｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｔｒｕａｌ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔ（ＶＩ）；ｍｅａｓｒｕｒｅｍｅｎｔ；ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ０引 言 的传统测量仪器来完成。电子测量仪器的发展大体上可分 随着电子技术、计算机技术、网络技术的飞速发展及其 为四代 ，第一代是２０世纪初发展起来的以电磁感应定律 为基础的指针式仪器，如指针式万用表等；第二代是２Ｏ世 纪５Ｏ年代的电子管或晶体管电子电路为基础的分立元件 在电工、电子测量技术和仪器上的应用，使得新的测试理 论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许 多方面已突破传统仪器的概念，测量仪器的功能和使用发 生了质的变化。在这种背景下，１９８６年，美国国家仪器公 司（ｎａｔｉｏｎａｌ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｒｓ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）研发推出了图形化编程 环境的开发平台一Ｌ丑ｂＶＩＥｗ（１ａｂｏｒａｔｏｒｙ ｖｉｔｒｕａｌ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ）软件，并首先提出了虚拟仪器（ｖｉｒｔｕ－ ａｌ Ｉｎｓｔｕｍｅｎｔ，ｒＶＩ）的概念…。虚拟仪器技术发展迅速，已成 式模拟仪器，如晶体管电压表等，以上二代仪器价格低廉， 应用广泛，但测试精度和速度较低；第三代是２Ｏ世纪６０年 代兴起的以集成电路芯片为基础的数字化仪器，如，数字电 压表、数字频率计等，这类仪器将测试信号由模拟信号转化 为数字信号，并以数字方式输出测量结果，它将测试的精 度、分辨力和测量速度提高了几个数量级。目前，应用相当 普及，适用于快速响应和较高准确级的测量，它可将输出数 据通过接口输入计算机，但仪器本身不含微处理器。第四 为当前国内外仪器制造界十分关注的技术热点。 １从传统仪器到虚拟仪器 数据采集、过程监测和自动测试是实验室研究和工业 自动化领域广泛存在的实际任务。在虚拟仪器未出现之 代是２Ｏ世纪７Ｏ年代以微处理器为核心的智能式仪器，这 类仪器不仅能自动完成某些测量任务，还能进行一些复杂 前，这些任务都是由厂家事先定义，且由固定不可变更功能 收稿Ｅｌ期：２００５—１Ｉ一２６ 的数据处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。 基金项目：长沙市科技计划资助项目（Ｋ０５１０１９一ｌ２）；湖南省普通高等学校教学改革研究项目（２００３—６６） 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ６ 传感器与微系统 第２５卷 其缺点是它的功能块全部都是以硬件（或固化的软件）的形 式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 由于传统测量仪器的功能缺乏灵活性，因此，使用者必 须不断购买新的仪器，以满足不断变化的测量任务的要 求 。而虚拟仪器改变了这种状态，它开创了仪器使用者 成为仪器设计者的新时代。虚拟仪器是利用计算机显示器 的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达 输出测量结果，利用１１＇Ｏ接口设备完成信号的采集、测量与 调理，利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、 分析和处理，从而完成各种测量功能的一种计算机仪器系 统Ｈ Ｊ。因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其他 周边设备互联，用户只需改变软件程序或改变软件模块的 组合，就可以不断扩展和增强它的测试和分析功能，真正体 现“软件就是仪器（Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）”、“网络就 是仪器（Ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）”的概念 。 ２虚拟仪器的主要特点 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。与传统仪器相比，虚拟仪器 的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，软件是虚拟仪器的核心，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。。 。并且，虚拟仪 器充分利用计算机丰富的图形用户界面资源，建立图形化 软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 户机上产生，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、灵活的互联性（ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉ— ｔｙ），可与网络及其他周边设备互联。随着网络技术的发 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Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／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 Ｊ。 （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、标准性和模 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 。 ３虚拟仪器的构成 虚拟仪器通常是由计算机、硬件接口电路和软件这三 部分构成。 ３．１ 虚拟仪器的硬件构成 硬件接口电路与计算机一起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１：３电路主要完成被测输入信号的采集、放大、 模／数转换。根据构成虚拟仪器的接口总线不同，主要可分 为如下几种构成方案，如图１所示。 被 计 测 对 算 机 象 现场总线设备 图１ 虚拟仪器的硬件构成框图 Ｆｉｇ １ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ （１）基于数据采集卡的虚拟仪器，它是以信号调理电 路、数据采集卡（ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ＤＡＱ）及Ｐｃ机为仪器硬件 平台。采用ＰＣＩ（ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）或ＩＳＡ（ｉｎ－ ｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）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 虚拟仪器又叫ＰＣ．ＤＡＱ／ＰＣＩ插卡式虚拟仪器。 （２）基于通用接口总线ＧＰＩＢ（ｇｅｎｅｒａｌ ｐｕｒｐｏｓｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｕｓ）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，它包括符合ＲＳ一２３２／ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 邓居祁等：虚拟仪器的实现 ｌ７ ＲＳ４２２标准的ＰＬＣ（ｐｍｇａｍ ｌｏ出ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）和单片机系统。 （４）基于ＶＸＩ仪器的虚拟仪器，它是以ＶＸＩ（ＶＭＥｂｕｓ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｆｏｒ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）标准总线仪器模块及Ｐｃ机为 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２种：一种是基于传统的文本语言式 的软件开发环境，主要有ＮＩ公司的Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ，Ｍｉ－ ｅｒｏｓｏｆｔ公司的Ｖｉｓｕａｌ Ｃ一，Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ，Ｂｏｒｌａｎｄ公司的Ｄｅｌ・ ｐｈｉ等；另一种是基于图形化语言的软件开发环境，主要有 ＮＩ公司的ＬａｂＶｌＥＷ，ＨＰ公司的ＨＰＶＥＥ等。其中，图形化 软件是用工程技术人员所熟悉的术语和图形化符号来代替 仪器硬件平台，由主机箱、控制器和仪器模块构成。其中， 控制器安装在零号槽中，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（ＰＣＩ ｅｘｔｅｎ－ ｓｉｏｎ ｆｏｒ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）标准总线仪器模块及Ｐｃ机为仪器 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。 ４结束语 硬件平台，ＰＸＩ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技术规范和要求形成。标准的 ＰＸＩ模块化仪器系统有８个插槽，还可与ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ交互 操作，可与ＧＰＩＢ或ＶＸＩ集成，组成大规模、多用途系统。 虚拟仪器的崛起是测试仪器技术的一次“革命”，是仪 器领域的一个新的里程碑，它使现代测控系统更灵活、更紧 凑、更经济、功能更强。无论是测量、测试、计量或是工业过 程控制和分析处理，还是涉及其他更为广泛的测控领域，选 （６）基于现场总线设备的虚拟仪器，它是以Ｆｉｅｌｄｂｕｓ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 用虚拟仪器都是理想的解决方案… 。随着电子技术、计算 机技术、网络技术等相关技术的发展，虚拟仪器将会逐步取 代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 参考文献： ［１］Ｈ．Ｇｏｌｄｂｅｒｇ．Ｗｈａｔ ｉｓ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ＆Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｍａｇａｚｉｎｅ。２０００。３（４）：１０—１３． 要适合构成普及型的廉价测试系统；现场总线方案主要适 合构成大规模的网络测试系统。如测试任务需要，也可将 上述几种方案结合构成混合测试系统。 ，３．２虚拟仪器的软件构成 虚拟仪器最核心的技术是软件，使原来需要硬件实现 ［２］孙亚飞．测试仪器发展概述［Ｊ］．仪器仪表学报，２００３，２４（５）： ４８０—４８４． 的功能软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功 能与灵活性。虚拟仪器系统的软件从底层到顶层可分为３ 个层次，即ＶＩＳＡ库、仪器驱动程序、应用程序。虚拟仪器的 软件构成如图２所示。 ［３］ 瞿望．水电机组在线状态监测和故障诊断网络化系统的设 计与实现［Ｊ］．电工技术学报，２００５，２０（３）：９４—９９． ［４］Ｔ．Ｈｏｇａｎ，Ｄ．Ｈｅｆｅｍａｎ．Ｖｉｒｔｕａｌ ｔｅｓｔ ｒｅｄｕｃｅｓ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐｒｏｄ— ｕｃｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｉｍｅ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００１，１０（３）：１０６—１１２． 周凰 图２虚拟仪器的软件构成框图 一 Ｆｉｇ ２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔ￣ｍｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ［５］ 瞿璺．基于虚拟仪器的过程控制远程实验系统［Ｊ］．仪表技 术与传感器，２００５。（４）：３５—３７． ［６］ 瞿墨．基于虚拟仪器的输水管路泄漏检测系统［Ｊ］．电气自 （１）ＶＩＳＡ（ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ） 动化，２００５，２７（１）：５４—５６． ［７］ 瞿望．基于虚拟仪器的水电机组在线状态监测系统的研 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 究［Ｊ］．计算机应用研究。２００５。２２（３）：１９３—１９６． ［８］瞿墨．基于虚拟仪器的水电机组在线振动监测系统［Ｊ］．电 间，是一个为仪器与仪器驱动程序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。 气传动。２００５。３５（２）：５８—６１． ［９］Ｃａｖａｎａｕｇｈ Ｋ．Ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ｖｉｔｒｕａｌ ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ ｆｏｒ ｌｉｆｅ ｃｙｃｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔ［Ｃ］．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｎｆｅｅｒｎｃｅ ２００１，１ＥＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄ— ｉｎｇｓ．２００１．７一ｌ６． （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 ［１Ｏ］崔惠柳．虚拟仪器技术及其新进展［Ｊ］．广西科学院学报， ２００５，２１（１）：６１—６６． 作者简介： 邓居祁（１９６８一），男，湖南永州人，讲师，硕士，发表科研论文 １０余篇，主要从事虚拟仪器的研究。