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江苏科技大学本科毕业设计（论文）
第二章 虚拟仪器技术介绍
2.1 虚拟仪器概述
仪器技术发展至今，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器以及单台仪器、层叠式仪器系统阶段，从20世纪80年代进入虚拟仪器系统时代。
2.1.1 虚拟仪器技术的由来
电子技术的飞速发展及其在各方面的广泛应用，对仪器的“智能”要求越来越高，仪器中微机的任务不断加重，仪器在很多方面逐渐向微计算机靠拢。因此，需要统筹地考虑仪器与计算机之间的系统结构。在这种背景下，1982年出现了一种新型的、与PC机配合使用的模块式仪器，自动测试系统结构也从传统的机架层叠式结构发展成为模块式结构。与传统仪器不同的是，模块式仪器本身不带仪器面板，因此必须借助于PC机的强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的“虚拟的”仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。这种与PC机结合构成的，包含实际仪器使用与操作信息软件的仪器，称为“虚拟仪器”。
1986年10月，美国NI公司推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LabVIEW，它采用独特的图形化编程方式，编程过程简单方便，是目前最受欢迎的虚拟仪器主流开发平台。在软件上，为了兼顾其他高级语言开发者的习惯，NI还推出了LabWindows /CVI等交互式开发平台。经过多年的发展，NI公司从正式发布LabVIEW 1.0到目前的LabVIEW 2010，几乎不到两年就推出一个新版本，可见虚拟仪器技术进步的迅速。
从虚拟仪器概念提出至今，有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。研究人员在虚拟仪器硬件接口、虚拟仪器软件及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作，并已开发了许多实用的虚拟仪器系统。典型的虚拟仪器模式可以理解为，除了信号的输入和输出以外，仪器的其他操作，如测量、控制、变换、分析、显示等功能均由软件来实现，它们依据某种通用或专用总线标准或规约，或以某种接口形式，与计算机进行通信，由计算机统一进行调度和管理的一种数字化仪器。
2.1.2 虚拟仪器技术的定义
所谓虚拟仪器（Virtual Instrument），是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，其仪器的大部分测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。仪器的面板由显示在计算机上的软面板来代替，信号的获取和信号的
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分析、处理、存储及打印等功能完全由软件来实现。其实质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检测结果；利用计算机的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口通信设备完成信号的采集与传输，最终完成各种测试功能。
2.2 虚拟仪器的组成
虚拟仪器一般由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成。
2.2.1 虚拟仪器硬件平台
虚拟仪器的硬件一般包括计算机和外围硬件设备。PC 机可以选择各种类型的通用计算机，它是硬件平台的核心。虚拟仪器使用的个人计算机中，微处理器和总线成为最重要的因素。它主要用来提供实时高效的数据处理和显示功能。而外围硬件设备则主要包括各种计算机内置仪器插卡和外置测试仪器设备。通过友好的图形界面操作，自己定义、自己设计，从而完成对被测试量的采集、分析和显示等功能。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB 仪器控制系统、VXI 仪器系统以及这三者之间的任意组合。主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换及数/模转换和信号输出控制等。可根据不同的总线情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口仪器等，虚拟仪器构成方式有五种类型， 无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。其中，PC-DAQ测量系统是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。
2.2.2 虚拟仪器软件系统
虚拟仪器软件由两大部分构成，即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。 (1) 应用程序：
① 实现虚拟面板功能的前面板的软件程序； ② 定义仪器测试功能的流程图软件程序。 (2) I/O接口仪器驱动程序：
这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。输入/输出(I/O)接口软件存在于仪器(即I/O接口设备)与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作，对VXI背板总线与器件作测试和控制，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件层，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。仪器驱动程序是连接上层应用软件与底层输入/输出(I/O)软件的纽带和桥
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梁。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了更多方便条件与良好的开发环境。
2.3 虚拟仪器的功能及特点 2.3.1 虚拟仪器的功能
虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示。目前虚拟仪器广泛应用于电子测量、电力工程、矿质勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。 虚拟仪器的基本功能有以下三点： (1) 信号调理与采集功能
此项功能主要是由虚拟仪器的硬件平台完成的。仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必要的外围电路，或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB,VXI,PXI,STD,PCI总线仪器和网络化仪器等。 (2) 数据分析与处理功能
虚拟仪器充分利用了计算机的高速存储功能、运算功能，并通过软件实现对输入信号的分析处理，如数字滤波、统计处理、数值计算、信号分析、数据压缩、模式识别等数字信号处理。
(3) 参数设置和结果表达功能
虚拟仪器充分利用计算机的人机对话功能，完成仪器的各种工作参数的设置，如功能、频段、量程等参数的设置，对测量结果的表达与输出有多种方式，如屏幕显示，电、磁、光存储，绘图打印，网络传输等。
2.3.2 虚拟仪器的特点
虚拟仪器技术就是基于PC技术的、用户自定义的测试和测量解决方案，其四大优势在于：性能强性价比高、扩展性强、开发时间短，以及出色的集成功能。 (1) 性能强性价比高
以软件为主的测量系统，充分利用了常用台式计算机及工作平台的计算、显示和互联网等的强大功能。由于传送的信号大多是数字信号，数据的处理几乎是软件实现的，从而大大降低了环境干扰和系统误差的影响。 (2) 扩展性强
虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。为提高
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测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不必购买一个全新的系统，大大有利于测试系统的功能扩展。 (3) 开发时间短
在驱动和应用两个层面上，优秀虚拟仪器开发平台已经将其高效的软件构架与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起，给用户提供最方便的、最灵活的操作以及强大的功能，让用户轻松地配置、创建、部署和维护高性能、低成本的测量和控制解决方案。 (4) 出色的集成
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，虚拟仪器软件平台为大部分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。
2.4 虚拟仪器的应用前景
近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台组建自己的虚拟仪器或测试系统。最早和最具影响的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和LabWindows/CVI， LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。
虚拟仪器正在继续迅速发展。虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用PC机组建灵活的虚拟仪器，取代测量技术传统领域的各类仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可以与不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。
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