虚拟仪器的现状与展望

虚拟仪器的现状与展望

（许其贞） 

   虚拟仪器（简称VI）是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新一类电子仪器。虚拟仪器要比传统的电子仪器更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济，更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性能的要求。因此，虚拟仪器发展很快。    什么是虚拟仪器    虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上，使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器，虚拟仪器因此而得名。    虚拟仪器的硬件是电子计算机和为其配之的必要的电子仪器硬件模块。电子计算机与为其配置的电子仪器测试模块通过编制的计算机测试软件结合起来，组成通用的电子测量硬件平台。使用者是通过友好的图形界面（通常是设在电子计算机终端显示屏上图形化的虚拟的菜单式控制机构，这些菜单式的控制机构的图形，通常只占显示屏的一部分，形成了虚拟仪器的虚拟前面板），以点击菜单来调控虚拟仪器的性能，就像在操作自己定义、自已设计的一台电子仪器。田量信号是藉测试软件的调控，经由电子测量硬件平台的采集，再经电子计算机的处理，得到最终的测试结果，并以数据、曲线、图形甚至是多维测试结果模型，显示在电子计算机的终端显承屏上（通常占据着电子计算机终端显示屏的主要幅面）。当然，测试结果也可以直接通过计算机网络传送或记录保存。    虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数字／转换器（ADC）、数字／模拟转换器（DAC）、数据来集器（DAQ）等。电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。虚拟仪器还可以选配开发厂家提供的系统硬件模块，组成更为完善的硬件平台。    测试软件是虚拟仪器的“主心骨”。虚拟仪器的概念是1986年由美国国家仪器公司（以下简NI公司）首先提出的。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用“软件就是仪器”来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的极为重要的位置。但这并不排斥测试硬件平台的重要性。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。    NI公司推出的虚拟仪器概念迅速得到世界各国的广泛欢迎和支持，其主要原因就是他们从一开始就推出丰富而实用的开发软件，如面向科学家和工程技术人员（而不是计算机的编程人员）的Lab VIEW和Lab Windows/CVI虚拟仪器开发平台软件。这些软件以简单直观的编程方式、众多源码级的设备驱动程序、丰富实用的分析表达功能和支持功能，使使用者能快速地构建自己的测量仪器或测量仪器系统。这些软件提供简单、直观、易于操作的图形编程方式，把复杂的语言编程方式简化为菜单提示方式，使科学家和工程技术人员可以得心应手地编制测试软件，规范一套由通用电子计算机和必区的电子测量硬件模块组成的硬件测试平台来实现新的测试任务和要求。    测试软件的主要任务是：（1）规范组成虚拟仪器的硬件平台的哪些部分被调用，并且规范这些部分的技术特性；（2）规范虚拟仪器的调控机构，设置调控范围，其中不少功能和性能直接由软件实现；（3）规范测试程序；（4）调用数据处理和高级分析库，处理和变换测试结果；（5）在电子计算机的显示屏上显示测试结果的数据、曲线族、模型甚至多维模型；（6）规范测试结果的信息存储、传送或记录。    虚拟仪器的现状    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软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是NI公司的Lab VIEW软件和LabWindwos/CVI开发软件。Lab VIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。Lab Windows／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。除了上述的优秀开发软件之外，美国HP公司的HP－VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronis公司的Ez－Test和Tek－TNS软件，以及美国HEM Data公司的Snap－Marter平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。    虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器，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。它可以藉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。    当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GP－IB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的USB通用串行总线和IEEE 1394总线（即Firewire，也叫做火线）。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。    RS232总线是PC机早期采用的通用串行总线，至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系统。GP－IB仪器总线已经风行多年，由于它只是8位并行仪器总线，传输速率和传输距离有限，已经跟不上当今大规模自动测试系统的需求。但是，采用GP－IB总线的仪器或插件，仍然大量存在，一直在应用，因此GP－IB总线仍然是组建中等水平自动测试系统所欢迎的总线。VXI总线是在VME总线的基础上发展起来的仪器总线，成为当今国际上测量仪器总线的主体。它可以满足当代科学技术发展的测试要求，成为世界各国开发虚拟仪器最重视的开发对象。在这一方面，不仅常有新的软件出现，也常有高水平的系统开发成果的报道。    从事虚拟仪器开发的厂家和公司，也很注意USB通用串行总线和IEEE 1394串行总线虚拟仪器的开发，一是因为虚拟仪器系统主控常采用PC机，而当今PC机已经更多地采用USB总线和IEEE 1394总线，二是因为USB总线已经得到广泛的支持。一微软Windows 98全面支持USB总线， Windows CE和Windows NT5.0也支持USB，Windows 95的修订版也支持USB，Sun公司和Digital公司也已经支持USB。但是，USB总线只限于用在较简单的测试系统中，当今用虚拟仪器组建自动测试系统，更有前途的是采用IEEE1394串行总线，这是因为这一种高速串行总线，能够以100、200或400Mb／s的速率传送数据，显然会成为虚拟仪器发展最有前途的总线。目前国际上虚拟仪器所用IEEE 1394总线的传站速度的最高记录，已经达到100Mb／s。    虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应上述各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国 NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与Copact PCI完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台PXI／Compace，PCI的传输速度已经达到100Mb／s，是目前已经发布的最高传输速度。    虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库（例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检队波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等），使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。    虚拟仪器的展望    虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。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，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。摘自《电子世界》