虚拟仪器综述

1、 科技写作作业 虚拟仪器技术文献综述 姓名： 学号：201198501 专业：电气工程及其自动化 2013.12虚拟仪器技术综述引言：现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器技术的出现又使得测量仪器进步入了高科技的殿堂。 与传统的仪器不同，虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它是由控制模块、仪器模块和软件组成，在虚拟仪器中软件是至关重要的，仪器的功能都要通过它来实现，因此软件

2、是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”，从本质上反映了虚拟仪器的特征。 从构成方式上讲，虚拟仪器可分为四大类：gpib体系结构、pc-daq体系结构、vxi体系结构和pxi体系结构。虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种=一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有lab windows/cvi、.visual basidc=vc+等：一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有lab view和hp vee。其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。摘要：仪器是智能仪器和计算机技术发展的结果

3、，是一类重要的仪器仪表和测试系统，得到广泛的应用。本文系统地介绍了虚拟仪器枝术的概念，分析了虚拟仪器的组成，通过与传统仪器相比，得到虚拟仪器所具有的优点，分析出虚拟仪器的发展方向，并指出在实际组建虚拟仪器系统时需解决的枝术问题。关键词：虚拟仪器 技术问题 GPIB VXI 一、 虚拟仪器的介绍11 虚拟仪器的概念虚拟仪器这个概念是在20世纪80年代中期由美国国家仪器公司(NI)首先提出来的。当时该公司提出“软件就是仪器”，这对传统仪器概念有着重大突破。其概念可具体描述为“虚拟仪器是利用现有的PC计算机、加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的

4、新型仪器。在今天，虚拟仪器被定义为信号的输入和输出基于计算机硬件平台，其余的部分都是通过计算机软件，按已知的数学模型和时序实现对数据的显示、控制、变换、分析和显示等全部或部分功能的智能化仪器系统。12 虚拟仪器技术的起源和发展历程在个人计算机技术出现之前，工程技术人员主要使用传统仪器进行数据采集和处理，或者依赖于某些高端传统仪器自身所具有的功能，或者使用手工进行数据处理。个人电脑技术出现之后人们开始考虑使用电脑来处理传统仪器所得到的数据。在20世纪70年代发展的GPIB技术，也就是IEEE488及后来的IEEE488.2标准由于受GPIB总线带宽的限制1M bytess，无法实现数据向计算机的

5、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。在80年代随着计算机技术的进一步发展，个人电脑可以附带多个扩展槽，进而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初步形式。受当时技术发展的制约人们在工作中仍然要较多地依赖于传统仪器去完成复杂的测量任务。直至90年代计算机总线速度进一步加快，如PCI总线的数据传输速度达到了132M bytess。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，现在已经有接近60家成员公司为这一平台开发产品。PXI系统是由模块化的仪器根据需要组合成的系

6、统，模块仪器可以是采集卡、示波器、数字万用表、信号源、开关，甚至射频信号分析仪。数据的分析可以运行在PXI控制器上的软件来完成，PXI的内嵌式控制器实际上就是一台结构紧凑的计算机。未来的虚拟仪器技术还将进一步延伸列嵌入式系统和便携式系统中。二、虚拟仪器的特点及其优点21 虚拟仪器的性能特点A、利用标准的商业技术虚拟仪器工具的持续发展依靠的是标准商业技术不断进步，如个人电脑的快速发展和因特网崛起。这些突飞猛进的商业技术必然带来性能的改进和大批量市场运作的成本降低。虚拟仪器产品使用这些技术，确保以更低的价恪为用户提供更为出色的性能。比如说：LabVIEW图形化开发软件与最新的Windows、Lin

7、ux和其他操作系统兼容，为使用者带来既可与简便易用图形化功能结合，同时又具有高性能多线程执行功能的开发环境仪器硬件设备，可以充分利用PC1和USB计算机总线的性能，以高速将数据传送到内存。总之，无论是软件还是硬件产品，它们都是建立在个人或嵌入式计算机系统的内存芯片、处理器和显示技术快速发展的基础上。B、测量速度快且精确测量输入信号的几个性能参数(如电压、频率、上升时间)只需要一个量化的数据块，要测量的信号参数就能被数据处理器计算出来。这种将多种测试结合在一起的办法缩短了测试时间。而在传统的系统中，必须把信号连接到每一台仪器上以便测量各个参数，这样测量值就受电缆长度、阻抗、仪器校准和修正因子的差

8、异的影响。C、具有更好的测量精度和可重复性嵌入式数据处理器可以建立一些特定功能的数据模型。如FFT和数据滤波器这就不再需要随时间可能发生漂移并需要定期标定的分立式模拟硬件了。D、减少开关和电缆由于所有信号具有一个公用的量化通道，故允许各种测量使用同一校准和修正因子，这样复杂的开关矩阵和信号电缆就能减少，信号将不必切换到多个仪器上。E、用户定义测量功能出于仪器功能可由用户级产生，故它不再是固定在硬件中而不可改变的，当需要时可加入新的测量功能而不用再去买一台新的仪器。F、可扩展性强为提高测试系统的性能，可加入一个通用模块或更换一个模块，而不用购买一套全新的系统。G、缩短系统组建时间所有通用模块支持

9、相同的公用硬件平台。各软件驱动程序或仪器处理程序不必单独产生，当测试系统要增加一个新的测量功能时，只需增加软件来执行新的功能或增加一个通用模块来扩展系统的测量范围，固而系统组建时间短。22 虚拟仪器的优点一般的传统仪器基本上都是由三大功能块组成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。由于这些功能块全是以硬件(或固化的软件)的形式存在的，从而决定了传统仪器只能由仪器厂家来定义、制造，而用户无法改变。而且传统仪器一般都是独立使用、手动操作，对于较为复杂、测试参数较多的场合使用起来就很不方便，其局限性非常明显。而虚拟仪器则克服了传统仪器的这些缺点，它把仪器的三大功能块全部放到计算机上

10、来实现，在计算机上插数据采集卡，用软件在屏幕上生成仪器面板用软件来进行信号的分析与处理、以各种形式输出检测结果。总之，虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，它利用计算机丰富的软硬件资源大大突破了传统仪器在数据的处理、表达、传送、显示和贮存等方面的限制，有极好的性能价格比。具体比较见下表：项目 传统仪器虚拟仪器仪器定义 厂家用户功能设定功能特定，与其它设备连接受到限制面向应用的系统结构、可方便的与网络、外设以及其它应用设备连接中心环节硬件软件开放性 封闭式系统、功能固定,不能更改基于计算机拄术的开放、灵活的功能模块性/价格比 低高、可重复使用拄术更新慢(周期510年)快(

11、周期12年)开发维护开发维护费用高软件结构节省费用 虚拟仪器与传统仪器的比较三、虚拟仪器的组成虚拟仪器是具有虚拟仪器面板的个人算机仪器。它是由个人计算机、硬件和应用软件三大部分组成。31 个人计算机一台PC机或工作站。32 硬件在虚拟仪器中完成数据采集 提供信号源、控制信号以及与计算机相连都需要一些必不可少的硬件。目前NI为用户提供了丰富的硬件有：插入式数据采集产品、信号调理产品、GPIB控制产品、VXI控制产品、Fidd现场总线产品等等。其中较为常用的虚拟仪器是由数据采集系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。下面介绍硬件构成的最基本的三种方案。A、基于数据采集系

12、统上的虚拟仪器系统组建方案通过A/D转换将模拟、数字信号采集到计算机进行分析、处理、显示等，并可通过D/A转换实现反馈控制。它还可以根据需要加入信号调理等硬件模块，这是现在比较常用的一种方案。B、由GPIB仪器控制的虚拟仪器系统组建方案一个典型的GPIB测量系统由一台PC机、一块GPIB接口板和若干台GPIB仪器通过标准GPIB电缆连接起来组成大型的自动化仪器测量系统。在标准情况下，一块GPIB接口板卡可带多述l4台仪器，电缆长度可达20米。利用GPIB扩展技术，一个GPIB自动测量系统的规模无论是仪器数量还是距离都可以进一步扩展。C、由VXI仪器控制的虚拟仪器系统组建方案VXI总线是一种高速

13、计算机总线。由于它的标准开放、结构紧凑、具有数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂商支持等优点，VXI系统的组建和使用越来越方便，应用面越来越广，尤其是在组建大中规模自动测量测试系统以及对速度精度要求较高的场台，有着其它仪器无法比拟的优势。因此VXI是虚拟仪器发展的一个热门方向。33 软件软件是虚拟仪器的关键。目前软件编程方法已从原来的BASIC、C语言、Visual BASIC和LabWindows向可视图形化编程语言发展。所谓可视图形化编程语言是指把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用菜单式图标提示的方法选择功能，并用线条把各种功能(图形)连接起来的简单图形编程方式。它的

14、优点有：易于集成；具有高效率；可快速建立操作者界面；具有多种显示和控制；易于使用者理解维护；查错方便；节省80 的开发时间等。特别对于其他相关专业知识掌握不多的人，不需要掌握其内部细节就可以使用。目前使用较多的软件是NI公司的LabVIEW 、LabWindowsCVI和HP公司的VEE软件开发平台。在1996年中国VXI应用技术大会上，对于“开发软件是选择LabVIEW，还是选择VEE好?”的问题,回答几乎是一样的：都可以。实际上，几乎每个用户都仍然要花费大量人力、物力、财力四处调研总想搞清楚自己究竟该选哪一种。为什么要选这一种?所以，在如何选择软件开发平台上希望专家们进一步探讨研究，尽早给

15、用户一个准确的答案。通过对别人的研究和实际应用中得到一个结论：软件的选择应与硬件相对应。如果系统所用模块仪器是HP公司的一般用VEE；如果系统用多厂家产品集成，且是单机箱，一般用LahVIEW；如果系统用多厂家产品集成，且是多机箱则一般用LahWindowsCVl。四、虚拟仪器分析虚拟仪器和其他的测试系统一样，都包括信号检测、信号输入、信号输出、信号存储、信号处理、信号显示和人机交互几个部分。作为仪器，信号检测的精度是其灵敏度的决定性因素。模块化的IO硬件及各种标准接口是信号检测、信号输入、信号输出的基础，是虚拟仪器的一个关键技术。软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。软件不仅完成与各种软硬件的连

16、接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。因此，软件技术是虚拟仪器的最关键技术。软件技术包括了软件系统的开发、运行和维护的技术。其核心内容是高效的运行模型及其支撑机制，有效的开发方法学及其支撑机制。虚拟仪器的软件设计主要包括仪器面板软件设计和仪器功能软件设计。随着网络技术的发展与应用，网络化的虚拟仪器也应运而生。人们可以通过Intemet进行远程测量、控制和现场监视功能，虚拟仪器可以通过网络构成自动测试系统。因此，网络技术和网络化虚拟仪器也是虚拟仪器的一个关键技术。为了实现测试系统的互连互换和标准化，NI等著名仪器厂商发起的VXI plug&pla

17、y(VPP)联盟提出了一系列VPP技术标准，包括测试系统框架、仪器驱动器(Instrument Driver，或译为仪器驱动程序)、软面板、VISA(virtual Instrument Software Architecture，虚拟仪器软件结构)、部件知识库等规范。IVI基金会(Interchangeable Virtual Instrument Foundation)将VPP规范中的虚拟仪器软件结构(VISA)中的标准IO接口的概念扩展到仪器级的互操作性上，提出了标准化的仪器类驱动器(Class Driver)概念。NI引入了属性、类等面向对象的概念。按仪器类划分、抽取和规范同类仪器具有

18、共性的功能作为仪器类驱动函数。五、 虚拟仪器技术展望虚拟仪器技术的发展紧跟时代主流，其随着PC机飞速发展的步伐而前进，其发展方向及重点主要有以下几个方面：A、速度越来越快虚拟仪器的主控器不断更新换代，其运行速度也在飞速提高，目前最流行的主控器是奔腾MMX型。B、结构越来越紧凑由主控器内嵌式组建的虚拟仪器系统比以往其他的结构紧凑，而由PXI机箱组建的则比VXI机箱组建的虚拟仪器结构更为紧凑。C、性能价格比越来越高由VXlpc一740组建的虚拟仪器系统与由VXlpe一850组建的虚拟仪器系统相比，其功能相当，而前者的价格只有后者的三分之一；D、接口功能越来越完善虚拟仪器系统主控器的接口从提供完备的

19、高性能外围接口到目前已能够提供完备的网络接口功能，这项功能的不断完善必将在未来的虚拟仪器系统网络中起主要作用。E、系统的配置方案更加经济、实用虚拟仪器系统可以从仪器情况、要求的传输速率、运用的具体场合、价格等诸多方面考虑选择合适的配置方案。总之，从NI公司提出虚拟仪器的概念到如今，虚拟仪器技术一直在向更快、更紧凑、更经济、更方便、更实用的方向发展。六、虚拟仪器技术在实际应用中需解决的技术问题在实际组建一套虚拟仪器系统时有很大的技术难度，主要有以下几个方面：A、首先必须研究消化虚拟仪器系统设计的标准或规范。B、在理解有关的标准和规范之后，要解决VXI总线接口设计的技术问题。C、要解决虚拟仪器系统

20、中若干种专用模块接口及测量电路的软硬件设计关键技术。D、要榔决虚拟仪器系统中各种虚拟面板的设计难题。E、要依照实际工作的测试流程，解决复杂的系统应用测控软件设计难题。七、结束语PC机和VXI是目前虚拟仪器硬件平台的两种主要结构形式。软件是虚拟仪器的核心，是集成系仪器的基础。虚拟仪器统作为电子测量仪器发展过程中出现的最新高峰，有着极其广阔的发展前景。它的出现为国家各个行业科研的发展提供了更新式的测试手段，尤其在国防建设领域中，它更有其得天独厚的优势，是目前任何仪器都不能替代的先进的自动测试系统。所以，虚拟仪器将以其卓越的性能在我国的测试行业得到广泛应用。虚拟仪器是智能仪器和计算机技术发展的结果。

21、其充分利用计算机的资源，利用显示器和GUI作为测试系统操作控制和显示面板，提供强大而灵活的测试分析和控制功能。利用虚拟仪器技术可以完成各种测试、测量和自动化控制的应用。虚拟仪器是测试系统的重要发展方向。本文系统地介绍了虚拟仪器枝术，分析了虚拟仪器的组成、优点及发展方向，并指出在实际组建虚拟仪器系统时需解决的枝术问题。八、参考文献【1】宋国明.虚拟仪器测试技术应用综述J.航空计测技术,2002,22(5).【2】廖开俊,刘志飞.虚拟仪器技术综述J.国外电子测量技术,2006,25(2)【3】高向东.虚拟仪器技术综述J.中国计量,2004【4】黄剑.虚拟仪器技术及应用综述J.计量与测试技术,2010,37(4)【5】刘金宁,孟晨. 虚拟仪器驱动器综述J.电子技术应用,2005,(7)【6】周继勇,刘斌.虚拟仪器的网络化技术综述J. 通信与信息技术,2003,(6)【7】韩钢,郗莹. 虚拟仪器技术