一、什么是虛擬儀器?                        

   一套虛擬儀器系統就是一臺工業(yè)標準計算機或工作站配上功能強大的應用軟件、低成本的硬件(例如插入式板卡)及驅動(dòng)軟件，他們在一起共同完成傳統儀器的功能。以軟件為主的測量系統充分利用了常用臺式計算機和工作平臺的計算、顯示和互聯(lián)網(wǎng)等諸多用于提高工作效率的強大功能。軟件是在功能強大的硬件基礎上創(chuàng )建虛擬儀器系統的真正關(guān)鍵所在。虛擬儀器可使用相同的硬件系統，通過(guò)不同的軟件就可以實(shí)現功能*不同的各種測量測試儀器，即軟件系統是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器，因此可以說(shuō)“軟件即儀器”。虛擬儀器代表著(zhù)從傳統硬件為主的測量系統到以軟件為中心的測量系統的根本性轉變。有了虛擬儀器，用戶(hù)就可以*根據自己的需求組建測量和自動(dòng)化系統，而不用再受功能固定(*由廠(chǎng)家提供)的傳統儀器的限制。

二、虛擬儀器和傳統儀器的比較

   獨立的傳統儀器，例如示波器和波形發(fā)生器，性能強大，但是價(jià)格昂貴，且被廠(chǎng)家限定了功能，只能完成一件或幾件具體的工作，因此，用戶(hù)通常都不能夠對其加以擴展或自定義其功能。儀器的旋鈕和開(kāi)關(guān)、內置電路及用戶(hù)所能使用的功能對這臺儀器來(lái)說(shuō)都是固定的。另外，開(kāi)發(fā)這些儀器還必須要用專(zhuān)門(mén)的技術(shù)和高成本的元部件，從而使它們身價(jià)頗高且很不容易更新。

   基于PC機的虛擬儀器系統，誕生以來(lái)就充分利用了現成即用的PC機所帶來(lái)的科技。這些科技和性能上的優(yōu)勢迅速縮短了獨立的傳統儀器和PC機之間的距離，包括功能強大的處理器（如Pentium4)、操作系統及微軟Windows XP、NET技術(shù)和Apple Mac OSx。除了融合諸多功能強大的特性，這些平臺還為用戶(hù)提供了簡(jiǎn)單的聯(lián)網(wǎng)工具。此外，傳統儀器往往不便隨身攜帶，而虛擬儀器可以在筆記本電腦上運行，充分體現了其便攜特性。

   需要經(jīng)常變換應用項目和系統要求的工程師和科學(xué)家們需要有非常靈活的開(kāi)發(fā)平臺以便創(chuàng )建適合自己的解決方案?？梢允褂锰摂M儀器以滿(mǎn)足特定的需要，因為有安裝在PC機上的應用軟件和一系列可選的插入式硬件，無(wú)需更換整套設備，即能完成新系統的開(kāi)發(fā)。

1、靈活性

   除了的元件和電路，獨立式傳統儀器的基本框架其實(shí)類(lèi)似于基于PC機的虛擬儀器。兩者都需要一個(gè)或多個(gè)微處理器、通訊端口(如串口、GPIB接口)、顯示功能及數據采集模塊。其根本區別在于兩者不同的靈活性，用戶(hù)是否能夠根據各自不同的要求對其進(jìn)行修改和擴展。一臺傳統儀器可能包括一套集成電路用于實(shí)現特定的數據處理功能；而在虛擬儀器中，只需在PC處理器上運行軟件程序即可實(shí)現這些功能，而且，還可以簡(jiǎn)單地對這些功能加以擴展，只是會(huì )受軟件功能大小的限制。

2、低價(jià)位

   使用虛擬儀器解決方案，可以大幅降低資金投入、系統開(kāi)發(fā)成本和系統維護成本，同時(shí)還為用戶(hù)加快產(chǎn)品上市時(shí)間并提高產(chǎn)品質(zhì)量。

三、儀器的分類(lèi):    (什么是虛擬儀器?  )                                                                                                    

虛擬儀器的發(fā)展隨著(zhù)微機的發(fā)展和采用總線(xiàn)方式的不同，可分為五種類(lèi)型：

1、PC總線(xiàn)——插卡型虛擬儀器

   這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與的軟件如LabVIEW相結合（注：美國NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過(guò)各種控件自已組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供的編程工具，通過(guò)三種編程語(yǔ)言VisualC++,VisualBasic,Labviews/cvi構成測試系統，它充分利用計算機的總線(xiàn)、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線(xiàn)限制，且有電源功率不足，機箱內部的噪聲電平較高，插槽數目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線(xiàn)的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線(xiàn)的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。

2、并行口式虛擬儀器

   發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數字萬(wàn)用表、功率計、程控穩壓電源、數據記錄儀、數據采集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的zui大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機相連，實(shí)現臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門(mén)和各種教學(xué)實(shí)驗室應用。

3、GBIB總線(xiàn)方式的虛擬儀器

   GPIB技術(shù)是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現使電子測量獨立的單臺手工操作向大規模自動(dòng)測試系統發(fā)展，典型的GPIB系統由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過(guò)GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長(cháng)度可達40米。GPIB技術(shù)可用計算機實(shí)現對儀器的操作和控制，替代傳統的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來(lái)，形成自動(dòng)測量系統。GPIB測量系統的結構和命令簡(jiǎn)單，主要應用于臺式儀器，適合于度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時(shí)應用。

4、VXI總線(xiàn)方式虛擬儀器

   VXI總線(xiàn)是一種高速計算機總線(xiàn)VME總線(xiàn)在VI領(lǐng)域的擴展，它具有穩定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標準開(kāi)放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時(shí)和同步、模塊可重復利用、眾多儀器廠(chǎng)家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，VXI系統的組建和使用越來(lái)越方便，尤其是組建大、中規模自動(dòng)測量系統以及對速度、精度要求高的場(chǎng)合。有其他儀器*的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線(xiàn)要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。

5、PXI總線(xiàn)方式虛擬儀器

   PXI總線(xiàn)方式是PCI總線(xiàn)內核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線(xiàn)的技術(shù)規范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線(xiàn)，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線(xiàn)。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個(gè)擴展槽，而臺式PCI系統只有3~4個(gè)擴展槽，通過(guò)使用PCI—PCI橋接器，可擴展到256個(gè)擴展槽，臺式PC的性能價(jià)格比和PCI總線(xiàn)面向儀器領(lǐng)域的擴展優(yōu)勢結合起來(lái)，將形成未來(lái)的虛擬儀器平臺。

四、虛擬儀器的發(fā)展過(guò)程

1、GPIB→VSI→PXI總線(xiàn)方式（適合大型高精度集成系統）GPIB于1978年問(wèn)世，VXI于1987年問(wèn)世，PXI于1997年問(wèn)世。

2、PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價(jià)系統，有廣闊的應用發(fā)展前景）PC插卡式于80年代初問(wèn)世，并行口方式于1995年問(wèn)世，串口USB方式于1999年問(wèn)世。

   綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個(gè)重要因素。①計算機是載體,②軟件是核心③高質(zhì)量的A/D采集卡及調理放大器是關(guān)鍵。

五、LabVIEW的簡(jiǎn)單介紹

   LabVIEW是NI公司提供的行業(yè)標準圖形化編程軟件，它不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續數據處理能力，設置數據處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶(hù)。LabVIEW是創(chuàng )建虛擬儀器系統的理想工具，它為用戶(hù)提供的zui有力的特性就是圖形化的編程環(huán)境。用戶(hù)可以使用LabVlEW在電腦屏幕上創(chuàng )建一個(gè)圖形化的用戶(hù)界面，即可設計出*符合自己要求的虛擬儀器。通過(guò)這個(gè)圖形界面，可以：

• 操作儀器程序
  • 控制硬件
    • 分析采集到的數據
      • 顯示結果

         用戶(hù)可以使用旋鈕、開(kāi)關(guān)、轉盤(pán)、圖表等自定義前面板，用以代替傳統儀器的控制面板、創(chuàng )建自制測試面板，或圖形化表示控制和操作過(guò)程。標準流程圖和圖形化程序圖的相似性使得它不象基于文本的傳統語(yǔ)言那樣難學(xué)，從而大大縮短了用戶(hù)的整個(gè)學(xué)習過(guò)程。只需將各個(gè)圖標連在一起創(chuàng )建各種流程圖表，即可完成虛擬儀器程序的開(kāi)發(fā)，而這也正好符合用戶(hù)的原始設計理念。利用圖形化編程，在保持系統的功能與靈活性的同時(shí)，能大大加快開(kāi)發(fā)速度。

         LabVlEW帶有現成即用的函數庫，用戶(hù)可以用它集成各種獨立臺式儀器、數據采集設備、運動(dòng)控制和機器視覺(jué)產(chǎn)品、GPIB／IEEE488和串口／RS-232設備、PLCS等，從而開(kāi)發(fā)出一套完整的測量和自動(dòng)化解決方案。LabVIEW還包含了主要的儀器標準如VISA-GPIB、串口和VXI儀器可共用標準；PXI和基于PXI系統聯(lián)盟CompactPCI標準的軟硬件：IVI可互換虛擬儀器驅動(dòng)程序；VXIPlug&Play；VXI儀器標準驅動(dòng)程序。

         大部分計算機使用的都是微軟公司的Windows系列操作系統。LabVIEW它可運行在Windows2000，NT，XP，Me，98，95和嵌入式NT環(huán)境下，同時(shí)還支持Mac OS，SunSolaris與Linux。通過(guò)LabVlEW實(shí)時(shí)(LabVIEWReal．Time)模塊，LabVIEW還能夠編譯代碼，讓程序在VenturComETS實(shí)時(shí)操作系統中運行。LabVlEW是獨立于平臺的，在一種環(huán)境下編寫(xiě)的虛擬儀器程序(簡(jiǎn)稱(chēng)VI)，能夠透明地轉移到其他LabVIEW平臺上。用戶(hù)所需做的，只是在新環(huán)境下打開(kāi)這個(gè)Vl即可。LabVlEW應用程序能跨平臺使用，隨著(zhù)新計算機技術(shù)日新月異的發(fā)展，還可以輕而易舉地將您的應用程序移植到新平臺和操作系統中。另外，因為能開(kāi)發(fā)出的虛擬儀器程序能夠在不同平臺間移植、獨立于操作系統。

      六、USB簡(jiǎn)介　

         在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機對各種數據進(jìn)行采集。這其中有很多地方需要對各種數據進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等?，F在常用的采集方式是通過(guò)數據采集板卡，常用的有A/D卡以及422、485等總線(xiàn)板卡。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機箱內環(huán)境的干擾，而且由于受計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設備。     USB是通用串行總線(xiàn)（Universal AerialBus）的簡(jiǎn)稱(chēng)，USB的出現，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實(shí)現低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數據采集。USB是一些PC大廠(chǎng)商，如Microsoft、In等為了解決日益增加的PC外設與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標準，自1995年在Comdex上亮相以來(lái)至今已廣泛地為各PC廠(chǎng)家所支持?，F在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統都增加了對USB的支持。

      1、USB系統的構成
         USB系統主要由主控制器(Host Controller)、USB Hub 和USB外設(PeripheralsNode)組成系統拓撲結構。
      2、USB的主要優(yōu)點(diǎn)
      　?。?）速度快
          USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps，另外為了適應一些不需要很大吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設備，如鼠標等，USB還提供低速方式，速率為1.5Mb/s。
      　?。?）設備安裝和配置容易
      　　安裝USB設備不必再打開(kāi)機箱，加減已安裝過(guò)的設備*不用關(guān)閉計算機。所有USB設備支持熱拔插，系統對其進(jìn)行自動(dòng)配置，*拋棄了過(guò)去的跳線(xiàn)和撥碼開(kāi)關(guān)設置。
      　?。?）易于擴展
      　　 通過(guò)使用Hub擴展可撥接多達127個(gè)外設。標準USB電纜長(cháng)度為3m（5m低速）。通過(guò)Hub或中繼器 可以使外設距離達到30m。
      　?。?）能夠采用總線(xiàn)供電
           USB總線(xiàn)提供zui大達5V電壓、500mA電流。
      　?。?）使用靈活
          USB共有4種傳輸模式：控制傳輸(control)、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應不同設備的需要。
      3、USB與RS485
      　　傳輸距離是限制USB在工業(yè)現場(chǎng)應用的一個(gè)障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過(guò)幾十米，這對工業(yè)現場(chǎng)而言顯然是太短了?，F在工業(yè)現場(chǎng)有大量采用RS－485傳輸數據的采集設備。RS－485有其固有的優(yōu)點(diǎn)，即它的傳輸距離可以達到1200米以上，并且可以?huà)旖佣鄠€(gè)設備。其不足之處在于傳輸速度慢，采用總線(xiàn)方式，設備之間相互影響，可靠性差，需要板卡的支持，成本高，安裝麻煩等