计算机在测控领域的应用——虚拟仪器

　　1　引 言

　　随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司(National Instruments Corporation，简称NI)在20世纪80年代最早提出虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)的概念。虚拟仪器这种计算机操纵的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同和应用，国内近几年的应用需求急剧高涨。因此，虚拟仪器的产生是测控领域的一次革命。

　　2　虚拟仪器的基本概念、特点及其构成

　　所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。简而言之VI系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。用户可以通过友好的图形界面(这里称作虚拟前面板)操作计算机，如同操作功能相同的单台传统仪器一样。虚拟仪器具有以下特点：

　　①　在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。

　　②　仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。

　　③　仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器。

　　④　研制周期较传统仪器大为缩短。

　　⑤　虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联。

　　与传统非数字化仪器相比，虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵活以及其开放性。

　　虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡(DAQ)、串/并口、IEEE488接口(GPIB)卡、VXI控制器以及其它接口卡。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。在这里，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。

　　2.1　虚拟仪器的硬件构成

　　如图2—1所示，虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种：

　　(1)基于数据采集的虚拟仪器系统

　　这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)相结合，通过A/D变换将模拟、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。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。