［摘　要］介绍了虚拟仪器这一新技术在计算机测控领域中的应用，描述了建立虚拟仪器的一般过程、特点与关键技术，并对国际上几种著名的虚拟仪器开发平台软件作了评述。

［关键词］　测控系统；虚拟仪器；软硬件

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。

（2）基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统

GPIB（General Purpose Interface Bus）仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用GPIB接口卡将若干GPIB仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易。它可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。利用GPIB技术，可由计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可预先编制好测试程序，实现自动测试，提高了测试效率。

（3）利用VXI总线仪器实现虚拟仪器系统

VXI（VMEbus ExtensionforInstrumentation）总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。VXI总线是一种高速计算机总线———VME（VersaModule Eurocard）总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、结构紧凑、使用方便灵活，已越来越受到重视。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。

（4）基于串行口或其它工业标准总线的系统

将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。将带有RS－232总线接口的仪器作为I／O接口设备通过RS－232串口总线与PC计算机组成虚拟仪器系统，目前仍然是虚拟仪器的构成方式之一。当今，PC计算机已更多地采用了USB总线和IEEE1394总线。

2．2　虚拟仪器的软件体系构成

构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键。没有一个优秀的控制分析软件，很难构成一台理想的虚拟仪器系统。根据VPP（VXIPlug＆Play）系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构