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摘要：虚拟仪器技术是电子测量技术和计算机测控相结合的前沿技术，是当前的研究热点之一。本文重点阐述了虚拟仪器的基本原理、主要结构、性能特点和主要分类，比较分析了虚拟仪器与传统仪器性能特点上的异同，对虚拟仪器技术的应用及发展趋势做出了简要介绍与分析。 关键字：虚拟仪器；软件化； 软硬件设计; 应用前景 1.虚拟仪器简介 虚拟仪器(简称VI) 的概念最早是由美国国家仪器公司(简称NI) 于1986 年提出来的，这是对传统仪器概念上的重大突破。其基本原理是以计算机为硬件平台，使原来需要硬件实现的各种仪器功能尽可能地软件化，利用高效灵活的软件控制高性能的硬件来完成各种测试、测量和自动化的应用，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性，达到了 “软件就是仪器”的目的。 2.虚拟仪器的特点 跟传统仪器一样，虚拟仪器也包括信号的采集与控制、信号的分析和处理、处理结果的表达和显示三大基本功能。在传统仪器中，这三大功能的实现都是应用硬件来实现的，而硬件都是厂家生产，用户无法任意更改。因此，对传统仪器来说，其功能在出厂时就已经固定了。然而，虚拟仪器技术可以让用户体验到完全自定义的测量和自动化系统功能的灵活性，构建起满足特定需求的系统。 与传统仪器相比，虚拟仪器技术具有以下特点：功能强、性价比高、开放性好、虚拟仪器丰富和增强了传统仪器的功能，用户可以根据测量需要添加外部设备，实现相应的测量功能，也可以自定义便于构成复杂的测试系统，可实现“网络化虚拟仪器"。并且，虚拟仪器操作方便，通过图形用户界面实现人机交互，大大地提高工作效率。 2.1 虚拟仪器的基本结构 虚拟仪器由硬件设备与接口，设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。 2.1.1 虚拟仪器系统的硬件构成: 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展促进了虚拟仪器系统的快速发展。按照测控功能硬件的不同虚拟仪器主要可分为PC总线、串口总线、GPIB、VXI和PXI 5种标准体系结构.它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换，具体分类为： 1PC总线型：借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的虚拟仪器软件相结合，它可以通过各种控件组建各种仪器。 2GPIB总线型是IEEE-488标准的虚拟仪器早期的发展阶段.它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展. GPIB技术可用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,可以很方便地把多台仪器组合起来形成自动测量系统. 3串口总线型是可连接到计算机串行口的测试装置。它们把仪器硬件集成在一个采集盒内，仪器软件装在计算机上,通常可以完成各种测量测试仪器的功能,可以组成数字存储示波器、频谱分析仪等仪器. 4VXI总线型是一种高速计算机总线VME总线在虚拟仪器领域的扩展，它具有稳定的电源、强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽. 5PXI总线型是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求。以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI具有的高度可扩展性,与PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。 2.1.2虚拟仪器系统的软件构成 虚拟仪器的软件系统是虚拟仪器的核心。用户可以根据不同的测试任务，编制不同的测试软件，实现复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，由计算机的软硬件资源来完成传统仪器的功能。虚拟仪器系统的软件包括应用软件、仪器驱动软件和通用I/O接口软件3部分。应用软件根据其功能又分为仪器面板控制软件和数据分析处理软件。 3.虚拟仪器系统的设计过程 虚拟仪器系统的设计过程主要包括测试需求分析、系统总体方案设计、系统硬件设计、系统软件设计、系统集成 及系统调试等。 4.虚拟仪器技术的应用 虚拟仪器的发展是信息技术的一个主要领域。对科学技术的发展和国防、工业、农业的生产有着不可估量的影响。可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。 4.1机械工程测试技术中虚拟仪器的应用 在机械工程领域的日常工作中，常常要对机械 传动的性能、参数进行测试与分析。传统的测试一般要借助体积庞大、价格昂贵、功能相对简单的仪器完成，加之传统工程测试系统不能兼容和共享相关的软硬件资源，加大了测试成本，降低了测试数据的准确性。随着计算机技术、微电子和信息技术的发展，借助计算机可使传统仪器的功能更强大，不仅能改善传统仪器的性能，也可提升仪器系统与计算机的集成度。 软件部分主要是运用计算机将传统测试仪器的检测功能软件化，也就是将测试功能实施软件化设计。硬件部分是依据具体的测试要求把所用到的模块化硬件接口卡插入计算机总线槽中，再借助传感器和测量电路把测试对象与模块接口卡进行连接。这样一套完善的虚拟仪器测试系统方可形成。为充分展现虚拟仪器技术的优势，可以采用集成测试手段把多种传统仪器测试功能、面板控件等集成于同一软件平台上，使一台计算机成为多功能的工程检测仪器。由于部分硬加工转变为软加工，大大减少了资源、能源消耗，具有绿色环保的优点。 4.2分析仪器虚拟仿真教学平台建设 建立分析仪器的虚拟实验平台，使用者可以在理论知识的基础上，可以按照自己的想法在虚拟实验室平台上动手操作，而无需担心由于操作失误造成的仪器设备的损坏，或者由于操作 失误造成的安全事故。分析仪器虚拟实验室平台的建立，有利于培养和提高使用者的实践操作能力，分析判断能力、设计创作能力和创新意识。 将虚拟仿真所需要的相关资料，分析仪器标准操作示范图片，分析仪器实验室设备图片，动画素材，专家微课视频，等所有相关教学资源均上传到虚拟实验平台上，此平台对公众开放，使用者可以随时以自己的ＩＤ身份登录虚拟平台，在虚拟平台上进行操作演练，虚拟平台会使用者的操作演练进行评判打分，使用者可以实时的指导自己操作过程中的错误，并及时纠正。另外，通过互联网，使用者和专家可以通过此虚拟平台进行跨越时空的交流，方便涉及分析仪器不同行业的人士相互传授经验，解决问题。 4.3虚拟仪器在智能机器人实践课程中的应用 虚拟仪器的应用将复杂的电路、传感器等的设置问题转换成只需要懂得基本的算法设计思想和编程技能就可以操作机器人的问题，有效地降低了课程的入门门槛，增加了学生的学习信心。利用LabVIEW 平台将对各种仪器进行调试和运行获取数据的过程转变为各种控制单元，包括运动控制单元、传感器控制单元、语音控制单元以及视频控制单元等参数输入和结果获取的过程；将各种仪器的电路控制的过程转变为LabVIEW平台结构化连线的功能。这种将复杂问题分步解决的方式有利于问题的简化，大大提高学生实验的效率。利用LabVIEW 平台将各类信号的处理和识别转变为数据结构的设计和算法的优化问题，大幅提高计算机科学与技术学科知识的应用面。 5.虚拟仪器技术的展望 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。 展望未来，虚拟仪器将会有以下发展趋势： 5.1 标准化 目前，虚拟仪器的PCI、VXI、PXI 等技术规范已成功实现了标准化，但在触发方式、延时、同步、不同通道的共用时基等方面还未实现标准化，这将影响其在不同平台上的互换性和移植性，也将影响虚拟仪器软件模块的标准化。虚拟仪器的硬件结构将会继续朝着标准化、模块化的方向发展，模块式结构使测试系统体积不断减少、处理速度不断提高，从而使测试系统的小型化和微型化成为可能。 5.2 网络化 网络化是虚拟仪器的另一发展趋势。利用网络传输技术，将分布于不同位置的虚拟仪器、外部设备、被测试点、数据库等资源有效连接起来，克服了一般虚拟仪器将测试仪器的三大功能模块都局限在单一的计算机上的缺点，从而实现资源共享功能，共同完成测试任务。 5.3 软件开发平台的智能化 虚拟仪器的研究已经取得很多进展，但仍存在不少问题。首先，虚拟仪器的成功开发需要软件设计经验和仪器专业知识的有机结合，因此对普通用户来说，自己开发虚拟仪器还不太现实；其次，虚拟仪器的设计难度大、效率低，尽管ActiveX、COM 等技术可以在一定程度上提高了系统软件的可重用性，但在仪器设计时仍然需要编写大量代码才能将这些部件组合成一个完整的系统。最后，虚拟仪器的可重构性很差，用户若需要改变仪器的某些功能，必须要经过代码层次上的修改才能实现。采用人工智能技术提高虚拟仪器的可重构能力、降低虚拟仪器的设计难度，将会是虚拟仪器技术的又一发展方向。 结束语 虚拟仪器目前正在向功能综合化的多功能虚拟仪器库提高、精度和可靠性、方便操作、一键完成所需要的功能的方向发展。目前正蓬勃发展的新兴技术也成为推动虚拟仪器技术发展的新动力！虚拟仪器的出现是科技界、教学界和测试仪器制造界的一次具有深远意义的技术革命。
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