一、什么是虛擬儀器?                        

   一套虛擬儀器系統(tǒng)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)及驅動軟件，他們在一起共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。以軟件為主的測量系統(tǒng)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(tǒng)的真正關鍵所在。虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件就可以實現(xiàn)功能*不同的各種測量測試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器，因此可以說“軟件即儀器”。虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測量系統(tǒng)到以軟件為中心的測量系統(tǒng)的根本性轉變。有了虛擬儀器，用戶就可以*根據(jù)自己的需求組建測量和自動化系統(tǒng)，而不用再受功能固定(*由廠家提供)的傳統(tǒng)儀器的限制。

二、虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較

   獨立的傳統(tǒng)儀器，例如示波器和波形發(fā)生器，性能強大，但是價格昂貴，且被廠家限定了功能，只能完成一件或幾件具體的工作，因此，用戶通常都不能夠對其加以擴展或自定義其功能。儀器的旋鈕和開關、內(nèi)置電路及用戶所能使用的功能對這臺儀器來說都是固定的。另外，開發(fā)這些儀器還必須要用專門的技術和高成本的元部件，從而使它們身價頗高且很不容易更新。

   基于PC機的虛擬儀器系統(tǒng)，誕生以來就充分利用了現(xiàn)成即用的PC機所帶來的科技。這些科技和性能上的優(yōu)勢迅速縮短了獨立的傳統(tǒng)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(tǒng)及微軟Windows XP、NET技術和Apple Mac OSx。除了融合諸多功能強大的特性，這些平臺還為用戶提供了簡單的聯(lián)網(wǎng)工具。此外，傳統(tǒng)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(xiàn)了其便攜特性。

   需要經(jīng)常變換應用項目和系統(tǒng)要求的工程師和科學家們需要有非常靈活的開發(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，無需更換整套設備，即能完成新系統(tǒng)的開發(fā)。

1、靈活性

   除了的元件和電路，獨立式傳統(tǒng)儀器的基本框架其實類似于基于PC機的虛擬儀器。兩者都需要一個或多個微處理器、通訊端口(如串口、GPIB接口)、顯示功能及數(shù)據(jù)采集模塊。其根本區(qū)別在于兩者不同的靈活性，用戶是否能夠根據(jù)各自不同的要求對其進行修改和擴展。一臺傳統(tǒng)儀器可能包括一套集成電路用于實現(xiàn)特定的數(shù)據(jù)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現(xiàn)這些功能，而且，還可以簡單地對這些功能加以擴展，只是會受軟件功能大小的限制。

2、低價位

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

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

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

1、PC總線——插卡型虛擬儀器

   這種方式借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)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，通過三種編程語言VisualC++,VisualBasic,Labviews/cvi構成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內(nèi)無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。

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采集盒內(nèi)。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(shù)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(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)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，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學實驗室應用。

3、GBIB總線方式的虛擬儀器

   GPIB技術是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過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，電纜長度可達40米。GPIB技術可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結構和命令簡單，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應用。

4、VXI總線方式虛擬儀器

   VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應用。經(jīng)過多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器*的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。

5、PXI總線方式虛擬儀器

   PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3~4個擴展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。

四、虛擬儀器的發(fā)展過程

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

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

   綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素。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(diào)理放大器是關鍵。

五、LabVIEW的簡單介紹

   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(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設置數(shù)據(jù)處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶。LabVIEW是創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)的理想工具，它為用戶提供的zui有力的特性就是圖形化的編程環(huán)境。用戶可以使用LabVlEW在電腦屏幕上創(chuàng)建一個圖形化的用戶界面，即可設計出*符合自己要求的虛擬儀器。通過這個圖形界面，可以：

• 操作儀器程序
  • 控制硬件
    • 分析采集到的數(shù)據(jù)
      • 顯示結果

         用戶可以使用旋鈕、開關、轉盤、圖表等自定義前面板，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(tǒng)語言那樣難學，從而大大縮短了用戶的整個學習過程。只需將各個圖標連在一起創(chuàng)建各種流程圖表，即可完成虛擬儀器程序的開發(fā)，而這也正好符合用戶的原始設計理念。利用圖形化編程，在保持系統(tǒng)的功能與靈活性的同時，能大大加快開發(fā)速度。

         LabVlEW帶有現(xiàn)成即用的函數(shù)庫，用戶可以用它集成各種獨立臺式儀器、數(shù)據(jù)采集設備、運動控制和機器視覺產(chǎn)品、GPIB／IEEE488和串口／RS-232設備、PLCS等，從而開發(fā)出一套完整的測量和自動化解決方案。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(tǒng)聯(lián)盟CompactPCI標準的軟硬件：IVI可互換虛擬儀器驅動程序；VXIPlug&Play；VXI儀器標準驅動程序。

         大部分計算機使用的都是微軟公司的Windows系列操作系統(tǒng)。LabVIEW它可運行在Windows2000，NT，XP，Me，98，95和嵌入式NT環(huán)境下，同時還支持Mac OS，SunSolaris與Linux。通過LabVlEW實時(LabVIEWReal．Time)模塊，LabVIEW還能夠編譯代碼，讓程序在VenturComETS實時操作系統(tǒng)中運行。LabVlEW是獨立于平臺的，在一種環(huán)境下編寫的虛擬儀器程序(簡稱VI)，能夠透明地轉移到其他LabVIEW平臺上。用戶所需做的，只是在新環(huán)境下打開這個Vl即可。LabVlEW應用程序能跨平臺使用，隨著新計算機技術日新月異的發(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(tǒng)中。另外，因為能開發(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(tǒng)。

      六、USB簡介　

         在工業(yè)生產(chǎn)和科學技術研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機對各種數(shù)據(jù)進行采集。這其中有很多地方需要對各種數(shù)據(jù)進行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等?，F(xiàn)在常用的采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有A/D卡以及422、485等總線板卡。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計算機插槽數(shù)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（Universal AerialBus）的簡稱，USB的出現(xiàn)，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實現(xiàn)低成本、高可靠性、多點的數(shù)據(jù)采集。USB是一些PC大廠商，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上亮相以來至今已廣泛地為各PC廠家所支持?，F(xiàn)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(tǒng)都增加了對USB的支持。

      1、USB系統(tǒng)的構成
         USB系統(tǒng)主要由主控制器(Host Controller)、USB Hub 和USB外設(PeripheralsNode)組成系統(tǒng)拓撲結構。
      2、USB的主要優(yōu)點
      　?。?）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時性的設備，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設備不必再打開機箱，加減已安裝過的設備*不用關閉計算機。所有USB設備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進行自動配置，*拋棄了過去的跳線和撥碼開關設置。
      　　（3）易于擴展
      　　 通過使用Hub擴展可撥接多達127個外設。標準USB電纜長度為3m（5m低速）。通過Hub或中繼器 可以使外設距離達到30m。
      　?。?）能夠采用總線供電
           USB總線提供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(xiàn)場應用的一個障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過幾十米，這對工業(yè)現(xiàn)場而言顯然是太短了?，F(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場有大量采用RS－485傳輸數(shù)據(jù)的采集設備。RS－485有其固有的優(yōu)點，即它的傳輸距離可以達到1200米以上，并且可以掛接多個設備。其不足之處在于傳輸速度慢，采用總線方式，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