虚拟仪器技术的研究与应用

介绍了虚拟仪器的国内外发展现状、种类和结构，并且以虚拟示波器为例，介绍了虚拟仪器在高职电类教学中的应用。

【关键词】虚拟仪器 LabVIEW 软件体系 仪器硬件 虚拟示波器

随着现代科学技术和现代工业生产的发展，对电子测量和仪器技术的要求不断提高。而以计算机技术为代表的现代科学技术在进步，催生出一种新的测试仪器——虚拟仪器。它是仪器技术与计算机技术的完美结合，能够快速、方便的组建各种自动测试系统，进行信号分析、数据处理、图形化显示等。

1 虚拟仪器的概念与国内外发展现状

虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是电子测量技术与计算机技术深层次结合的产物，也是最具有发展前景的电子仪器之一。与传统电子仪器相比，虚拟仪器通用性更强，比如要求仪器的性能或功能发生变化时，虚拟仪器比传统电子仪器更为灵活、经济、实用，这顺应了目前对测量技术和仪器的更高要求。

早期的虚拟仪器技术主要应用于军事、航空、航天等领域和科研场所，现在已经越来越多地出现在工厂及其他民用场合。世界各国的虚拟仪器公司开发出不少虚拟仪器开发平台软件，比较具有影响力的开发软件是美国国家仪器公司（NI）的LabVIEW、LabWindows/CVI，它已成为业界公认的权威。

2 虚拟仪器的种类

2.1 插卡型虚拟仪器

插卡型虚拟仪器利用了PC机的总线、机箱、电源等，将数据采集卡插入计算机内，然后借助专用软件，如LabVIEW等，通过各种控件组建自己需要的仪器。但这种类型的虚拟仪器有其缺点，如电源功率不足，机箱内无屏蔽等，此外它要还受PC总线的限制。

2.2 并行口式虚拟仪器

随着并行口技术的发展，出现了越来越多的并行口测试装置。装置的硬件集成在一个盒子里，相对应的软件安装在计算机上。各种测量测试仪器的功能由软件来模拟完成。例如，在学校教学过程中或科研部门研发中，常用到的波形发生器、存储示波器、数字万用表、数据记录仪、数据采集器、频谱分析仪等。它的灵活性、经济性，使它的应用越来越广泛。

2.3 通用接口总线（GPIB）方式的虚拟仪器

相较于前两种虚拟仪器，GPIB技术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技术能将多台（不大于15台）仪器组合起来，从而组成一个自动测量系统。该测量系统由计算机取代人，实现对仪器的操作和控制。使用GPIB方式的虚拟仪器，适合于精确度要求高，但对高速传输无特别要求的场所。

2.4 VXI总线方式虚拟仪器

VXI总线是VME总线在VI领域的扩展，是计算机操纵的模块化自动仪器系统。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、VXI仪器的互换性和互操作性，得到世界范围内多个仪器厂家的支持。其缺点是，需要有为嵌入模块提供安装环境的机箱及0槽管理器，故造价较高。

2.5 PXI总线方式虚拟仪器

PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，PXI是PCI在仪器邻域的扩展。PXI具有8个扩展槽（1个系统槽7个仪器模块槽），可扩展到256个扩展槽。台式PC的性能价格比和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。

3 虚拟仪器的构成

虚拟仪器系统是由计算机、软件和仪器硬件组成的。

3.1 软件体系

虚拟仪器的软件体系有三部分，分别为VISA库、仪器驱动程序、应用软件。VISA（Virtual Instrumentation software Architecture）实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。是计算机与仪器标准软件通信接口；仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集，仪器厂商常以源码的形式提供给用户；应用软件直接面对用户，要求能提供直观友好的测控操作界面，具备可靠的数据分析与处理功能，并能完成测试任务。如NI公司的LabVIEW 和Lab windows/CVI等。

3.2 仪器硬件

硬件是指获得测试数据的各种硬件I/O 接口设备，大致可分为4 类：DAQ、GPIB、VXI、PXI，因此组成了4 种虚拟仪器体系结构。无论哪种结构，都是将硬件仪器嵌入到计算机平台上，再安装上相对应的应用软件而构成的。因而，虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展步伐完全同步。

4 教学应用

在教学中常用到示波器，可以用数据采集卡和来实现一个虚拟示波器。采用“基本函数发生器”模块作为正弦波.方波.三角波信号的生成单元，当程序运行起来后，先进行通道选择，然后用“按钮”进行三种信号波形选择，再调节信号的“扫描频率”、“幅值”以求达到所需的信号，整个过程需通过波形图控件来显示产生的波形，然后通过配备DAQ采集卡，输出信号。整个过程需通过波形图控件来显示采集到的信号。效果如下图：

使用该虚拟示波器，可以完成电压、电流的波形的测量，其测量过程与真实仪器几乎无异。只要有计算机，几乎可以完成所有仪器的测量，不仅缓解了学生多仪器少的矛盾，而且可以实现减少设备采购量，甚至不用担心设备损坏及磨损等问题。不受硬件设备的限制，学生可以完成更多实验，并取得与硬件设备相同的体验，极大的提高了效率，降低了成本。

虚拟仪器在現代电子测量中将占据着越来越重要的地位。随着计算机、网络技术的发展，虚拟仪器技术凭借其低成本、易维护、应用范围广、灵活性强的特点，将会在教学、科研、生产等各个领域发挥越来越重要的作用。

参考文献

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[2]汪敏生.LabVIEW基础教程[M].北京：电子工业出版社，2002：1-5.

[3]白洁，刘君华，申忠如.虚拟仪器实验教学的探讨与实践[J].电气电子教学学报，2001（6）76-78.

作者单位

湖北襄阳汽车职业技术学院 湖北省襄阳市 441021