太原科技大学本科生毕业论文
第一章：绪论
1．1 虚拟仪器概述
1．1．1 虚拟仪器的产生
虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能一起和虚拟仪器。第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。第二代数字化仪器，这类仪器现在相当普遍，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，可能代替部分脑力老公，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全部都是以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是现在计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，其导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。
虚拟仪器（Virtual Instruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（National Instruments Corp.简称NI）于1986年提出的。NI公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。
1．1．2 虚拟仪器的概念
虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处
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唐小清：基于LABVIEW的虚拟示波器设计
理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）的测试能力和控制能力结合起来。虚拟一起突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。
虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。
1．1．3 虚拟仪器的构成
虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，或已GPIB，VXI，Serial和Field bus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图1.1所示。
显示器 入机接口 信号分析及处理器 各类接口 A/D转换器 数据发生器 信号 输入 信号调理器 信号调理器 D/A转换器 信号调理器 信号 输出
图1-1 虚拟仪器的结构
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目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种： （1） PC-DAQ插卡式的VI
这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于A/D转换技术。这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于PC的工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人计算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适用于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。 （2） 并行口式的VI
最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI功能。它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC相连，实现台式和便携式两用，非常方便。
（3） GPIB总线方式的VI
GPIB（General Purpose Interface Bus）技术是IEEE488标准的VI早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台的手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。
GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便的把多台机器组合起来，形成大的自动测试系统。GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。 （4） VXI总线方式的VI
VXI总线是VMEbus eXtension for Instrumentation的缩写，是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但VXI系统要求有专用的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
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（5） PXI总线形式的VI
PXI总线是PCI eXtension for Instrumentation 的缩写，是PCI在VI领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。 （6） 网络接口方式的VI
尽管Internet 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已经开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络。利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN（Measurement and Control Networks ）方面的标准正在积极进行，并取得一定的进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。 （7） USB接口方式的VI
Universal Serial Bus（USB）因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB2.0高达480Mbits/s的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。现在计算机上的USB接口越来越多，也使得工程师可以很方便的将基于USB的测量仪器连接到整个系统中。但是USB在仪器控制方面上亦有一些缺点。比如说USB的排线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失，此外，USB对排线的距离也有一定的限制。
无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑，台式微机和工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。
1.1.4 虚拟仪器的优点
一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方面有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多用、可重复开发等。与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下几个优点：
（1）融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。
（2）利用计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件话，节省了物质资源，增加了系统的灵活性；一方面，通过软件技术和相应的数值算法、实时、直
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接的对测量数据进行各种分析和处理；另一方面，通过图形用户界面（Graph User Interface）技术，真正做到界面友好，人机交互。
（3）基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系统的尺寸，可方便的构建模块化仪器（Instrument on a Card）。
（4）基于计算机网络技术和接口技术，使VI系统具有方便、灵活的互联能力，广泛支持诸如CAN，Field Bus，PROFIBUS等各种工业总线标准。因此，利用VI技术可方便的构建自动测试系统（ATS，Automatic Test System），实现测量、控制过程的网络化。
（5）基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要选择不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建和维修的时间。
下表是虚拟仪器与传统仪器的比较。
表1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器 传统仪器 封闭性、仪器间相互配合较差 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展 关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载升关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上门级程序即可。 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高 用户可定义仪器功能 服务。 价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 只有厂家能定义仪器功能 与其他设备仪器的连接十分有限 开发和维护开销高 技术更新周期长（5-10年） 数据无法编辑 可以与网络及周边设备方便互连 软件使得开发和维护费用降至最低 技术更新周期短（1-2年） 数据可编辑、存储、打印 1．2 虚拟仪器的现状
1．2．1 国外虚拟仪器的现状
虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（NI公司）为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯福坦大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。
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