引言：測試與測量是人類認(rèn)識客觀世界的最基本方法，而儀器是實(shí)現(xiàn)測試與測量的工具。儀器伴隨著人類科學(xué)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，成為一切科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，隨著虛擬儀器的出現(xiàn)，為世界儀器產(chǎn)業(yè)注入了新鮮血液并徹底改寫了測試測量產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局。

美國NI公司于上世紀(jì)80年代中期提出了全新概念的儀器—虛擬儀器，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革。虛擬儀器是基于計算機(jī)的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器，邏輯分析儀，信號發(fā)生器，頻譜分析儀等；可集成于自動控制，工業(yè)控制系統(tǒng)；可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。

它由計算機(jī)，應(yīng)用軟件和儀器硬件組成。無論哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺式PC或工作站等各種計算機(jī)平臺（甚至可以是掌上電腦）加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。

虛擬儀器的三大組成部分

1.高效的軟件

軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過調(diào)用特定的程序模塊，工程師和科學(xué)家們可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面。擁有了功能強(qiáng)大的軟件，就可以在儀器中創(chuàng)建智能性和決策功能，從而發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在測試應(yīng)用中的強(qiáng)大優(yōu)勢。

2.模塊化的I/O硬件

面對如今日益復(fù)雜的測試測量應(yīng)用，無論是使用PCI， PXI， PCMCIA， USB或者是IEEE 1394總線，都能提供相應(yīng)的模塊化硬件產(chǎn)品，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集及信號調(diào)理、模塊化儀器、機(jī)器視覺、運(yùn)動控制、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊，應(yīng)有盡有。

3.用于集成的軟硬件平臺

虛擬儀器通過軟件將計算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計算機(jī)強(qiáng)大的計算處理能力和儀器硬件的測量，控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器，由于計算機(jī)性能以摩爾定律飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋到后面，并給虛擬儀器生產(chǎn)廠家不斷帶來較高的技術(shù)更新速率。

測量儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用PC機(jī)的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機(jī)組成測量儀器。

在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。可見，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件就是儀器。

傳統(tǒng)的儀器主要在儀器技術(shù)中用了某種計算機(jī)技術(shù)，而虛擬儀器則強(qiáng)調(diào)在通用的計算機(jī)技術(shù)中吸收儀器儀表技術(shù)。由于微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子工業(yè)測量技術(shù)與儀器儀表上的應(yīng)用，新的測試?yán)碚摗⑿碌臏y試方法、新的測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念。

作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴(kuò)展性和升級性，能為用戶帶來極大的利益，因此，具有傳統(tǒng)的智能儀器所無法比擬的應(yīng)用前景和市場。

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虛擬儀器應(yīng)用

目前虛擬儀器已得到了廣泛應(yīng)用，并成為當(dāng)前國內(nèi)外測試技術(shù)領(lǐng)域十分關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)。

制造業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，不僅為設(shè)計和測試測量技術(shù)帶來了新一輪的革新與挑戰(zhàn)，更使如何高效優(yōu)質(zhì)地解決智能制造核心技術(shù)互聯(lián)互通的測試問題，顯得非常迫切和必要。在電子信息產(chǎn)業(yè)升級換代的過程中，測試測量行業(yè)的發(fā)展充當(dāng)著重要角色。

隨著計算機(jī)技術(shù)在測繪系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的儀器設(shè)備缺乏相應(yīng)的計算機(jī)接口，因而配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理十分困難。而且，傳統(tǒng)儀器體積相對龐大，多種數(shù)據(jù)測量時常感到捉襟見肘，手足無措。我們常見到硬件工程師的工作臺上堆砌著紛亂的儀器，交錯的線纜和繁多待測器件。然而在集成的虛擬測量系統(tǒng)中，我們見到的是整潔的桌面，條理的操作，不但使測量人員從繁復(fù)的儀器堆中解放出來，而且還可實(shí)現(xiàn)自動測量、自動記錄、自動數(shù)據(jù)處理。其方便之極固不必多言，而設(shè)備成本的大幅降低卻不可不提。一套完整的實(shí)驗(yàn)測量設(shè)備少則幾萬元，多則幾十萬元。在同等的性能條件下，相應(yīng)的虛擬儀器價格要低二分之一甚至更多。虛擬儀器強(qiáng)大的功能和價格優(yōu)勢，使得它在儀器計量領(lǐng)域具有很強(qiáng)的生命力和十分廣闊的前景。

在專用測量系統(tǒng)方面，虛擬儀器的發(fā)展空間更為廣闊。環(huán)顧當(dāng)今社會，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)無不轉(zhuǎn)向智能化、自動化、集成化。無所不在的計算機(jī)應(yīng)用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎(chǔ)。

虛擬儀器的概念就是用專用的軟硬件配合計算機(jī)實(shí)現(xiàn)專有設(shè)備的功能，并使其自動化、智能化。因此，虛擬儀器適合于一切需要計算機(jī)輔助進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠嬃繄龊稀y量與處理、結(jié)果與分析相脫節(jié)的面貌將大為改觀。數(shù)據(jù)的拾取、存儲、處理、分析一條龍操作，既有條不紊又迅捷快速。推而廣之，一切計量系統(tǒng)，只要技術(shù)上可行，都可用虛擬儀器代替，由此可見虛擬儀器應(yīng)用空間是多么的寬廣。

在自動控制和工業(yè)控制領(lǐng)域，虛擬儀器同樣應(yīng)用廣泛。決大部分閉環(huán)控制系統(tǒng)要求精確的采樣，及時的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸。虛擬儀器系統(tǒng)恰恰符合上述特點(diǎn)，十分適合測控一體化的設(shè)計。尤其在制造業(yè)，虛擬儀器的卓越計算能力和巨大數(shù)據(jù)吞吐能力必將使其在溫控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、電力儀表系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)等工控領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

虛擬儀器應(yīng)用領(lǐng)域：

虛擬儀器技術(shù)的四大優(yōu)勢

虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測量、檢測、計量、測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù);它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)既可迅速掌握操作規(guī)程；它集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動測量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。

1．性能高

虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實(shí)時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，當(dāng)前正蓬勃發(fā)展的一些新興技術(shù)（如多核、PCI Express等）也成為推動虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的新動力，使其展現(xiàn)出更強(qiáng)大的優(yōu)勢。

2．?dāng)U展性強(qiáng)

得益于軟件的靈活性，只需更新的計算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)整個現(xiàn)有系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。

3．開發(fā)時間少

在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，高效的軟件構(gòu)架能與計算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。此外還提供了高靈活性和強(qiáng)大的功能，可以輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

4．出色的集成

虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時間。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到一個系統(tǒng)之中，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。

特別是在進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，以PCI總線方式、并行口式、GPIB總線方式、VXI總線方式和PXI總線方式這五種虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與成熟，對人類在其他科學(xué)領(lǐng)域的研究和工業(yè)實(shí)踐起到了積極的促進(jìn)作用，并徹底改寫了世界儀器儀表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局。

虛擬儀器成為未來核心儀器

虛擬儀器基于PC技術(shù)的特點(diǎn)，使其在工業(yè)智能化進(jìn)程中具有了先天性優(yōu)勢。在未來，隨著虛擬儀器技術(shù)水平的提升、產(chǎn)品品種的豐富和功能的不斷延伸，虛擬儀器將在全球科技發(fā)展進(jìn)程中起到更加重要的促進(jìn)作用，產(chǎn)生深遠(yuǎn)的歷史影響。

虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。自1986年由NI公司首先問世以來，獲得了科學(xué)界的迅速認(rèn)可。因?yàn)榛赑C技術(shù)，虛擬儀器系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)世界的信號能夠取得高度聯(lián)合，可以多角度分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，幫助用戶提升工作效率，減少產(chǎn)品研發(fā)周期。

相比較于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器最大的特點(diǎn)是除了數(shù)據(jù)采集和顯示部分的硬件系統(tǒng)之外，以基于計算機(jī)的軟件分析系統(tǒng)為主導(dǎo)。它的不同功能模塊可以讓用戶自由地對儀器進(jìn)行定義，并且可以組合成為多種不同儀器，這讓它在具體使用中具有了突破性的功能。因?yàn)榛谟嬎銠C(jī)技術(shù)，虛擬儀器具有數(shù)據(jù)共享、使用靈活、攜帶方便、擴(kuò)展性強(qiáng)和無縫集成的特點(diǎn)，使用范圍日益廣泛，已經(jīng)成為國際自動化測試領(lǐng)域的新一代領(lǐng)跑產(chǎn)品。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，虛擬儀器具有更加強(qiáng)大的靈活性。它的模塊化設(shè)置和系統(tǒng)，讓用戶在使用時只需更新計算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的軟件升級即可改進(jìn)整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。同時，因?yàn)槠渖a(chǎn)成本因素，相比較于大型固定儀器，能夠幫助用戶有效地降低生產(chǎn)成本，并形成全新的測量和控制解決方案。

因?yàn)楣I(yè)儀器設(shè)備使用的物理環(huán)境更加復(fù)雜多變，受地形、溫度、濕度等客觀因素影響較大，因此，在一些大型儀器設(shè)備不能到達(dá)或者適應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，虛擬儀器的小型化、便攜性和模塊化優(yōu)勢便得到了更充分的體現(xiàn)，可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)在情況復(fù)雜的生產(chǎn)作業(yè)第一線進(jìn)行工作。此外，由于傳輸?shù)母咚傩停摂M儀器能夠讓整個分析測試時間變得更短，減少科研人員的作業(yè)時間，提高效率。

但與傳統(tǒng)儀器比較，虛擬儀器需要正視和面對的一大挑戰(zhàn)，就是其自身的穩(wěn)定性問題。因?yàn)樽陨淼膶傩栽颍趯?shí)際工作中，由于虛擬儀器相對開放的操作環(huán)境，用戶如果由于人為或者非人為因素造成標(biāo)定數(shù)據(jù)丟失或者程序改變，都有可能造成檢測結(jié)果的失準(zhǔn)。從這一點(diǎn)上來說，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器基于計算機(jī)開放網(wǎng)絡(luò)的特性成為一把雙刃劍，優(yōu)勢與劣勢并存。如何更好地解決這個問題，提高虛擬儀器檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，是擺在全球業(yè)者面前的主要問題。

虛擬儀器技術(shù)從提出至今，剛剛經(jīng)過三十年的發(fā)展歷程，與歷史悠久的傳統(tǒng)儀器相比，無論是在技術(shù)理論、產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)、應(yīng)用示范等階段，都需要更多的時間去完善和發(fā)展。但虛擬儀器基于PC技術(shù)的特點(diǎn)，使其在工業(yè)智能化進(jìn)程中具有了先天性優(yōu)勢。

小結(jié)：未來，隨著虛擬儀器技術(shù)水平的提升、產(chǎn)品品種的豐富和功能的不斷延伸，虛擬儀器將在全球科技發(fā)展進(jìn)程中起到更加重要的促進(jìn)作用，產(chǎn)生深遠(yuǎn)的歷史影響。

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