仪器管理软件体验

3．3．1　核心技术——虚拟仪器技术

1）什么是虚拟仪器

在现代科学技术发展的过程中，不断创新的计算机技术从各个侧面影响着各个领域技术的发展模式。虚拟仪器是在20世纪后期以计算机水平和软件技术的迅速进步而出现并发展起来的传统仪器革新概念。

虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）技术突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，将日益普及的计算机技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使得用户在操作计算机时，如同在操作自己定义的仪器，方便灵活，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等，虚拟仪器技术充分利用了最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能，是一种基于计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法。

2）虚拟仪器的发展阶段

虚拟仪器经历了由模拟仪器、带GPIB接口的智能化仪器到全部可编程虚拟仪器的发展历程。虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段^[53]，这三个阶段的过程都是以计算机技术的持续发展为基础的，因此，各阶段之间没有明显的分界线，是一个较为连续和逐步的发展过程。

（1）基于计算机技术来提升传统仪器功能阶段

由于计算机技术可以很容易进行信号数字化以及与外界的通信，因而开始有人设想运用计算机中先进且易用的软件，帮助增强仪器系统的功能、分析和处理特定的数据、显示和输出特定的结果，而不是仅仅局限于仪器的固定功能上。这个阶段是虚拟仪器开始出现的时期。

（2）内在标准统一阶段

随着虚拟仪器的逐渐普及，为了满足虚拟仪器市场不断增长的需求，人们希望尽可能地提高效率和重复使用各种技术，并自行设计各种功能的仪器，使得设计过程变得简单，避免重复，实现实验仪器用户化的自定义功能。在这样一种需求的刺激下，生产商和仪器供应商逐步实现了内在标准的统一，使得许多在仪器上通用的元器件就是计算机里的标准平台，因此，作为模块化的可重用代码可以以文件形式存储在硬盘和软盘上，使计算机真正成为虚拟仪器灵活运用的一部分。要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可靠性，很重要的一点是传输测量数据的总线结构。在虚拟仪器中，其分析功能是由计算机来完成的或由计算机来控制的。因此，接口、总线的速度和可靠性是关键，总线内在标准的统一，使得用户可以像仪器厂商一样，从访问寄存器这样的低层资源来设计和安排仪器功能，更使得用户化仪器功能设计得以实现。

（3）虚拟仪器软件封装性组合阶段

在第二阶段虚拟仪器实现内在标准统一的基础上，软件领域的面向对象技术将离硬件较近的接口程序和高级应用程序以及专门仪器的转换驱动程序封装起来，方便用户直接使用，用户也可以根据需要将软件中各部分的程序自行选择组合。随着虚拟仪器思想的深入，用户自己开发仪器驱动器已成为技术发展的客观要求。过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计的，缺乏统一的标准，使得用户在仪器软件方面的投资得不到保护。为此，国际上专门制定了虚拟仪器软件体系（VISA）标准，建立了与仪器接口总线无关的标准I／O软件，与LabVIEW、HPVEE、Labwindows等先进开发环境软件相适应。开发一个用户定制的虚拟仪器在软件技术上已经成熟。到了这一阶段，软件成为数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键，是虚拟仪器的灵魂，印证了美国国家仪器公司提出的“软件即仪器”口号^[54]。

3）虚拟仪器的基本开发原理

（1）虚拟仪器的基本开发原理

从开发要素来讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用程序和仪器硬件组成。从开发方式来讲，应用程序将可选硬件（如DAQ、GPIB、VXI、RS232）和可重复使用源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的实验要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软／硬件模块，或者重新配置现有系统以满足实验要求^[55]。

（2）运用LabVIEW开发虚拟仪器

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）是一个图形化软件开发环境。LabVIEW程序分为前面板和程序框图两部分。前面板是用户接口，用于向程序中输入各种控制参数（控制件），并以数字或图形等形式输出测试结果（显示件），一般有表头、按钮、拨盘等各种元件，非常形象地模拟了传统仪器的面板。程序框图是以图形表示的程序源代码，是实现程序功能的核心部分，类似于传统仪器中用来实现仪器功能的零部件^[56]、[57]。前面板中的各种控制件和显示件在程序框图中都有对应的端子，各端子之间按照用户的需要用数据线、函数节点、结构等以一定的数据关系和数据方向连接起来。这就是运用LabVIEW开发虚拟仪器的基本原理。

4）虚拟仪器和传统仪器的比较

图3-16是传统仪器和虚拟仪器体系对比图^[58]。从图中可以看出，传统仪器需要根据不同的要求连接不同的显示处理设备，例如示波器、频谱仪、锁相放大器等，得到的也仅仅是简单的原始数据。而虚拟仪器利用基于标准化接口技术的任意形式的数据采集装置，例如插入式DAQ卡、GPIB仪器等，将被测单元的信号采集到计算机，计算机上虚拟仪器软件系统由用户自行定义，可以反馈信号到被测单元进行实验状态控制，也可以根据需要对采集的信号进行处理和分析，再以不同形式输出，例如函数计算值、拟合处理结果、图表表达形式等，并且支持网络传输，实现用户的异地实时控制实验仪器、获取实验数据等。

图3-16　传统仪器和虚拟仪器体系对比图

传统仪器完成实验主要依赖于不同功能的硬件设备，由于硬件功能的单一和固定，实验仪器的功能便受到限制^[59]。虚拟仪器的核心是软件，用户根据实验要求编写和重组软／硬件系统模块，提升和扩展仪器功能，满足实验要求。由此可以看出，基于计算机软／硬件发展水平、基于软件自定义来实现和扩展仪器功能等虚拟仪器的开放式特点，使得虚拟仪器和传统意义上的仪器存在很大差别。表3-1分别列出了传统仪器和虚拟仪器的特点。

表3-1　传统仪器和虚拟仪器特点的比较