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如圖2—1所示,，虛擬儀器的硬件構(gòu)成有多種方案，通常采用以下幾種：

（1）基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)

這種方式借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW（或LabWindows／CVI）相結(jié)合,，通過A／D變換將模擬,、數(shù)字信號采集到計算機進行分析、處理,、顯示等,，并可通過D／A轉(zhuǎn)換實現(xiàn)反饋控制。根據(jù)需要還可加入信號調(diào)理和實時DSP等硬件模塊,。

（2）基于通用接口總線GPIB接口的儀器系統(tǒng)

GPIB（General Purpose Interface Bus）儀器系統(tǒng)的構(gòu)成是邁向虛擬儀器的第一步,，即利用GPIB接口卡將若干GPIB儀器連接起來，用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能,，組織大型柔性自動測試系統(tǒng),，技術(shù)易于升級，維護方便,，儀器功能和面板自定義,，開發(fā)和使用容易。它可高效靈活地完成各種不同規(guī)模的測試測量任務(wù)。利用GPIB技術(shù),，可由計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制,，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測試測量誤差,。同時,，由于可預(yù)先編制好測試程序，實現(xiàn)自動測試,，提高了測試效率,。

（3）利用VXI總線儀器實現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)

VXI（VMEbus ExtensionforInstrumentation）總線為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個更為廣闊的發(fā)展空間。VXI總線是一種高速計算機總線———VME（VersaModule Eurocard）總線在儀器領(lǐng)域的擴展,。由于其標(biāo)準(zhǔn)開放,、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐能力強,、定時和同步精確,、模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊,、使用方便靈活,，已越來越受到重視。它便于組織大規(guī)模,、集成化系統(tǒng),，是儀器發(fā)展的一個方向。

（4）基于串行口或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)

將某些串行口儀器和工業(yè)控制模塊連接起來,，組成實時監(jiān)控系統(tǒng)。將帶有RS－232總線接口的儀器作為I／O接口設(shè)備通過RS－232串口總線與PC計算機組成虛擬儀器系統(tǒng),，目前仍然是虛擬儀器的構(gòu)成方式之一,。當(dāng)今，PC計算機已更多地采用了USB總線和IEEE1394總線,。

2．2　虛擬儀器的軟件體系構(gòu)成

構(gòu)成一個虛擬儀器系統(tǒng),，基本硬件確定以后，就可通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能,。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵,。沒有一個優(yōu)秀的控制分析軟件，很難構(gòu)成一臺理想的虛擬儀器系統(tǒng),。根據(jù)VPP（VXIPlug＆Play）系統(tǒng)規(guī)范的定義,，虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)包含3部分，如圖2—2所示：

（1）I／O接口軟件

I／O接口軟件存在于儀器（即I／O接口設(shè)備）與儀器驅(qū)動程序之間,，是一個完成對儀器寄存器單元進行直接存取數(shù)據(jù)操作,，并為儀器與儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞的底層軟件，是實現(xiàn)開放的,、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心,。在VPP系統(tǒng)規(guī)范中,，詳細規(guī)范了虛擬儀器的I／O接口軟件的特點、組成,、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)規(guī)范,，并將符合VPP規(guī)范的虛擬儀器I／O接口軟件定義為VISA軟件。

（2）儀器驅(qū)動程序

每個儀器模塊均有自己的儀器驅(qū)動程序,。儀器驅(qū)動程序的實質(zhì)是為用戶提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集,。對于應(yīng)用程序來說，它對儀器的操作是通過儀器驅(qū)動程序來實現(xiàn)的,；儀器驅(qū)動程序?qū)τ趦x器的操作與管理,，又是通過I／O軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫（VISA）的調(diào)用來實現(xiàn)的。對于應(yīng)用程序設(shè)計人員來說,，一旦有了儀器驅(qū)動程序,，在不是十分了解儀器內(nèi)部操作過程的情況下，也可以進行虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計工作,。虛擬儀器驅(qū)動程序是連接上層應(yīng)用程序與底層I／O接口軟件的紐帶和橋梁,。

（3）應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境

應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的選擇，可因開發(fā)人員的喜好不同而不同,，但最終都必須提供給用戶一個界面友好,、功能強大的應(yīng)用程序。在目前,，虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種：

①基于傳統(tǒng)的文本語言式的平臺,。主要是NI公司的LabWindows／CVI、Microsoft公司的VisualC＋＋,、Visual Basic,、Borland公司的Delphi等。

②基于圖形化編程環(huán)境的平臺,。如HP公司的HPVEE,、NI公司的LabVIEW等。圖形化軟件開發(fā)平臺的提出,，可以大大減輕系統(tǒng)開發(fā)人員的負擔(dān),，使其將主要精力集中投入到系統(tǒng)設(shè)計中，而不再是具體軟件細節(jié)的推敲上,。

3　虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬儀器的發(fā)展領(lǐng)域非常廣闊,，開發(fā)虛擬儀器既要擁有計算機技術(shù)，又要擁有信息處理技術(shù),?？偩€技術(shù)是VI的一個關(guān)鍵問題，VI需要利用計算機的擴展槽、PCI插槽或ISA插槽,，所以開發(fā)VI的儀器硬件,，首先要確定應(yīng)采用哪一種總線標(biāo)準(zhǔn)，PCI總線是一種最新的計算機總線規(guī)范,，它兼容性強,，功能全，傳輸率高,，工作時鐘頻率33MHz,，結(jié)構(gòu)與處理器獨立，適合于未來的計算機,。1997年9月,，美國NI公司發(fā)布了一項PXI總線標(biāo)準(zhǔn)，PXI（PCIExtention forInstrument）是PCI在儀器領(lǐng)域的擴展,。開發(fā)VI可以考慮采用PXI標(biāo)準(zhǔn),，因為數(shù)據(jù)處理工作量大，VI的儀器硬件部分要盡量做得功能強大,，否則,，采用軟件會影響儀器處理速度。目前,，虛擬儀器已具備時域分析和頻率域分析的功能,，速度都非常快,。

圖形化的編程環(huán)境是VI技術(shù)的又一關(guān)鍵因素,。1986年，NI公司推出了LabVIEW軟件包,，它簡單直觀,、效率高、速度快,、具有優(yōu)化的圖形編譯機制，獨特快捷的查錯,、調(diào)試方法,，極大地提高了運行速度，采用LabVIEW可以數(shù)倍地提高系統(tǒng)開發(fā)速度,。近年來基于Windows95和WindowsNT的開發(fā)平臺成為后起之秀,，可以使用Visual C＋＋、Visual Basic,、BorlandC＋＋等功能強大的編程軟件編寫專用應(yīng)用軟件,。

4　虛擬儀器的整體設(shè)計

在科學(xué)研究與工程實驗室里，有各種各樣的儀器與設(shè)備。如何提高它們的綜合使用效率,？如何對它們進行更有效的管理,？是儀器用戶值得考慮的問題。目前,，最有效的方法是采用“虛擬儀器”技術(shù),。即充分利用計算機強大的管理與處理能力，以此為基礎(chǔ),，將實驗室相關(guān)設(shè)備搭配起來,，構(gòu)成一種全新的實驗環(huán)境。實驗室中的儀器與設(shè)備一般都是具有特定功能的單臺設(shè)備,。如果它們具有某種總線接口,，就有可能進行虛擬儀器的構(gòu)造。步驟如下：

1）確定所用儀器或設(shè)備的接口形式,。如果儀器設(shè)備具有RS－232串行總線接口,，則不用進行處理，直接用連線將儀器設(shè)備與計算機的RS－232串行接口連接即可,；如果是GPIB或HP－IB接口,，則需要額外配備一塊GPIB－488接口板，將接口板插入計算機的ISA插槽,，建立起計算機與儀器設(shè)備之間的通訊渠道,；如果使用計算機來控制VXI總線設(shè)備，也需要配備一塊GPIB接口卡,，通過GPIB總線與VXI主機箱零槽模塊通信,，零槽模塊的GPIB－VXI翻譯器將GPIB的命令翻譯成VXI命令并把各模塊返回的數(shù)據(jù)以一定的格式傳回主控計算機。由于計算機的RS－232串行接口有限,，若儀器設(shè)備比較多,，必要時必須擴展計算機的RS－232接口。市場上此類產(chǎn)品品種繁多,，用戶可以根據(jù)具體情況,，選擇合適的RS－232總線接口擴展產(chǎn)品。

2）確定所選擇的接口卡是否具有設(shè)備驅(qū)動程序,。接口卡的設(shè)備驅(qū)動程序是控制各種硬件接口的驅(qū)動程序,，是連接主控計算機與儀器設(shè)備的紐帶；如果有設(shè)備驅(qū)動程序,，它適合于何種操作系統(tǒng),？如果沒有，或者所帶的設(shè)備驅(qū)動程序不符合用戶所用的操作系統(tǒng),，用戶就有必要針對所用接口卡,，編寫設(shè)備驅(qū)動程序,。

3）確定應(yīng)用管理程序的編程語言。如果用戶有專業(yè)的圖形化編程軟件,，如LabVIEW,、HPVEE，那么就可以采用專業(yè)的圖形化編程軟件進行編程,。如果沒有此類軟件,，則可以采用通用編程語言，如VisualC＋＋,、Visual Basic或者Delphi,。由于它們易于使用、功能強大而倍受測控人員的青睞,。

4）在硬件連接無誤的情況下,，編寫用戶的應(yīng)用管理程序。

5　結(jié)束語

虛擬儀器技術(shù)使現(xiàn)代測控系統(tǒng)更靈活,、更緊湊,、更經(jīng)濟、功能更強,。而圖形編程方式使系統(tǒng)軟件開發(fā)更省時,、更省力、更容易,。無論是測量,、測試、計量,，或是工業(yè)過程控制和分析處理,，還是其它更為廣泛的測控領(lǐng)域，虛擬儀器都是理想的高效率的解決方案,。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,，虛擬儀器技術(shù)也會在各領(lǐng)域中發(fā)揮其重要作用，并表現(xiàn)出強大的生命力,，它必然會對科技發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不可估量的影響,。

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