虛擬儀器的概念及其系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)

 虛擬儀器概念

如果總結(jié)哪一項技術(shù)在過去50年中，對人類生活的影響最大，那肯定是計算機技術(shù)。計算機歷經(jīng)50年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)滲透到了日常生活的方方面面。似乎生活中的任何一件物品，不與計算機相結(jié)合，就無法再創(chuàng)新;而一旦與計算機結(jié)合在一起，則會立刻迸發(fā)出令人瞠目的活力。

傳統(tǒng)設備與計算機的結(jié)合通常有兩個方向，一是以計算機為主體，在計算機上添加某些必要硬件設備，完成傳統(tǒng)設備的功能;二是以傳統(tǒng)設備為基礎，在其上添加計算機軟硬件。以電話為例，它的發(fā)展方向：一是為計算機配備耳機、麥克風、攝像頭等硬件，然后直接通過計算機進行語音、視頻通訊;其二，是把外形和功能都縮減后的計算機直接安裝到電話上，并在安裝上相應的系統(tǒng)和應用軟件，成為智能手機。

不論采用哪種融合方式，傳統(tǒng)設備的功能都被革命性的增強了，而其成本卻不斷降低。比如說，在計算機上，可以把電話的單純語音通話功能擴展為語音視頻交流，而起每次通訊的邊際成本幾乎為零;時下流行的各種手機，在嵌入計算機設備后，除了用于通話，更可以用來娛樂甚至辦公。這些都是傳統(tǒng)電話所不能比擬的。

圖 1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的結(jié)構(gòu)

在測試測量領(lǐng)域，測試儀器經(jīng)歷了與電話及其類似的發(fā)展過程。它們或者被植入CPU、內(nèi)存、安裝上軟件，具備了計算機的基本功能;或者被拆解開來，取其核心部件插入到計算機中去，使計算機具備測試功能。這兩種發(fā)展方向都使得儀器的功能更強大，速度更快。但其區(qū)別之處在于，把儀器移植到計算機上，更多考慮的是降低成本;而把計算機移植到儀器上，則更多的是為了滿足儀器小型化的需要。

在計算機運算能力強大到一定程度之后，以“虛擬”為前綴的各項技術(shù)開始紛紛出現(xiàn)，比如虛擬現(xiàn)實、虛擬機、虛擬儀器等。虛擬現(xiàn)實是指用計算機表現(xiàn)真實世界;虛擬機是指在一臺計算機上模擬多臺計算機;同樣虛擬儀器是指在計算機上完成儀器的功能。

虛擬儀器的概念是相對于傳統(tǒng)儀器來說的。記得以前上學做物理實驗時，常常用到萬用表、示波器等儀器，它們每臺儀器就是一個固定的方盒子，它們所有的測量功能都在這個盒子內(nèi)完成，這就是所謂的傳統(tǒng)儀器。而進入到虛擬儀器時代，這種單一功能的方盒子開始逐漸被電腦所取代。

傳統(tǒng)儀器的方盒子，用戶看不到其內(nèi)部，更無法改變其結(jié)構(gòu)。因此，一臺傳統(tǒng)儀器一旦離開它生產(chǎn)線后，其功能和外觀就固定下來了。用戶只能利用一臺傳統(tǒng)儀器完成某個功能固定的測試任務。一旦測試需求改變，則必須再次購買滿足新需求的儀器。

而虛擬儀器的最大優(yōu)勢則在于，它除了基礎的信號采集部分，其它軟硬件全部采用通用的計算機軟硬件設備。這些通用的軟硬件設備可以以低廉的價格進行升級，或者被使用者按自己意愿進行配置。比如，在虛擬儀器上，用戶可以通過升級CPU來加快儀器的處理速度、可以自己編寫程序來改變儀器的測試功能和交互界面。

虛擬儀器系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)

按照系統(tǒng)中各部分之間的依賴關(guān)系，可以把一套虛擬儀器系統(tǒng)劃分成幾個層次，如圖 2所示。最籠統(tǒng)的劃分方式是把虛擬儀器系統(tǒng)劃分為軟件部分和硬件部分。

雖然軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的主體，但硬件仍然是整個系統(tǒng)最基礎的部分。硬件主要負責將被測量物理信號轉(zhuǎn)換為二進制的數(shù)字信號數(shù)據(jù)，而軟件系統(tǒng)一方面負責控制硬件的工作，一方面又負責對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理、顯示和存儲。

圖 2 虛擬儀器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

設計虛擬儀器的硬件部分時需要考慮多種因素，以下列舉其中最主要的幾個：

* 被測量物理信號的特性。不同的物理信號需要使用不同類型的傳感器將其轉(zhuǎn)換為可供電腦分析的數(shù)字電信號，而不同的傳感器又需要配備不同的信號調(diào)理模塊。某些早期虛擬儀器系統(tǒng)直接通過GPIB等總線與傳統(tǒng)儀器相連，利用傳統(tǒng)儀器的硬件部分轉(zhuǎn)換和采集被測信號。

* 硬件技術(shù)指標。不同檔次的數(shù)據(jù)采集設備可以支持的采樣率、分辨率以及精度等都有差別。通常，一套系統(tǒng)會選取能夠滿足測量需要的最低級別硬件或是不超出資金預算的最高級別硬件。

* 滿足應用需求。根據(jù)虛擬儀器系統(tǒng)工作環(huán)境的不同，需要為系統(tǒng)選擇不同種類的運算、控制單元。比如，工作在惡劣環(huán)境下的虛擬儀器系統(tǒng)需要采用工業(yè)級別計算機作為載體;被放置在工業(yè)現(xiàn)場狹小空間內(nèi)的虛擬儀器需要采用嵌入式系統(tǒng);需要滿足多種測量功能的虛擬儀器系統(tǒng)可以選用PXI機箱作為載體。

設計虛擬儀器系統(tǒng)的軟件部分首先需要考慮的是使用何種開發(fā)平臺。開發(fā)平臺的選擇，一要考慮系統(tǒng)硬件的限制，二要考慮軟件開發(fā)的周期和成本。

某些硬件只支持特定的開發(fā)軟件，比如某些嵌入式系統(tǒng)必須使用Linux操作系統(tǒng)和C編程語言。一般來說基于臺式機的虛擬儀器系統(tǒng)對開發(fā)軟件的支持更全面，可以選擇Windows或其它操作系統(tǒng)，可以選擇LabVIEW、VB 、VC等各種常用編程語言。這其實也是在硬件設計時應當考慮的因素，選擇虛擬儀器硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)時，應當盡量選擇有完善軟件支持的硬件設備。

各種開發(fā)軟件的適用場合、難易程度都不盡相同。選擇一種最為廣泛應用的開發(fā)語言，可以提高軟件開發(fā)效率，節(jié)省開發(fā)成本，保證系統(tǒng)質(zhì)量。

根據(jù)TIOBE公司統(tǒng)計的各類編程語言的使用情況，近年來Java、C、C++始終是使用的最為廣泛的編程語言。但就測試測量領(lǐng)域來說，情況并非如此。在測控領(lǐng)域，使用最為廣泛的編程語言是LabVIEW，它也是開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)的首選編程語言。