1.2 虚拟仪器的组成
虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。
1.2.1 虚拟仪器的硬件结构
虚拟仪器的硬件结构如图1.1所示。硬件是虚拟仪器工作的基础，主要完成被测信号的采集、传输、存储处理和输入/输出等工作，由计算机和I/O接口设备组成。计算机一般为一台PC或工作站，是硬件平台的核心，它包括微处理器、存储器和输入/输出设备等，用来提供实时高效的数据处理工作。I/O接口设备即采集调理部件，包括PC总线的数据采集（Data Acquisition， DAQ）卡、GPIB总线仪器、GPIB接口卡、VXI/PXI/LXI总线仪器模块、串口总线仪器/PLC和现场总线仪器模块等标准总线仪器，主要完成被测信号的采集、放大和模数转换。
图1.1 虚拟仪器的硬件结构
根据构成虚拟仪器接口总线的不同，可分为如下几种构成方案。
（1）基于数据采集卡的虚拟仪器
在以PC为基础的虚拟仪器中，插入式数据采集卡是虚拟仪器中最常用的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机中，或将计算机中数据输出给受控对象，典型结构如图1.2所示。
图1.2 基于数据采集卡的虚拟仪器的典型结构
这种系统采用PC本身的PCI或ISA总线，将数据采集卡插入到计算机的PCI或ISA总线插槽中，并与专用的软件相结合，完成测试任务。它充分利用了微型计算机的软、硬件资源，更好地发挥了微型计算机的作用，大幅度地降低了仪器成本，并具有研制周期短、更新改进方便的优点。这种插卡式实现方案性价比极佳。
（2）基于GPIB总线方式的虚拟仪器
通用接口总线（General Purpose Interface Bus，GPIB）是由HP公司于1978年制定的总线标准，是传统测试仪器在数字接口方面的延伸和扩展。
典型的基于GPIB总线方式的虚拟仪器系统由一台PC、一块GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成，如图1.3所示。通过GPIB技术可以实现计算机对仪器的操作和控制，替代了传统的人工操作方式，提高了测试、测量效率。
图1.3 基于GPIB总线方式的虚拟仪器系统构成示意图
（3）基于VXI总线方式的虚拟仪器
在虚拟仪器技术中最引人注目的应用是基于VXI（VMEbus eXtension for Instrumenta-tion）总线的自动测试仪器系统。由于VXI总线具有标准开放、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、众多厂家支持等优点，所以得到了广泛应用。经过近30年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是在组建大、中规模自动测试仪器系统和对速度、精度要求高的场合，具有其他仪器无法比拟的优势。典型的基于VXI总线的虚拟仪器系统的构成如图1.4所示。
图1.4 基于VXI总线的虚拟仪器系统构成示意图
（4）基于PXI总线方式的虚拟仪器
PXI（PCI eXtension for Instrumentation）总线是NI公司在1997年9月1日推出的全新的开放性模块化仪器总线规范。它以CompactPCI为基础，是PCI总线面向仪器领域的扩展。PXI总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点。PXI总线的传输速率已经达到132 MBps（32位数据总线）或264MBps（64位数据总线）。
目前，由于PXI模块仪器系统具有良好的性价比，所以越来越多的工程技术人员开始关注PXI的发展，尤其是在某些要求测试系统体积小的使用场合。另外，由于PXI测试系统的数据传输速率高，所以在某些高频段的测试已经采用了PXI测试系统。
把台式PC的性价比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台之一。典型的基于PXI总线方式的虚拟仪器的构成如图1.5所示。
图1.5 基于PXI总线方式的虚拟仪器构成示意图
（5）基于LXI总线方式的虚拟仪器
2004年9月，VXI科技公司和安捷伦公司共同推出一种适用于自动测试系统的新一代基于局域网（LAN）的模块化测量仪器接口标准LXI（LAN-based eXtension for Instrumentation），即基于LAN的仪器扩展。开放式的LXI标准于2005年9月正式公布，随后，LXI标准的特有模块仪器和测量系统投入市场。LXI是整合了可编程仪器标准GPIB协议和工业标准VXI的成果而发展起来的接口总线技术，它将台式仪器的内置测量技术、PC标准I/O接口与基于插卡框架系统的模块化集于一体，具有数据吞吐量高、模块化结构好、开放性强、即插即用等特点。
作为以太网技术在自动化测试领域的应用扩展，LXI为高效能的仪器提供了一个自动测试系统的LAN模块式平台。无论是相对GPIB、VXI还是PXI，LXI都将是未来总线技术的发展趋势。以LXI为主体的虚拟仪器网络结构如图1.6所示。在这种构成方案中，GPIB，VXI，PXI， LXI共存于系统，它们通常仅是LAN上的一个节点，这样不仅能够最大地发挥各自的功能和优势，而且可以相互进行数据的传输和资源的共享。
图1.6 以LXI为主体的虚拟仪器网络结构
1.2.2 虚拟仪器的软件结构
当虚拟仪器的硬件平台建立起来之后，设计、开发、研究虚拟仪器的主要任务就是编制应用程序。软件是虚拟仪器的关键，通过运行在计算机上的软件，一方面实现虚拟仪器图形化仪器界面，给用户提供一个检验仪器通信、设置仪器参数、修改仪器操作和实现仪器功能的人机接口；另一方面使计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的分析，完成数据的输入、存储、综合分析和输出等功能。虚拟仪器的软件一般采用层次结构，包含以下3部分。
（1）输入/输出（I/O）接口软件
I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作、为仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础和核心。虚拟仪器系统I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范等在VPP（VXI Plug&Play）系统规范中有明确的规定，并被定义为 VISA（Virtual Instrument Software Architecture）软件。虚拟仪器软件框架如图1.7所示。
图1.7 虚拟仪器软件框架
（2）仪器驱动程序
仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对于应用程序，它和仪器硬件的通信、对仪器硬件的控制操作是通过仪器驱动程序来实现的，仪器驱动程序对于仪器的操作和管理，又是通过调用I/O软件所提供的统一基础与格式的函数库来实现的。对于应用程序的设计人员，一旦有了仪器驱动程序，在不是十分了解仪器内部操作过程的情况下，他们也可以进行虚拟仪器系统的设计。仪器驱动程序是连接顶层应用软件和底层I/O软件的纽带和桥梁。虚拟仪器的组成结构和实现在VPP规范中也做了明确定义，并且要求仪器生产厂家在提供仪器模块的同时提供仪器驱动程序文件和DLL文件。
（3）应用软件
顶层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分析处理软件，完成的任务有：利用计算机强大的图形功能实现虚拟仪器面板，给用户提供操作仪器、显示数据的人机接口，以及数据采集、分析处理、显示和存储等。VPP规范要求应用软件具有良好的开放性和可扩展性。
虚拟仪器软件的开发可以利用VisualC++，VisualBasic等通用程序开发工具，也可以利用像HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW与LabWindows/CVI等专用开发工具。VC、VB作为可视化开发工具具有友好的界面、简单易用、实用性强等优点，但作为虚拟仪器软件开发工具，一般要在仪器硬件厂商提供的I/O接口软件、仪器驱动程序的基础上进行应用软件开发。HP的VEE、NI的LabVIEW及LabWindows/CVI等是随着软件技术的不断发展而出现的功能强大的虚拟仪器软件专用开发工具，具有直观的前面板、流程图式的开发能力和内置数据分析处理能力，提供了大量的功能强大的函数库供用户直接调用，是构建虚拟仪器的理想工具。
1.2.3 虚拟仪器系统
以PC-DAQ接口的虚拟仪器为例，虚拟仪器系统的整体结构如图1.8所示。
图1.8 虚拟仪器系统的整体结构
传感器将被测信号转换为电信号，经信号调理电路调整为标准信号后，送数据采集卡进行采集。数据采集卡中通过多路模拟开关、A/D转换芯片和数据缓存几个部件将模拟信号转换成数字信号并存储在缓存中。计算机通过虚拟仪器编程软件开发的应用程序调用设备驱动程序对数据采集卡进行控制，读取并处理采集的数据，通过虚拟仪器面板，显示、打印、输出测试结果。