1.1 虚拟仪器系统概述

仪器系统的发展经历了一段很长的历史。在其早期发展阶段，仪器系统指的是“纯粹”的模拟测量设备，例如EEG记录系统或示波器。作为一种完全封闭的专用系统，仪器系统包括电源、传感器、模拟-数字转换器和显示器等，并且需要手动设置，才能将数据显示到标度盘、转换器，或者将数据打印出来。在当时，如果要进一步使用数据，需要操作人员手动地将数据复写到笔记本上。

由于所有的事情都必须要人工操作，因此要对实际采集到的数据进行深入分析，或集成复杂的/自动化的测试步骤是很复杂的，甚至是不可能完成的工作。直到20世纪80年代，那些复杂的系统，例如化学处理控制应用等，才终于不需要占用到多台独立台式仪器，而是一起连接到中央控制面板，这个控制面板由一系列物理数据显示设备（例如标度盘、转换器等）以及多套开关、旋钮和按键组成，专用于仪器的控制。

仪器技术领域的各种创新积累使现代测量仪器的性能发生了质的飞跃，导致仪器的概念和形式发生了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念——虚拟仪器。

虚拟仪器把计算机技术、电子技术、传感器技术、信号处理技术、软件技术结合起来，除继承传统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所没有的先进功能。虚拟仪器的最大特点是灵活，用户在使用过程中可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。

1.1.1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器通过应用程序将计算机与功能化模块结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的仪器一样，从而完成信息的采集、分析、处理、显示、存储和打印。它实际上是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，并以多种形式表达输出检测结果，如利用计算机强大的软件功能实现信号的运算、分析和处理，利用I/O接口设备完成信号的采集等，从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现使测量仪器与计算机的界限模糊了。

虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。

（1）虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的：由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”“断”，实现被测信号的“输入通道”“放大倍数”等参数的设置，以及实现测量结果的“数值显示”“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是实物，而且是手动操作的；虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”“断”“放大”等动作由用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。

（2）虚拟仪器是在以 PC 为核心组成的硬件平台的支持下，通过软件编程来实现仪器功能的，其测量功能通过对图形化软件流程图的编程来实现。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以在硬件平台确定后，就有了“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。

1.1.2 虚拟仪器的优势

在所有测试应用软件中，虚拟仪器技术有着无法替代的优势。

1.虚拟仪器技术性能高

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件 I/O，使用户在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网技术和越来越快的计算机网络传输速度使得虚拟仪器技术能展现其更强大的优势。

2.虚拟仪器技术扩展性强

虚拟仪器的软硬件工具使得工程师和科学家们不再局限于当前的技术。得益于软件的灵活性，用户只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，用户可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

3.虚拟仪器技术的开发时间短

在驱动和应用两个层面上，VI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通信等最新技术结合在一起。VI软件构架的设计初衷就是为了方便用户的操作，其灵活性和强大的功能，使用户可以轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

4.虚拟仪器技术可实现无缝集成

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到同一系统，从而减少了任务的复杂性。

1.1.3 虚拟仪器的特点

虚拟仪器的突出优点是不仅可以利用 PC 组建出灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。它可以通过与不同的接口总线的通信，将虚拟仪器、带总线接口的各种电子仪器或各种插件单元调配并组建成为中小型甚至大型的自动测试系统。与传统仪器相比，虚拟仪器有以下特点。

（1）传统仪器的面板只有一个，面板上布置着种类繁多的显示单元与操作元件，容易导致许多识别与操作错误。而虚拟仪器可通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能，这样在每个分面板上就实现了功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示单元和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们由编程来实现，设计者可以根据用户的要求设计仪器面板。

（2）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件连接，来完成仪器的各种功能。

（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。

（4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。

（5）研制周期较传统仪器大为缩短。

（6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。

决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器”软件可编程，表1-1给出了虚拟仪器与传统仪器的比较。