第十单元 仪器与测量 10.3 虚拟仪器

        什么是虚拟测量技术
       30年来，个人电脑应用的飞速发展引发了测试仪器、测量和自动化测试领域的根本变革。个人电脑的普及所带来的一个重大成果就是“虚拟测量”的概念。对于要求提高工作效率、提高测试精度和提高设备性能的工程师和科学家而言，使用虚拟仪器会带来许多好处。
       虚拟仪器是由一台配备了强大应用软件的工业标准计算机（或工作站）、经济合算的硬件（如插入式电路板）和驱动软件组成的。这些组件一起完成传统仪器的功能。
       虚拟仪器代表着从传统的“以硬件为中心”的仪器系统向“以软件为中心”的仪器系统的根本转变。后者充分利用了台式计算机和工作站的计算能力、工作效率、显示功能和互联能力。
       尽管在过去 30 年中个人电脑和集成电路技术取得了重大进步，但其实是软件提供了有效的动力，在上述硬件的基础上创造了虚拟仪器，从而提供了更好的创新方式、并大幅度降低了成本。
       有了虚拟仪器，工程师和科学家可以构造准确符合自己所需的测量和自动化系统（用户定义的仪器），而不必受限于功能固定的传统仪器（厂商定义的仪器）。
虚拟仪器和传统仪器
       “单机”传统仪器（诸如示波器和波形发生器等）功能强大、价格昂贵，执行一种或多种由生产商指定的任务。一般而言，用户不能对其功能进行扩展或者定制。仪器上的旋钮和按钮、内置电路系统，供用户使用的功能均由仪器本身决定。此外，建造传统仪器必须开发专用技术和研制昂贵的元器件，这使得传统仪器价格昂贵、转型缓慢。
       借助于个人电脑，虚拟仪器利用了最新的PC技术带来的种种优势。技术和性能的进步正在迅速缩小着传统仪器和PC之间差距对于用户可供使用的功能。
       除了集成强大的功能之外，这些平台也容易利用因特网等强大工具。传统仪器往往也缺乏便携性，而在笔记本电脑上运行的虚拟仪器自然而然地具备了便携性。
       有些工程师和科学家经常要改变（测试）需求、应用（领域）和（对仪器的）要求，他们需要测试仪器具备灵活性以构建他们自己的解决方案。由于应用了安装在个人电脑的软件和各种各样插入式硬件，用户就可以对一件虚拟仪器进行调整以适合特定需求，而不必替换整套设备。

       灵活性
       除了传统仪器中的专用组件和电路系，传统仪器的整体结构和基于个人电脑的虚拟仪器非常相似。两者都需要一个或多个微处理器、通信端口（例如，串行口和GPIB）、显示功能以及数据采集模块。两者的不同在于灵活性以及能否针对特殊需要对仪器进行修改。在传统仪器中，可能包含一块集成电路用以完成一组特定的数据处理功能；在虚拟仪器中，这些功能可能是由个人电脑处理器上运行的软件完成的。用户可以轻松地扩展这些功能，只要在所用软件的能力范围之内就可以。
       低成本
       使用虚拟仪器测量技术，可以降低投入成本、系统开发成本以及系统维护成本，同时加快产品上市时间和提高产品质量。

       插入式硬件和网络化硬件
       用户可以选择各种各样的硬件插入到计算机当中或者利用网络使用这些硬件。这些设备提供了各式各样的数据采集功能，而费用要比专用设备低得多。随着集成电路技术的进步、元器件成本的降低和功能的增强，电路板也变得价格低廉、性能强大。随之而来的是数据采集速率、测量精准度和信号隔离性的提高。根据测量应用的不同，用户可能需要模拟输入输出、数字输入输出、计数器、定时器、滤波器、即时采样和波形发生等硬件。大量的电路板和硬件可能就包括上述功能中的一种或者几种的组合。

       虚拟测量中的软件
       软件是一件虚拟仪器中的最重要的组成部分。使用正确的软件工具，通过设计和集成特定处理所需的程序，工程师和科学家就能高效地创建自己的应用。他们可以创建恰当的用户接口来满足应用本身和使用者所需。他们还可以规定应用从设备获取数据的方式和时机，规定数据处理、操作和存储的方法以及结果呈现方式。
       使用强大的软件，用户可以为仪器构建智能和决策功能；这样的话，当被测信号发生改变时，或者所需处理能力变化时，仪器可以自行调整来适应这些情况。
       “模块化”是软件提供的一个重要优势。当进行大型项目时，工程师和科学家采取的一般方法是把任务分解为若干个“可解”功能单元。这些“子任务”便于管理、易于测试，降低了“依赖性”（“依赖性”可能造成不可预料行为）。用户可以设计虚拟仪器来解决每一个子任务，然后把它们连接成一个完整系统来解决更大的任务。实现这种分解的难易程度依赖于软件的基础结构。

       分布式应用
      虚拟仪器并不局限于一台个人电脑。事实上，随着网络技术和因特网的最新发展，虚拟仪器越来越普遍地使用网络连接功能来实现任务共享。例如，超级计算机、分布式监控设备、数据和结果显示器位于多个地点。