原创 虚拟仪器和PXI总线的问与答

1. 什么是虚拟仪器？

由于计算机技术的进步，引起了各行业的技术革命。在仪器领域，计算机技术与仪器技术相结合，形成了一种新概念仪器――虚拟仪器。

那么，到底什么是虚拟仪器呢？我们先来看传统仪器的构成，传统仪器由信号采集、信号处理和结果表达与仪器控制三部分组成。在传统仪器里，这三部分都是用电子线路来实现的，即：都是采用硬件来实现的。随着计算机技术的发展，尤其是数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法精度越来越高，速度越来越快，在仪器的信号处理部分，用软件代替硬件成为可能，即：用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能。同时，结果表达与仪器控制原本就是计算机的“长项”。这样，把传统仪器的后两部分（信号处理、结果表达与仪器控制）用计算机软件来实现，而不再采用硬件（电子线路）来实现，基于这种思想形成的仪器，就叫虚拟仪器。如下图所示。

综上所述，我们给出虚拟仪器的概念。所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

这里的“虚拟”有两层含义：

（1）虚拟的仪器面板

（2）由软件实现仪器的测量功能（软件就是仪器）

以上两个条件是虚拟仪器的心备要素。

2、虚拟仪器是测试领域的一场革命吗？

答案是肯定的，原因是什么呢？我们先回顾一下仪器的发展史。仪器的发展经历了四个时期:

（1）第一代仪器：模拟仪器

如指针式万用表、晶体管电压表，它们的基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。

（2）第二代仪器：数字化仪器

数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果。

（3）第三代仪器：智能仪器

智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动。它的全部功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。

（4）第四代仪器：虚拟仪器

虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。

从1988 年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。此后，虚拟仪器产品飞速增加。从仪器的发展历史可以看出，仪器领域已经历了两次技术革命。第一次仪器革命是由于数字电子技术的发展引起的，使仪器形态进入了数字化仪器时代；第二次仪器革命是由于微处理器的大量应用引起的，使仪器形态进入了智能仪器时代。目前，仪器领域正在进行第三次仪器革命，这次革命是由通用计算机硬软件技术的进步引起的，这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时期：虚拟仪器时代。

所以，我们认为：虚拟仪器技术是第四代仪器技术，是仪器领域的一场革命。

3、虚拟仪器能给用户带来哪些实际利益？

虚拟仪器的应用能给用户带来哪些实际利益呢？总体来说，就是用更少的费用完成更复杂的测试任务，具体表现在以下几个方面：

（1）测试成本的降低

由于虚拟仪器采用软件代替硬件，实现仪器的信号处理、结果表达和仪器控制，构建测试系统的硬件大大简化，测试成本大幅度降低。

（2）测试效率的提高

虚拟仪器常采用总线仪器模块构建，计算机可方便地直接通过总线控制仪器模块，这将为实现自动测试提供很大的方便。所有的虚拟仪器系统都是自动测试系统，所有测试工作都是在计算机控制下自动完成的，这样大大提高了测试工作的效率。由于虚拟仪器系统采用通用的软件操作系统，例如：windows9X;windows2000;windows NT;windowsXP 等，可利用大量的现有软件资源，为测试数据的进一步处理、存贮和传输提供了方便。

（3）测试系统更加紧凑

由于虚拟仪器大多采用总线式结构，一个机箱能插入多块仪器卡，例如：PXI总线机箱能同时插入8 块卡，即：一个机箱能集成最多8 个仪器。这样，为了完成某一项测试任务而组建的测试系统，体积大大缩小了，结构更加紧凑。据某项论证研究，某型导弹技术保障车辆的计量现需要约50 台传统仪器，而采用虚拟仪器技术，仅需一套PXI 总线仪器系统即可完成，这套系统可便携。这样，传统的实验室计量模式也就转变为伴随计量或靠前计量模式。

（4）远程测试

虚拟仪器充分利用了计算机技术，也包括计算机网络技术，因此，虚拟仪器能够方便地利用互联网实现远程测试。军事装备越来越复杂，对测试工作的要求也越来越高，为了保证作战装备的正常工作，有时，需要远程战场支援，当然也包括远程测试，虚拟仪器与传统仪器相比，能够更方便有效地支持远程测试或网络测试。

（5）仪器可以定制或自制

虚拟仪器的测试功能是用软件实现的，因此，可根据用户的不同实际需要，从系统集成商处订制仪器，也可自制仪器。这样，面对临时性的测试任务，就能很快地组建测试系统。

4.、如何组建虚拟仪器系统？

组建虚拟仪器系统可分为五个步骤：

（1） 选择操作系统和软件开发平台。组建虚拟仪器时，绝大多数会采用Windows 系列操作系统，开发软件平台可选择Labview、Labwindows/cvi、Agilent-VEE、VC 和VB 等。

（2） 选择总线形式和总线机箱。总线可选择VXI 和PXI。

（3） 选择机箱内嵌式或外置式计算机。内嵌式计算机使虚拟仪器系统结构紧凑，外置式计算机成本较低。

（4） 选择仪器模块。根据实际需要，从模块化仪器供应商处采购各种仪器模块。

（5） 选择信号调理模块和自制专用模块。组建一个虚拟仪器系统通常还会碰到信号调理模块的选择问题，当信号特殊时，还需自制部分信号调理模块。

5、谁能提供虚拟仪器的硬件平台和软件平台？

能提供软件开发平台的商家有NI 公司和Agilent 公司。能提供硬件平台的商家众多，有National Instruments、Agilent、ADLINK 、ALPHI Technology、GOEPL electronic、MEN Mikro Elektronik 、TEAM Solutions、United Electronic Industries （UEI）、LeCroy 等。虚拟仪器总线标准是开放的，其总线标准得到了众多厂商的支持。

6、虚拟仪器的硬件平台有哪几种形式？各有什么优缺点？

虚拟仪器总线形式有GP-IB、串口、并口、USB、IEEE-1394、DAQ、VXI 和PXI 等多种，其中VXI 和PXI 是两种常用的总线形式。

GP-IB 总线是一种早期的并行总线，由于其传输速度慢，已趋于淘汰，但带有这种总线的台式仪器保有量较大。用GP-IB 总线组建虚拟仪器系统，已不是一个好的选择，只是在考虑与以往的测试系统兼容时，才会考虑这种总线方案。

计算机串口、并口测试仪器，不是主流，目前采用的较少。在组建测试系统时，可能极少用到。

USB 总线仪器正在起步，以后可能会成为低端应用的一种较好的选择。由于其不能实现不同USB 仪器间的同步，它不会成为复杂测试的主流仪器。

IEEE-1394 总线主要应用在动态图像传输领域，在仪器方面的应用正处于研究阶段，它比USB 总线的速度要快很多，但同USB 总线一样，不能实现不同仪器间的同步。不便于组建复杂的虚拟仪器系统。

VXI 总线出现于1988 年，应用的时间较长，VXI 总线仪器种类较多，但这种总线的速度与目前PC 机总线速度相比，明显落后了，这不利于充分利用计算机资源实现仪器功能。

PXI 总线出现于1997 年，是计算机PCI 总线面向测试应用的扩展，与计算机总线的发展同步，具有较快的速度，是一种理想的仪器总线。

7、为什么我们推荐作用PXI 总线构建虚拟仪器系统？

我们知道，常用的组建虚拟仪器的总线有两种：VXI 和PXI，下面我们对其性能做一下对比。

从上表对比中，可以看出两种总线的不同，PXI 总线是在计算机主流总线PCI基础上扩展的，因此，它保持了与计算机技术同步发展，是虚拟仪器总线里最快的一种。由于它起源于计算机总线，保持了向下兼容性，其研究开发与应用都有大量的计算机软件支持，成本比VXI 总线低很多。PXI 总线是一种非常有前途的虚拟仪器总线形式，是目前性能最好的模块化仪器总线。我们强烈推荐采用PXI 总线构建虚拟仪器系统。

8、PXI 总线有哪些模块？性能如何？

PXI 总线常用模块有如下几种：

（1）模拟量I/O

常用的有8、12、16、21、24 位等分辨率，100kSa/s、200kSa/s、333 kSa/s、500 kSa/s、1MSa/s、 1.25MSa/s、5 MSa/s、20 MSa/s、100 MSa/s 等采样率，16、64 和128 通道等，具有简单的硬件触发和软件触发功能。

（2） 数字量I/O

现有并行32 位、64 位，80MB/s 等模块。

（3）开关矩阵

有各种开关阵列，包括高功率型（5A、7A／250V 等）、高频型（1.3GHz）和一般型。开关数量可达256，可有4×64和8×32 等分布形式。

（4）定时／计时器模块

有24、32 位，20、80、125MHz。但均只能接收TTL 电平。

（5）万用表模块

现有5 1/2 万用表模块，6 1/2 万用表模块。

（6）示波器模块

现有带宽15MHz、100MHz、500MHz、1GHz 等示波器卡，采样率最高达到2.5 GSa/s、4GSa/s，具有常用的触发功能和各种高级触发功能。其它各项性能指标与台式示波器相当。

（7）信号源模块

现有各种信号源，包括函数波形发生器、视频信号发生器、任意波形发生器等，频率有1 MSa/s、 40MSa/s，8、12、16 位分辨率。

（8）控制器（计算机）模块

性能与笔记本计算机性能基本同步。

（9）介面卡

以太网卡、GP-IB 卡、RS-485、RS-232、VXI 等。

9、虚拟仪器的关键是什么？

虚拟仪器的关键是软件，由于虚拟仪器的信号处理功能和仪器控制功能都是用软件实现的，所以虚拟仪器在硬件平台确定以后，主要的工作是软件的编程。

对用户和系统集成商来说，最终形成的虚拟仪器性能如何，主要取决于软件编程的质量。换句话说，软件就是仪器。

10、组建虚拟仪器系统的费用如何？

组建虚拟仪器系统的费用主要包括以下几项：

硬件平台费用：包括总线机箱和计算机。

软件平台费用：虚拟仪器开发软件包

模块费用：总线数据采集与发生模块

信号调理费用：工程中碰到的信号调理任务，一般没有现成的模块可选用，需重新研制，这部分工作通常由系统集成商或用户完成。

编程费用：虚拟仪器的信号处理与仪器控制部分，通常采用虚拟仪器开发软件包，由系统集成商或最终用户自己编写。

试验与校准费用：虚拟仪器系统研制完成，要经过用户的试用与工程测试，要经过国家法定计量检测机构进行校准测试。

开发虚拟仪器系统主要包括上述几种费用，根据我们的工程经验，虚拟仪器系统的性能价格比明显优于传统的仪器系统。特别对于日益复杂的测试，更显现出虚拟仪器技术的优势。

11. 虚拟仪器能否实现网络测试？

能，虚拟仪器充分利用了计算机技术，也包括网络技术，目前的虚拟仪器软件能够方便地实现远程测试或网络化测试。

这将来会引起一场测试模式的革命，会出现一些新的测试概念，如远程测试支援，远程测试专家系统，远程故障诊断，远程计量（校准）等等。

12. 虚拟仪器与传统仪器系统能否兼容？

能，虚拟仪器系统能通过各种接口与传统仪器系统相连。例如，PXI、VXI 总线仪器可通过MXI 方式相连，PXI 总线仪器可通过GP-IB 与传统台式仪器相连。如下图所示。

13、虚拟仪器如何计量（校准）？

虚拟仪器系统可采用两种方法进行计量（校准），一种是内部校准，一种是外部校准。内部校准是指采用模块仪器内部的标准源进行校准，虚拟仪器系统总线模块上通常都带有标准源，总线仪器模块通常也配有校准软件，可随时进行校准工作，内部校准源可定期溯源到国家计量标准。外部校准是指直接溯源到国家计量标准。

14、虚拟仪器技术在哪种类型的测试任务中具有绝对优势？

虚拟仪器技术是仪器领域的一场革命，其推广应用，必将深刻地改变测试工作的模式，这种过程是一个渐变的过程。虚拟仪器首先应用在其具有明显优势的场合。那么，目前虚拟仪器技术在哪些测试中具有明显的优势呢？

根据目前的虚拟仪器发展水平，我们认为，虚拟仪器技术在复杂系统的测试方面具有明显优势。例如：军用装备的科研、生产、试验和部队技术保障过程中的测试。

15、虚拟仪器应用案例

（1）虚拟仪器在通用仪器综合校准系统中的应用，海军航空工程学院。

（2）基于PXI 总线仪器的导弹自动测试系统，军械工程学院。

（3）PXI 总线电子装备故障诊断系统，海军工程大学。

（4）基于虚拟仪器的无线电引信动态性能测试系统，军械工程学院。

（5）虚拟仪器在航空测试中的应用，海军航空工程学院。

（6）虚拟仪器在标准电阻检定中的应用，上海市计量测试研究院。

（7）基于PXI 总线的多通道瞬态测试记录系统，西北工业大学。

（8）在虚拟仪器平台上构建便携式车辆综合测试系统，太原机械学院。

（9）基于虚拟仪器的无纸记录仪，马钢股份公司。

（10）虚拟仪器在医学工程中的应用，广州南方医院。