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虚拟仪器与传统仪器整理对比学习 1. 什么是虚拟仪器，它与传统仪器有何不同？ 虚拟仪器的功能是由用户定义的，而传统仪器的功能是固定的，由供应商定义。 图1.  传统仪器（左）和基于软件的虚拟仪器（右）拥有很多相同的架构组件，但理念完全不同。   每台虚拟仪器都由软件和硬件两部分组成。相对于功能类似的传统仪器，虚拟仪器有一定的标价，对于当前的测量任务来说，很多时候更为经济。更重要的是，长久来看，当改变测量任务时，由于虚拟仪器更加灵活，其成本优势更加明显。 因为不使用供应商定义、预先打包集成的软件和硬件，工程师们和科学家们拥有最大限度的用户定义灵活性。传统仪器为将所有的软件和测量电路打包成一个产品，使用仪器前面板上列出的有限的固定功能。虚拟仪器提供了完成测量或控制任务所需的所有硬件和软件。此外，使用虚拟仪器，工程师们和科学家们可以通过高效的、强大的软件自定义采集、分析、储存、共享，以及演示。 下面是这种灵活性在实践中的一些范例: 1. 一项应用，多个设备 举一个具体的例子，一位工程师正在他的实验室中使用LabVIEW和台式计算机中PCI总线上的M 系列DAQ设备创建一个直流电压和温度测量应用。系统完成后，他需要将应用程序部署到制造车间的 PXI 系统中，对新产品进行测试。另外，他还可能需要将此应用拓展为便携式，所以他为该任务选择了NI USB DAQ。在该范例中，无论如何选择，在三种应用方式中,他都可以使用一个项目的虚拟仪器，无需改变代码。 图2. 当对许多设备使用相同应用程序时，更新硬件非常容易。   2. 多项应用，一个设备 再看另一位工程师的例子，她刚刚完成了一个项目，使用新的M 系列 DAQ设备和正交编码器测量电机位置。她的下一个项目是监控和记录同一个电机消耗的功率。尽管任务不同,她仍然可以重复使用相同的M系列 DAQ设备。她所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发新的应用程序。此外，如果有需要，这个两项目可以组合成为一个应用程序，并在同一个M系列DAQ设备上运行。 图3.  对多个应用重用硬件，可以降低成本。   2. 与传统仪器相比，虚拟仪器的硬件性能如何？ 虚拟仪器一个重要的理念就是加快提升实际虚拟仪器软件和硬件设备的性能。NI注重兼容或者使用一些公司通过大量投资研制出的尖端技术，例如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx等公司。软件方面，NI使用了Microsoft公司投资巨大的操作系统和开发工具；硬件方面，NI在Analog Devices公司投资的巨大的A/D转换器上进行构建。 从根本上说，因为虚拟仪器是基于软件的，只要你能够对信号进行数字化，那么你就可以测量它。因此，测量硬件可以看作是两个轴，分辨率（位）和频率。查看下图，比较传统仪器与虚拟仪器硬件的测量性能。NI的目标是在频率和分辨率两方面进一步推动曲线，对曲线内的部分进一步创新。   图4. 比较虚拟仪器硬件与传统仪器的发展。 3. 虚拟仪器和传统仪器兼容吗？ 许多工程师和科学家们在实验中同时拥有虚拟和传统仪器。此外，一些传统仪器提供了专门的测量，对此工程师和科学家会更喜欢供应商定义而不是由他们自己定义。这就引出了一个问题，“虚拟仪器和传统仪器兼容吗？” 虚拟仪器与传统仪器是兼容的，且几乎无一例外。虚拟仪器软件通常提供常规的仪器总线接口函数，例如GPIB、串口或者以太网，等等。 除了提供这种函数库以外，200多家仪器供应商为NI仪器驱动库提供了4000多种仪器驱动。仪器驱动提供了一组高层的、可读的函数，用于与仪器交互。每个仪器驱动都专门针对特定模式的仪器定制，为其独特的功能提供一个接口。   4. 虚拟仪器和合成仪器有什么不同？ 自动化测试行业的一个基本趋势是向基于软件的测试系统转变。例如，美国国防部（Department of Defense, DoD）是世界上自动化测试设备（Automated test equipment, ATE）的最大用户之一。为了降低测试系统用户的成本并且加强系统的重复使用，美国国防部通过海军的NxTest项目，已经指明未来的ATE需要使用一个构建于模块化硬件和可重配置软件之上的体系架构，称为合成仪器。使用合成仪器代表着未来军事ATE系统规范的重大进展，而且意味着在未来的系统中，可重配置软件将成为主角。若要成功实现一个基于软件的测试系统（例如合成仪器），需要了解市场上的硬件平台和软件工具，还需要理解系统级架构和仪器级架构间的区别。 合成仪器工作组定义合成仪器为：“一个可重配置的系统，可通过标准的接口连接一系列基本的硬件和软件组件，并使用大量的处理技术进行测量或者生成信号。”这与虚拟仪器的许多属性一致，后者的定义为：“一个软件定义的系统，其中，基于用户需求而设置的软件，决定了通用测量硬件的功能”。这两种仪器的概念中，相同的部分即为：“软件定义的仪器，运行于商用硬件之中。”通过这种将测量的功能移至用户可重配置的硬件的方法架构，用户可以获得更大的灵活性和可充配置性能，这样可以在增加系统性能的同时减少成本。   //2013-06-15 //22:59 //在路上的旁观者 //深圳        

          虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。   虚拟仪器的主要特点有： 1.、尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 2、 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。 3、  用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。         虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。      虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。        普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。        虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。       LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。        图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。     利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的３２位编译器。