13 虚拟仪器自身的特点

1-3虚拟仪器自身的特点虚拟仪器发展到今天已经受到越来越多的关注，这种计算机软、硬件技术和数字信号处理技术完美结合的新型测量仪器的出现，导致了电子仪器的设计理念和设计方法都发生了许多重大改变由于虚拟仪器适应了现代自动化测量系统网络化与智能化的发展趋势，所以它必将成为新世纪电子测量仪器的发展方向，并将在各个工程领域得到更加广泛的应用下面根据我们在学习、应用虚拟仪器实践中所获得的体会，具体谈谈虚拟仪器自身的一些特点

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3.1虚拟仪器充分利用了现代计算机的软、硬件资源虚拟仪器是基于计算机的测量仪器，毫无疑问，它必将充分发挥和利用计算机上的所有资源虚拟仪器具有最好的硬件运行环境

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1.1根据虚拟仪器构成，我们知道虚拟仪器是建立和运行在现代计算机上，这使得虚拟仪器天生就具有得天独厚的硬件运行环境，并且随着计算机技术的不断发展虚拟仪器的运行环境也得到不断地提升虚拟仪器凭借着现代计算机CPU的多核技术（目前8核已商业化）、以nGHz/s为单位的超高速指令执行速度、数据吞吐超强的总线带宽（PCIe）以及以G为单位的数据存储能力，使得基于计算机的测量向着多通道同步采集和实时数据分析处理、实时显示等方面迈出了坚实的一步由于计算机的介入从而导致测量能力上的提升是其它智能化仪器系统所无法赶超和比拟的在此之前做功率、电能表项目调研时，曾看到国外某公司一款嵌入式计算机的单、三相功率、电能表在它内部共用四块486芯片，其中每相功率测量（电压、电流）都用一片486做数据采集控制和数据处理，最终还要用一片486做三相功率的数据处理及整个系统的控制管理通过这样的对比，可以看出虚拟仪器的运行引擎是最强大的现代计算机本身已经配备有丰富的硬件接口资源，比如PCIPCIeVXIPXIPXIeRS232USB1394WiFiEthernet PCMCIAExpressCard虚拟仪器完全可以充分利用这些现成的、丰富的接口资源事实上，NI公司已经为这些接口设计了众多功能不同的数据采集模块这些总线不同、功能各异的数据采集模块，为虚拟仪器设计提供了丰富的、可供选择的硬件资源特别是NI在最近几年先后推出了基于USB接口的CDAQ数据采集平台、基于无线通讯的WiFi数据采集模块、基于Ethernet的网络数据采集模块为虚拟仪器应用创造了更加理想的工作模式比如，在对大推力振动台测试时振动台所产生的噪声特别大，特别是在做扫频振动测试时，随着扫频频率的改变振动台会发出让人实在难以忍受的噪音如果采用基于无线的WiFi数据采集模块或基于Ethernet的网络数据采集模块作为虚拟仪器数据采集模块，人们就可以远离测试现场从而避免噪声的侵扰在有，现代电子测量仪器是离不开供电电源的，可是在有些场合寻找合适的供电电源的确是一件很麻烦的事我们曾经在Y现场便携式的应变测量仪的设计方案中，选择了基于USB接口的NI USB9237数据采集模块，使用它不仅解决了信号调理的问题（模块自带供桥电源等信号调理部分），同时还间接的解决了供电的问题与它配合使用的是MacBook笔记本电脑，笔记本锂电池在同时为笔记本和数据采集模块供电的情况下，其续航能力不低于5个小时现代计算机具有高分辨力、色彩逼真、超大显示面积的高清显示器，相对于虚拟仪器这种完全基于交互式图形界面的测量仪器而言，无论是设计还是应用都堪称是绝佳的工作环境现代计算机具有不同的构成模式，如台式机、笔记本、上网本等这些无疑对虚拟仪器的应用提供了更加灵活的、方便的选择作为虚拟仪器的设计者和使用者，根本无须考虑对计算机本身的改进和提高，只需将精力和注意力放到测量任务本身上因为现代计算机只是虚拟仪器的运行平台，我们只不过是在使用和利用这个平台现代计算机是由第三方来制造的，我们大可不必关心如何提高它的技术性能，这些应该由计算机设计者和制造商来充分考虑我们只需尽情享受和利用它们为我们提供的性能越来越好的产品虚拟仪器具有最丰富的软件资源

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1.2现代计算机采用的都是基于可视化图形操作系统，如Windows、Mac OS、Linux虚拟仪器应用软件象o其它应用软件一样可以运行在上述任何一种操作系统平台上由于可视化操作系统都是基于响应鼠标、键盘事件的，同时根据事件的处理方式可即时弹出交互式窗体或对话框，进行人机对话的操作这种操作形式恰恰也是虚拟仪器所期待的最佳的操作方式操作系统平台的特性将必然反映到虚拟仪器的设计之中，因为这是操作者所十分熟悉的操作方式借助于可视化操作系统平台，虚拟仪器可以将传统仪器前面板上的硬件部件，比如按键、开关、图形指示器等，用软件图形或图标的方法设计在应用软件的前面板上这些软件面板的逼真度看起来与真实的传统仪器前面版几乎没有太大的区别，使用时可以通过鼠标或键盘来操纵和控制它们千万要记住，它们是“永不磨损〃的！当然修改和更新变换都是通过对软件重新编程来实现的这里需要注意的是尽管可视化操作系统的运行环境十分强大，但它还是有不尽如人意的地方，它的实时性就远不如嵌入式系统好解决这个问题的方法是可以选择使用”实时〃平台现代计算机作为应用平台有众多的第三方应用软件，比如Word、Excel等，诚然虚拟仪器也可以充分地利用这些有效的资源现在Google地图、GPS定位在虚拟仪器中应用已经不是什么难事了甚至是远程网络测量仪器做起来也易如反掌

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3.2虚拟仪器强调”软件就是仪器〃在刚刚接触虚拟仪器时，它带给我们印象最深的就是它所宣称的”软件就是仪器〃的概念这在NI公司早期的宣传资料中随处可见，包括在它的Logo上参见下图N/KTIONALINSTRUMENTSThe Softwaretithe Instrument尽管现在已经看不到这样的标记，但这个理念对虚拟仪器来讲是极为重要的它强化了软件在虚拟仪器中所起到了不可忽视的重要作用，这也是虚拟仪器最值得推崇的地方虚拟仪器软件的重要性在于一一数据采集模块仅提供原料

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2.1通过前面有效值测量的介绍可以看出，数据采集模块采集来满足采样定理的数据相当于原始资料，至于做什么样的分析处理取决于按测量要求选取什么样的分析处理函数这个特点说明虚拟仪器的测量功能是可以灵活的根据需要来选择确定灵活性还体现在它可以任意减少和添加测量功能，因为这些完全是通过软件编程来实现的例如，测量任务要求做信号中的有效值分析，那么就选择有效值测量分析的函数（如何获得和使用这些函数在后面的Lab VIEW部分会谈到）；如果需要测量分析信号中的谐波分量，那就选择使用谐波分析函数来进行处理这些分析处理函数都是通过程序来实现的软件的有效值分析函数完全取代了传统仪器中AC-DC转换器的硬件电路在虚拟仪器中，许多传统仪器中的硬件电路都消失了或者说被软件取代了而原来硬件电路所固有的一些非理想特性也都随之消失了比如，非线性的问题、温度漂移的问题、转换系数有误差的问题等可以说此时的测量特性仅仅取决于数据采集模块的技术性能计算机所带来的的运算误差是完全可以忽略不计的NI提供了近乎满足工程测试分析所需的绝大部分函数，这些函数经过多年来的使用、验证，可以断定是非常可靠和可信的虚拟仪器设计并非是要我们去设计这些函数（当然有这个能力会更好），而是重点考虑应用程序的软件设计和开发这点与嵌入式智能仪器设计不一样，尽管它们可能都是基于数据采集原理的，嵌入式系统可能会需要自行设计这些函数这种基于软件的处理方式被称为数字信号处理技术（离散数据处理），数字信号处理技术就是基于计算机的信号处理方法，也就是基于软件的信号处理方法在这种处理方法中，我们所熟悉和常见的许多模拟电路也都不见了，包括运算电路、滤波器电路等（如果你曾设计过这些模拟电路，就会清楚在设计、调试中会存有多少麻烦），取而代之的是那些基于软件的分析处理函数正因为如此，强调软件在虚拟仪器中的重要性是十分必要的

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2.2虚拟仪器软件的重要性在于——数据采集模块可重复使用强调软件在虚拟仪器中的作用，并不是说硬件就不重要了其实上面曾谈到过测量结果的好坏取决于数据采集模块的技术性能，这点应该是毋庸置疑的由于硬件的技术特性是确定性的无法再变更的，而软件处理则显得相对灵活些，所以会显得软件的作用似乎更大事实上，作为虚拟仪器本身来讲软件和硬件的重要性是同等的这也是为什么目前人们不再过分强调”软件就是仪器〃的主要原因之一数据采集模块通常是以通用系列的形式出现的，并明显带有时代的标记比如象NI的E系列、S系列、M系列、C系列、X系列数据采集模块从测量准确度的角度看X系列还没有M系列的好，但X系列中提供了同步采集模块，而M系列则不具备同步采集功能而大部分C系列模块却显得专用性更强些现在E系列和S系列模块明显有被淘汰的趋势虚拟仪器所使用的硬件模块并不局限在一种虚拟仪器上使用，同一个数据采集模块可以配置不同测量分析功能的应用程序使用在不同的测量项目上甚至可以为一种数据采集模块建立一个应用软件库，实现不同的测量任务需求也就是说硬件是可以被重复使用的比如，NI6251数据采集模块就可以即用于多通道模拟测量、又可以用于多通道信号生成、还可以被用于扫频信号的生成和测量，而同样也可以实现数字信号测量和生成，似乎唯一的不足就是无法实现同步模拟测量这样一个模块加若干应用软件就完全可以组建一个小型的虚拟仪器实验室NI专门为设计了数据采集模块的3仅动程序DAQmx由于软件和硬件来自同一个设计制造公司，所以他们之间的连接是无缝的，这也为虚拟仪器的应用提供了极为有力的保证虚拟仪器设计需要对硬件有充分的了解，甚至需要有一定的模电知识作为基础作为工程应用还要对传感器有相应了解

132.3虚拟仪器软件的重要性在于——测量功能取决于用户需求虚拟仪器是面对需求的测量仪器，它具备什么样的测量功能完全取决于用户的需求或项目的需求测量功能的实现基本依赖于软件的设计换句话说，虚拟仪器可以通过软件设计实现自定义的测量功能这就使得我们可以在一种总线架构上实现多种测量仪器的组合比如在一个标准CDAQ机箱中，至少可以插入8块C系列数据采集模块，组建成更复杂的自动化测试系统利用虚拟仪器中模块化仪器的功能，我们甚至在PXI平台上可以实现基于虚拟仪器技术的数字万用表、任意波形发生器、示波器、数字频率计、可编程电源和源测量单元、动态信号测量、RF无线电信号采集和发生与分析、开关、数字波形发生器/分析仪等通用仪器，基本实现在一个平台上就可以获得一个通用实验室所需的主要的实验仪器虚拟仪器在一些特殊要求的测试任务中也时常可以发扬出它的优势某承担国家重点项目的用户在设计大地振动测量仪中，缺少甚低频信号源，信号频率至少要低达

0.01Hz并且要求小信号时的幅值稳定我们很快就设计出基于虚拟仪器技术的信号发生器，经他实际测试发现效果非常好，并通过测试发现他的测震仪在低频段有类似的衰减现象我们的实验室几乎没有什么传统的仪器设备，因为我们完全可以根据测试需求自行设计我们试验所需的设备比如，在做功率、电能表的项目论证时，我们就自己设计了三相工频谐波标准信号发生器，经测试试验和上级计量部门检定技术性能完全满足设计要求，并用它验证了三相功率、电能表的谐波测量性能总而言之，虚拟仪器可以快速、及时的为工程测量提供有效的方法和手段。