虛擬儀器概念

如果總結哪一項技術在過去50年中，對人類生活的影響最大，那肯定是計算機技術。計算機歷經50年的發展，現在已經滲透到了日常生活的方方面面。似乎生活中的任何一件物品，不與計算機相結合，就無法再創新；而一旦與計算機結合在一起，則會立刻迸發出令人瞠目的活力。

傳統設備與計算機的結合通常有兩個方向，一是以計算機為主體，在計算機上添加某些必要硬件設備，完成傳統設備的功能；二是以傳統設備為基礎，在其上添加計算機軟硬件。以電話為例，它的發展方向：一是為計算機配備耳機、麥克風、攝像頭等硬件，然后直接通過計算機進行語音、視頻通訊；其二，是把外形和功能都縮減后的計算機直接安裝到電話上，并在安裝上相應的系統和應用軟件，成為智能手機。

不論采用哪種融合方式，傳統設備的功能都被革命性的增強了，而其成本卻不斷降低。比如說，在計算機上，可以把電話的單純語音通話功能擴展為語音視頻交流，而起每次通訊的邊際成本幾乎為零；時下流行的各種手機，在嵌入計算機設備后，除了用于通話，更可以用來娛樂甚至辦公。這些都是傳統電話所不能比擬的。

圖 1 傳統儀器與虛擬儀器的結構

在測試測量領域，測試儀器經歷了與電話及其類似的發展過程。它們或者被植入CPU、內存、安裝上軟件，具備了計算機的基本功能；或者被拆解開來，取其核心部件插入到計算機中去，使計算機具備測試功能。這兩種發展方向都使得儀器的功能更強大，速度更快。但其區別之處在于，把儀器移植到計算機上，更多考慮的是降低成本；而把計算機移植到儀器上，則更多的是為了滿足儀器小型化的需要。

在計算機運算能力強大到一定程度之后，以“虛擬”為前綴的各項技術開始紛紛出現，比如虛擬現實、虛擬機、虛擬儀器等。虛擬現實是指用計算機表現真實世界；虛擬機是指在一臺計算機上模擬多臺計算機；同樣虛擬儀器是指在計算機上完成儀器的功能。

虛擬儀器的概念是相對于傳統儀器來說的。記得以前上學做物理實驗時，常常用到萬用表、示波器等儀器，它們每臺儀器就是一個固定的方盒子，它們所有的測量功能都在這個盒子內完成，這就是所謂的傳統儀器。而進入到虛擬儀器時代，這種單一功能的方盒子開始逐漸被電腦所取代。

傳統儀器的方盒子，用戶看不到其內部，更無法改變其結構。因此，一臺傳統儀器一旦離開它生產線后，其功能和外觀就固定下來了。用戶只能利用一臺傳統儀器完成某個功能固定的測試任務。一旦測試需求改變，則必須再次購買滿足新需求的儀器。

而虛擬儀器的最大優勢則在于，它除了基礎的信號采集部分，其它軟硬件全部采用通用的計算機軟硬件設備。這些通用的軟硬件設備可以以低廉的價格進行升級，或者被使用者按自己意愿進行配置。比如，在虛擬儀器上，用戶可以通過升級CPU來加快儀器的處理速度、可以自己編寫程序來改變儀器的測試功能和交互界面。

虛擬儀器系統的軟硬件結構

按照系統中各部分之間的依賴關系，可以把一套虛擬儀器系統劃分成幾個層次，如圖 2所示。最籠統的劃分方式是把虛擬儀器系統劃分為軟件部分和硬件部分。

雖然軟件是虛擬儀器系統的主體，但硬件仍然是整個系統最基礎的部分。硬件主要負責將被測量物理信號轉換為二進制的數字信號數據，而軟件系統一方面負責控制硬件的工作，一方面又負責對采集到的數據進行分析處理、顯示和存儲。

圖 2 虛擬儀器系統的層次結構

設計虛擬儀器的硬件部分時需要考慮多種因素，以下列舉其中最主要的幾個：

* 被測量物理信號的特性。不同的物理信號需要使用不同類型的傳感器將其轉換為可供電腦分析的數字電信號，而不同的傳感器又需要配備不同的信號調理模塊。某些早期虛擬儀器系統直接通過GPIB等總線與傳統儀器相連，利用傳統儀器的硬件部分轉換和采集被測信號。