虛擬儀器概念
如果總結(jié)哪一項技術(shù)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(shù)。計算機歷經(jīng)50年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)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(jié)合，就無法再創(chuàng)新；而一旦與計算機結(jié)合在一起，則會立刻迸發(fā)出令人瞠目的活力。
傳統(tǒng)設(shè)備與計算機的結(jié)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(shè)備，完成傳統(tǒng)設(shè)備的功能；二是以傳統(tǒng)設(shè)備為基礎(chǔ)，在其上添加計算機軟硬件。以電話為例，它的發(fā)展方向：一是為計算機配備耳機、麥克風(fēng)、攝像頭等硬件，然后直接通過計算機進(jìn)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(yīng)的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，成為智能手機。
不論采用哪種融合方式，傳統(tǒng)設(shè)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(shè)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(tǒng)電話所不能比擬的。
圖 1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的結(jié)構(gòu)
在測試測量領(lǐng)域，測試儀器經(jīng)歷了與電話及其類似的發(fā)展過程。它們或者被植入CPU、內(nèi)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(fā)展方向都使得儀器的功能更強大，速度更快。但其區(qū)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(shù)開始紛紛出現(xiàn)，比如虛擬現(xiàn)實、虛擬機、虛擬儀器等。虛擬現(xiàn)實是指用計算機表現(xiàn)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(tǒng)儀器來說的。記得以前上學(xué)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(nèi)完成，這就是所謂的傳統(tǒng)儀器。而進(jìn)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(tǒng)儀器的方盒子，用戶看不到其內(nèi)部，更無法改變其結(jié)構(gòu)。因此，一臺傳統(tǒng)儀器一旦離開它生產(chǎn)線后，其功能和外觀就固定下來了。用戶只能利用一臺傳統(tǒng)儀器完成某個功能固定的測試任務(wù)。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(yōu)勢則在于，它除了基礎(chǔ)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(shè)備。這些通用的軟硬件設(shè)備可以以低廉的價格進(jìn)行升級，或者被使用者按自己意愿進(jìn)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(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)
按照系統(tǒng)中各部分之間的依賴關(guān)系，可以把一套虛擬儀器系統(tǒng)劃分成幾個層次，如圖 2所示。最籠統(tǒng)的劃分方式是把虛擬儀器系統(tǒng)劃分為軟件部分和硬件部分。
雖然軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的主體，但硬件仍然是整個系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分。硬件主要負(fù)責(zé)將被測量物理信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字信號數(shù)據(jù)，而軟件系統(tǒng)一方面負(fù)責(zé)控制硬件的工作，一方面又負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、顯示和存儲。
圖 2 虛擬儀器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
設(shè)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(zhuǎn)換為可供電腦分析的數(shù)字電信號，而不同的傳感器又需要配備不同的信號調(diào)理模塊。某些早期虛擬儀器系統(tǒng)直接通過GPIB等總線與傳統(tǒng)儀器相連，利用傳統(tǒng)儀器的硬件部分轉(zhuǎn)換和采集被測信號。
