隨著科學實驗和工業生產的規模不斷擴大和精度要求不斷提高，人們建立大規模、自動化、智能化電子測控系統的需求越來越迫切。20世紀90年代發展起來的虛擬儀器技術開辟了電子測控系統的新紀元。“軟件就是儀器”的思想十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。虛擬儀器技術先進，功能強大，在科研、開發、測量、檢測、計量、測控等領域得到廣泛的發展與應用。
1 虛擬儀器
所謂虛擬儀器（virtual instrument）[1]，實際上就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統，是電子測量技術與計算機技術深層次結合的、具有很好發展前景的新一類電子儀器。一臺工業標準計算機或工作站配上功能強大的應用軟件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驅動軟件，他們在一起共同完成傳統儀器的功能。它將計算機采集測試分析引入到電子測量領域，用數字化和軟件技術極大地提高了測試的靈活性和可擴充性。
2 虛擬儀器技術的優勢
虛擬儀器包括微處理器、通訊端口(如串口、GPIB 接口)、顯示功能及數據采集等模塊，只需要在計算機上運行軟件程序即可實現數據處理等功能。同時可以通過不同接口總線將虛擬儀器、帶接口總線的各種電子儀器或各種插件單元，調配并組建成為中小型甚至大型的自動調試系統只是會受軟件功能大小的限制。
虛擬儀器系統技術得益于現代計算機技術的進步。所有PC機主流技術的最新進展，不管是CPU的更新換代還是便攜式計算機的進一步實用化，不管是操作系統平臺的提升還是網絡乃至Internet的應用拓展，都能夠為虛擬儀器系統技術帶來新的活力和好處。如具有功能超卓的處理器和文件I/O，使在數據導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析；使用網絡化虛擬儀器，人們不但可以從任何地點、任何時刻獲取測量信息，而且可以進行異地或遠程控制、數據采集、故障監測、報警，為測控領域提供了很大的方便。同時虛擬儀器又與儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起，大幅降低資金投入、系統開發成本和系統維護成本，以較少的開發時間和成本加速產品上市時間。
與基于硬件的傳統儀器相比，虛擬儀器又具有無可比擬的優勢：用戶可定義儀器功能，系統性能升級更新方便，儀器間可重復利用，并方便與網絡及周邊設備連接使用，開發時間短，維護費用低。
3 虛擬儀器中的軟、硬件
硬件是虛擬儀器工作的基礎，其主要功能是完成對被測信號的采集、傳輸和顯示輸出結果。虛擬儀器的硬件主體是電子計算機，通常是個人計算機，也可以是任何通用電子計算機。對于工業控制自動化來講，計算機已成為一種功能強大、價格低廉的運行平臺。當各種與計算機相關的創新技術產生時，虛擬儀器的應用便隨之被推向一個新的層次。虛擬儀器借助計算機強大的圖形環境，建立圖形化的虛擬面板，完成對儀器的控制、數據分析和顯示。而且由于計算機的性能價格比不斷提高，使得虛擬儀器的價格更能為廣大用戶所接受。
除了各種類型的計算機，虛擬儀器還需要有相應的外圍硬件設備即各種計算機內置功能插卡和外置程控測試設備，才能構成完整的硬件體系。這里的外置程控測試設備是指帶有某種接口的測試設備，如帶有GPIB接口的 Pragmatic 2205A 任意波形發生器。隨著硬件生產技術的不斷提高，通過采用各種先進的生產技術，功能更完備、性能更優越的各種計算機內置功能插卡產品也不斷面市，可以滿足測試的各種應用要求。目前用得比較多的是數據采集卡和VXI儀器模塊。以數據采集卡為例，它通常具有A/D轉換、D/A轉換、數字I/O和計數器/定時器等功能，有些還具有數字濾波和數字信號處理的功能。現在的多功能數據采集卡多采用了“虛擬硬件”(Virtual Hardware，簡稱VH)的技術，它的思想源于可編程器件，使用戶通過程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數，從而依靠硬件設備的柔性來增強其適用性和靈活性。目前市面上的VH，其采樣率和精度都是可變的。
構造一個虛擬儀器系統時，在硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實現不同的功能：數字濾波、頻譜變換、小波分析等。軟件是虛擬儀器的關鍵，對數據進行分析處理，通過修改程序實現功能完全不同的各種測量測試儀器,以滿足各種不同的需求。當前測試系統軟件技術發展的兩個突出標志是：開放性測試系統軟件標準的建立和先進圖形化編程開發環境的發展與應用。可編程儀器標準命令（Standard Commands for Programmable Instruments,SCPI）和虛擬軟件體系（Virtual Instruments Software Architecture,VISA）是自動測試領域里兩個最重要的軟件標準。
通常在編制虛擬儀器的軟件時可以采用兩種編程方法：一種是面向對象的編程語言（如Visual C++，Visual Basic），另一種是圖形化編程語言（如NI公司的LabVIEW、Lab Windows/CVI和HP公司的VEE等）。對于普通計算機用戶，相對于面向對象的編程語言，圖形化編程語言為開發虛擬儀器軟件提供了便利。LabVIEW是一種編譯型圖形編程環境,它把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標提示的方法選擇功能(圖形),并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式,使得不熟悉編程的工程技術人員都可以按照測試要求和任務快速設計出自己的程序和儀器面板,大大提高了工作效率,減少了科研和工程技術人員的工作量,因此,LabVIEW是一種優秀的虛擬儀器軟件開發平臺。
虛擬儀器系統的軟件主要分為幾個層次，其中包括儀器驅動程序、應用程序和軟面板程序.儀器驅動程序主要用來初始化虛擬儀器,設置特定的參數和工作方式,使虛擬儀器保持正常的工作狀態.應用程序主要對采入計算機的數據進行處理,用戶就是通過編制應用程序來定義虛擬儀器的功能的.軟面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的接口,它可以在計算機屏幕上生成一個與傳統儀器面板相似的圖形界面,用于顯示測量的結果等,同時,用戶還可以通過軟面板上的開關和按鈕,模擬傳統儀器的各種操作,通過鍵盤或鼠標實現對虛擬儀器的操作[1-2].
虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與一起硬件有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和一起硬件的測量、控制能力結合在一起。
4 虛擬儀器的類型
虛擬儀器有多種分類方法，常用地按照接口方式和采用總線方式的不同分為：PC—DAQ插卡式虛擬儀器、串行口式虛擬儀器、并行接口虛擬儀器、網絡化虛擬儀器、GPIB虛擬儀器、VXI虛擬儀器、和PXI虛擬儀器等[3-5]。
1)、PC—DAQ插卡式虛擬儀器借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結合,通過軟件中的控件設計儀器。插卡類型有ISA卡、PCMCIA卡和PCI卡等多種類型。ISA型插卡已經逐漸退出舞臺。PCMCIA卡由于受到結構連接強度太弱的限制影響了它的工程應用。而PCI總線正在廣泛使用，已經成為PC的事實標準。
2)、串行口式虛擬儀器采用的總線包括RS232串口總線、ＵＳＢ通用串行總線(Universal serial bus)和IEEE1394總線(又叫Fireware總線) ，成為廉價型虛擬儀器測試系統的主流。RS232串口總線是傳統的串口總線方式，技術成熟，至今仍適用于測量要求不高的儀器系統中。ＵＳＢ通用串行總線和IEEE1394總線傳輸速率高，支持熱插拔實現“即插即用”的功能，應用廣泛。
3)、并行口式虛擬儀器把儀器硬件集成在一個采集盒內，儀器軟件裝在計算機上，通常可以完成各種測量測試儀器的功能。
4)、網絡化虛擬儀器：為了共享測試系統資源，越來越多的用戶正在轉向網絡。各種現場總線在不同行業均有一定應用；工業以太網也有望進入工業現場，應用前景廣闊；Internet已經深入各行各業乃至千家萬戶。嵌入式智能儀器設備聯網的需求將越來越廣泛。
5)、GPIB總線方式的虛擬儀器是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發展階段，是現代測量技術與計算機技術結合的一個范例。它成功地將可編程儀器和計算機緊密聯系起來，從此電子測量一起由獨立的單臺手工操作向大規模自動測試系統發展。用戶可以充分利用自己的計算機和儀器資源，且組建方便靈活、操作簡單，在VXI為主的體系結構中，有時也采用GPIB作為輔助，稱補VXI儀器模塊的不足。但是數據傳輸率較和資源利用律有局限性。
6)、VXI總線（即IEEE1155總線）方式的虛擬儀器是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，依靠有效的標準化，采用模塊化方式，實現了系列化，通用化以及VXI虛擬儀器的互換性和互操作性其開放的體系結構和即插即用的方式完全符合信息產品的要求，得到眾多儀器廠家支持，得到廣泛的應用，成為儀器系統發展的主流。但造價較高，推廣受到一定限制，
7)、PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）總線方式的虛擬儀器是以CompactPCI為基礎的，由具有開放性的PCI總線擴展而來。PXI是一種專為工業數據采集與自動化應用度身定制的模塊化儀器平臺，具備機械、電氣與軟件等多方面的專業特性，將臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優勢完美地相結合起來。
5 虛擬儀器技術的應用與前景
虛擬儀器精確的采樣，及時的數據處理和快速的數據傳輸使其在自動控制領域和工業控制領域得到廣泛的應用。它以計算機的發展為平臺，更迎合了當今信息社會等各行業向智能化、自動化、集成化發展的趨勢。靈活性，軟、硬件的標準化令其在儀器計量領域逐漸取代傳統儀器。
網際網絡的潮流將資料共享帶入了一個新的階段，加速了虛擬儀器的網絡技術及遠程監控技術的發展。PC技術與嵌入式系統融合發展，虛擬儀器的功能得以進一步的發展如更多的嵌入式和實時功能。隨著PC技術和相關科技的發展，虛擬儀器技術已成為一項前沿學科，代表著儀器發展的最新方向，不斷地被推向各個新的領域，在新的世紀將大行其道。
1 虛擬儀器
所謂虛擬儀器（virtual instrument）[1]，實際上就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統，是電子測量技術與計算機技術深層次結合的、具有很好發展前景的新一類電子儀器。一臺工業標準計算機或工作站配上功能強大的應用軟件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驅動軟件，他們在一起共同完成傳統儀器的功能。它將計算機采集測試分析引入到電子測量領域，用數字化和軟件技術極大地提高了測試的靈活性和可擴充性。
2 虛擬儀器技術的優勢
虛擬儀器包括微處理器、通訊端口(如串口、GPIB 接口)、顯示功能及數據采集等模塊，只需要在計算機上運行軟件程序即可實現數據處理等功能。同時可以通過不同接口總線將虛擬儀器、帶接口總線的各種電子儀器或各種插件單元，調配并組建成為中小型甚至大型的自動調試系統只是會受軟件功能大小的限制。
虛擬儀器系統技術得益于現代計算機技術的進步。所有PC機主流技術的最新進展，不管是CPU的更新換代還是便攜式計算機的進一步實用化，不管是操作系統平臺的提升還是網絡乃至Internet的應用拓展，都能夠為虛擬儀器系統技術帶來新的活力和好處。如具有功能超卓的處理器和文件I/O，使在數據導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析；使用網絡化虛擬儀器，人們不但可以從任何地點、任何時刻獲取測量信息，而且可以進行異地或遠程控制、數據采集、故障監測、報警，為測控領域提供了很大的方便。同時虛擬儀器又與儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起，大幅降低資金投入、系統開發成本和系統維護成本，以較少的開發時間和成本加速產品上市時間。
與基于硬件的傳統儀器相比，虛擬儀器又具有無可比擬的優勢：用戶可定義儀器功能，系統性能升級更新方便，儀器間可重復利用，并方便與網絡及周邊設備連接使用，開發時間短，維護費用低。
3 虛擬儀器中的軟、硬件
硬件是虛擬儀器工作的基礎，其主要功能是完成對被測信號的采集、傳輸和顯示輸出結果。虛擬儀器的硬件主體是電子計算機，通常是個人計算機，也可以是任何通用電子計算機。對于工業控制自動化來講，計算機已成為一種功能強大、價格低廉的運行平臺。當各種與計算機相關的創新技術產生時，虛擬儀器的應用便隨之被推向一個新的層次。虛擬儀器借助計算機強大的圖形環境，建立圖形化的虛擬面板，完成對儀器的控制、數據分析和顯示。而且由于計算機的性能價格比不斷提高，使得虛擬儀器的價格更能為廣大用戶所接受。
除了各種類型的計算機，虛擬儀器還需要有相應的外圍硬件設備即各種計算機內置功能插卡和外置程控測試設備，才能構成完整的硬件體系。這里的外置程控測試設備是指帶有某種接口的測試設備，如帶有GPIB接口的 Pragmatic 2205A 任意波形發生器。隨著硬件生產技術的不斷提高，通過采用各種先進的生產技術，功能更完備、性能更優越的各種計算機內置功能插卡產品也不斷面市，可以滿足測試的各種應用要求。目前用得比較多的是數據采集卡和VXI儀器模塊。以數據采集卡為例，它通常具有A/D轉換、D/A轉換、數字I/O和計數器/定時器等功能，有些還具有數字濾波和數字信號處理的功能。現在的多功能數據采集卡多采用了“虛擬硬件”(Virtual Hardware，簡稱VH)的技術，它的思想源于可編程器件，使用戶通過程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數，從而依靠硬件設備的柔性來增強其適用性和靈活性。目前市面上的VH，其采樣率和精度都是可變的。
構造一個虛擬儀器系統時，在硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實現不同的功能：數字濾波、頻譜變換、小波分析等。軟件是虛擬儀器的關鍵，對數據進行分析處理，通過修改程序實現功能完全不同的各種測量測試儀器,以滿足各種不同的需求。當前測試系統軟件技術發展的兩個突出標志是：開放性測試系統軟件標準的建立和先進圖形化編程開發環境的發展與應用。可編程儀器標準命令（Standard Commands for Programmable Instruments,SCPI）和虛擬軟件體系（Virtual Instruments Software Architecture,VISA）是自動測試領域里兩個最重要的軟件標準。
通常在編制虛擬儀器的軟件時可以采用兩種編程方法：一種是面向對象的編程語言（如Visual C++，Visual Basic），另一種是圖形化編程語言（如NI公司的LabVIEW、Lab Windows/CVI和HP公司的VEE等）。對于普通計算機用戶，相對于面向對象的編程語言，圖形化編程語言為開發虛擬儀器軟件提供了便利。LabVIEW是一種編譯型圖形編程環境,它把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標提示的方法選擇功能(圖形),并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式,使得不熟悉編程的工程技術人員都可以按照測試要求和任務快速設計出自己的程序和儀器面板,大大提高了工作效率,減少了科研和工程技術人員的工作量,因此,LabVIEW是一種優秀的虛擬儀器軟件開發平臺。
虛擬儀器系統的軟件主要分為幾個層次，其中包括儀器驅動程序、應用程序和軟面板程序.儀器驅動程序主要用來初始化虛擬儀器,設置特定的參數和工作方式,使虛擬儀器保持正常的工作狀態.應用程序主要對采入計算機的數據進行處理,用戶就是通過編制應用程序來定義虛擬儀器的功能的.軟面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的接口,它可以在計算機屏幕上生成一個與傳統儀器面板相似的圖形界面,用于顯示測量的結果等,同時,用戶還可以通過軟面板上的開關和按鈕,模擬傳統儀器的各種操作,通過鍵盤或鼠標實現對虛擬儀器的操作[1-2].
虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與一起硬件有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和一起硬件的測量、控制能力結合在一起。
4 虛擬儀器的類型
虛擬儀器有多種分類方法，常用地按照接口方式和采用總線方式的不同分為：PC—DAQ插卡式虛擬儀器、串行口式虛擬儀器、并行接口虛擬儀器、網絡化虛擬儀器、GPIB虛擬儀器、VXI虛擬儀器、和PXI虛擬儀器等[3-5]。
1)、PC—DAQ插卡式虛擬儀器借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結合,通過軟件中的控件設計儀器。插卡類型有ISA卡、PCMCIA卡和PCI卡等多種類型。ISA型插卡已經逐漸退出舞臺。PCMCIA卡由于受到結構連接強度太弱的限制影響了它的工程應用。而PCI總線正在廣泛使用，已經成為PC的事實標準。
2)、串行口式虛擬儀器采用的總線包括RS232串口總線、ＵＳＢ通用串行總線(Universal serial bus)和IEEE1394總線(又叫Fireware總線) ，成為廉價型虛擬儀器測試系統的主流。RS232串口總線是傳統的串口總線方式，技術成熟，至今仍適用于測量要求不高的儀器系統中。ＵＳＢ通用串行總線和IEEE1394總線傳輸速率高，支持熱插拔實現“即插即用”的功能，應用廣泛。
3)、并行口式虛擬儀器把儀器硬件集成在一個采集盒內，儀器軟件裝在計算機上，通常可以完成各種測量測試儀器的功能。
4)、網絡化虛擬儀器：為了共享測試系統資源，越來越多的用戶正在轉向網絡。各種現場總線在不同行業均有一定應用；工業以太網也有望進入工業現場，應用前景廣闊；Internet已經深入各行各業乃至千家萬戶。嵌入式智能儀器設備聯網的需求將越來越廣泛。
5)、GPIB總線方式的虛擬儀器是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發展階段，是現代測量技術與計算機技術結合的一個范例。它成功地將可編程儀器和計算機緊密聯系起來，從此電子測量一起由獨立的單臺手工操作向大規模自動測試系統發展。用戶可以充分利用自己的計算機和儀器資源，且組建方便靈活、操作簡單，在VXI為主的體系結構中，有時也采用GPIB作為輔助，稱補VXI儀器模塊的不足。但是數據傳輸率較和資源利用律有局限性。
6)、VXI總線（即IEEE1155總線）方式的虛擬儀器是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，依靠有效的標準化，采用模塊化方式，實現了系列化，通用化以及VXI虛擬儀器的互換性和互操作性其開放的體系結構和即插即用的方式完全符合信息產品的要求，得到眾多儀器廠家支持，得到廣泛的應用，成為儀器系統發展的主流。但造價較高，推廣受到一定限制，
7)、PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）總線方式的虛擬儀器是以CompactPCI為基礎的，由具有開放性的PCI總線擴展而來。PXI是一種專為工業數據采集與自動化應用度身定制的模塊化儀器平臺，具備機械、電氣與軟件等多方面的專業特性，將臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優勢完美地相結合起來。
5 虛擬儀器技術的應用與前景
虛擬儀器精確的采樣，及時的數據處理和快速的數據傳輸使其在自動控制領域和工業控制領域得到廣泛的應用。它以計算機的發展為平臺，更迎合了當今信息社會等各行業向智能化、自動化、集成化發展的趨勢。靈活性，軟、硬件的標準化令其在儀器計量領域逐漸取代傳統儀器。
網際網絡的潮流將資料共享帶入了一個新的階段，加速了虛擬儀器的網絡技術及遠程監控技術的發展。PC技術與嵌入式系統融合發展，虛擬儀器的功能得以進一步的發展如更多的嵌入式和實時功能。隨著PC技術和相關科技的發展，虛擬儀器技術已成為一項前沿學科，代表著儀器發展的最新方向，不斷地被推向各個新的領域，在新的世紀將大行其道。
