1 引言

關于虛擬儀器，有許多種提法和分類[1~8]，如卡式儀器、總線式儀器、計算機化儀器等等，多數(shù)均強調其軟件面板，強調其虛擬界面及控制環(huán)境，強調其軟件方法，一句典型且具有代表性的口號則稱：“軟件就是儀器”！

實際上，虛擬儀器是一些借助于通用的模擬量及數(shù)字量輸入輸出平臺，通過計算機軟件，按已知的數(shù)學模型和時序實現(xiàn)的，具有信號測量、控制、變換、分析、顯示、輸出等全部或部分功能的智能化輸入輸出系統(tǒng)。

典型的虛擬儀器模式可以理解為，除了信號的輸入和輸出以外，儀器的其它操作、測量、控制、變換、分析、顯示等功能均由軟件來實現(xiàn)的一種計算機管理的數(shù)字化儀器。

虛擬儀器的出現(xiàn)，給儀器科學與技術帶來了又一次震撼，它給人一種全新的理念和感受，為人們提供了前所未有的機遇及手段，也帶來了巨大的困惑與挑戰(zhàn)。那么，虛擬儀器的核心思想是什么？它的目標是什么？能解決什么問題和達到什么效果？它有什么弱點？本文將主要討論這些問題。

2 虛擬儀器

虛擬儀器的出現(xiàn)不是偶然的，它是客觀世界發(fā)展的必然。其最直接的表現(xiàn)即是以軟件功能代替硬件功能，從而迎接測試領域的三個挑戰(zhàn)：1）測試成本不斷增加；2）測試系統(tǒng)日趨復雜；3）測試投資的保護要求。

對于測量分析儀器來說，典型的虛擬儀器結構如圖1所示。其輸入為物理世界中的信號，中間經(jīng)過數(shù)字世界的變換、處理過程，以軟件模型實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的儀器原理，輸出為物理世界的信號或數(shù)字世界的數(shù)據(jù)；這里，以A/D變換為特征的數(shù)據(jù)采集平臺是最基本的虛擬測量儀器平臺。而對于信號源類的設備來說，其輸入為數(shù)字世界的模型數(shù)據(jù)，以軟件模型實現(xiàn)傳統(tǒng)信號源中的信號波形生成原理，輸出則為物理世界的信號，如圖2所示，在這里，以D/A變換為特征的任意波發(fā)生器平臺是最基本的虛擬儀器式信號源平臺。

圖1 典型的虛擬測量儀器結構框圖

圖2 典型的虛擬儀器式信號源結構框圖

由此可見，傳統(tǒng)的儀器，其輸入、變換、處理、以及輸出，均以信號方式在物理世界中實現(xiàn)，依賴于物理原理、法則、定律，而虛擬儀器，其主導思想是將其復雜多樣的儀器原理部分，主要放到數(shù)字世界中，依賴于數(shù)學模型和算法，以信息數(shù)據(jù)處理、變換、辨識等實現(xiàn)，最終以數(shù)字方式輸出或回到物理世界以信號方式輸出。具體做法有：

1) 以數(shù)學模型的多樣性替代儀器原理的多樣性和復雜性；以軟件的變化獲得儀器功能的變化，以應對復雜性測試要求；2) 以軟件數(shù)學模型的穩(wěn)定性獲得高性能的儀器特征；3) 以硬件平臺的通用性獲得儀器的通用性、兼容性、互換性；4) 以軟件平臺的公共性獲得不同儀器的交互性與互換性。

因而可以說，虛擬儀器是跨躍物理世界與數(shù)字世界的橋梁和紐帶，在統(tǒng)一的信息世界內涵里，連接著物理世界與數(shù)字世界。

3 虛擬儀器的優(yōu)勢與效果

與其它儀器不同，虛擬儀器技術的應用有很多不同以往的優(yōu)勢，并能獲得一些截然不同的技術效果，總結歸納如下：

1）以軟件模型代替硬件原理；以軟件模型的多樣性和復雜性代替了硬件原理的多樣性和復雜性，從而降低了儀器硬件的復雜性，軟件模型沒有漂移、老化等硬件的物理弱點，因此增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2）用戶可以在通用硬件平臺上，通過變化軟件模型自行設計研制自定義的儀器；增加了儀器設備研制設計的柔性、適應性，使得儀器升級更新速度加快，成本更低，并能誕生許多新概念儀器[9,10]，導致現(xiàn)代信號處理的最新理論、技術可以在第一時間應用于儀器儀表行業(yè)。例如，人們已經(jīng)有可能研制出“統(tǒng)計特性分析儀”，以便測量分析任何一個信號的統(tǒng)計特性；可研制出專門的“周期波形分析測量儀”，以對周期信號的幅度、周期、波譜、失真、擬合函數(shù)、信號帶寬、抖動等，進行綜合]測量分析；也可以研制出專門的“小波波譜分析儀”，以便對任何感興趣的簡單或復雜信號進行小波變換分析，并輸出其波譜。讓復雜的原理和過程簡單化和平民化，使那些只了解和掌握基本概念和過程的工程技術人員，可以很容易地進行復雜繁瑣的信號波形數(shù)據(jù)處理和運算，而不必了解和掌握其詳細真實的數(shù)學過程。

3）以A/D轉換和D/A轉換為基本功能的公共硬件平臺的出現(xiàn)；導致了硬件的標準化，促使硬件成本降低，增加了通用性、兼容性和交互性。目前，主流的虛擬儀器主要是GPIB、VXI、PXI、PCI、LXI總線以及各種計算機總線（如ISA、RS232、USB、Fireware、LAN）標準的各種插卡和儀器模塊，即是標準化方面的嘗試。同時，也使得虛擬儀器模塊具有更加小巧的外形尺寸，容易組成功能強大的復雜儀器系統(tǒng)，它們擁有良好的信息相融性，可自動完成各種復雜的預定任務。