摘要 本文介绍了虚拟仪器的结构和特点，通过对 PCI、PXI、VXI三种不同总线主要性能的比较，指出了基于三种不同总线的虚拟仪器测试系统的特点及应用范围。
主题词 虚拟仪器 PCI PXI VXI
1、引言
PXI（PCI面向仪器的扩展）是一个新的模块化仪器平台，它能够提供高性能的测量，而价格并不十分昂贵。利用PXI模块化仪器，您可以充分享受开放式工业标准化PC技术所带来的低成本、简便易用性、灵活性及高性能等优点。PXI的核心技术是CompactPCI工业计算机体系结构、Microsoft Windows 软件及VXI的定时和触发功能。
2、电子测量仪器的发展
电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。
第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室仍能看到，如指针式万用表、晶体管电压表等。
第二代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。
第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，相对虚拟仪器而言，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。
第四代虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展一个重要方向。
3、什么是虚拟仪器
虚拟仪器(Virtual Instruments,简称VI)的概念，是美国国家仪器公司(National Instruments Corp.简称NI)于1986年提出的。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统；是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。
3.1、虚拟仪器的优点
与传统仪器相比，虚拟仪器有以下优点：
（1） 融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。
（2） 利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性；通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理；通过图形用户界面(GUI)技术，真正做到界面友好、人机交互。
（3） 基于计算机总线和模块化仪器总线，仪器硬件实现了模块化、系列化，大大缩小系统尺寸，可方便地构建模块化仪器（Instrument on a Card）。
（4） 基于计算机网络技术和接口技术，VI系统具有方便、灵活的互联(connectivity)，广泛支持诸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各种工业总线标准。因此，利用VI技术可方便地构建自动测试系统（ATS，Automatic Test System），实现测量、控制过程的网络化。
（5） 基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。
3.2、虚拟仪器的硬件系统
虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。
计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。
按照测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、VXI、PXI和DAQ四种标准体系结构。
（1） GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准--IEEE 488.1和IEEE 488.2。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循IEEE 488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动。这种概念已被应用于仪器的内部设计。在价格上，GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器。但是GPIB的数据传输速度一般低于500kb/s，不适合于对系统速度要求较高的应用。(标准接口总线在20m距离内，若每2m等效的标准负载相当于使用48mA的集电极开路式发送器，则最高工作速率是250kb/s，若采用三态门发送器，一般速率为500kb/s，最高可达1000kb/s。)
（2） VXI（VMEbus eXtension for Instrumentation）即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年在VME总线、Eurocard标准（机械结构标准）和IEEE 488等的基础上，由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。VXI 系统最多可包含 256个装置，主要由主机箱、"0槽"控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。目前，国际上有两个VXI总线组织。①VXI联盟，负责制定VXI的硬件（仪器级）标准规范，包括机箱背板总线、电源分布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性以及系统资源管理和通讯规程等内容；②VXI总线即插即用(VXI Plug&Play，简称VPP)系统联盟，宗旨是通过制订一系列VXI的软件（系统级）标准来提供一个开放性的系统结构，真正实现VXI总线产品的"即插即用"。这两套标准组成了VXI标准体系，实现了VXI的模块化、系列化、通用化以及VXI仪器的互换性和互操作性。VXI的价格相对较高，适合于尖端的测试领域。
（3） PXI（PCI eXtension for Instrumentation）PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是 CompactPCI结构和Microsoft Windows软件。 PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足试验和测量用户的要求。PXI兼容CompactPCI机械规范，并增加了主动冷却、环境测试（温度、湿度、振动和冲击试验）等要求。这样，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。
（4） DAQ（Data AcQuisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、
PCI、PC/104等）的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer-Based Instruments），实现"一机多型"和"一机多用"。 在性能上，随着A/D转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展，DAQ的采样速率已达到1Gb/s，精度高达24位，通道数高达64个，并能任意结合数字I/O，模拟I/O、计数器/定时器等通道。仪器厂家生产了大量的DAQ功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在ＰＣ计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的ＰＣ仪器。
3.3、虚拟仪器的软件系统
虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。基于软件在VI系统中的重要作用，NI提出了"软件就是仪器（The software is the instrument）"的口号。VPP系统联盟提出了系统框架、驱动程序、VISA、软面板、部件知识库等一系列VPP软件标准，推动了软件标准化的进程。
虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。
VISA（Virtual Instrumentation software Architecture）虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个I/O函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。
仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。
应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。
虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式：
①用通用编程软件进行编写。主要有Microsoft公司的Visual Basic与Visual C++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder；
②用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的VEE、 NI公司的LabVIEW 和Lab windows/CVI等。
应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和细化分析等；时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分
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