摘 要：虚拟仪器数据采集、信号处理、文件存取等功能的实现紧密依赖于系统硬件平台的性能，不同硬件平台下的性能表现会有很大的差异。它能够对由数据采集卡、配套软件与计算机硬件平台所组建的虚拟仪器进行测试并获得具体的系统性能参数创建了对虚拟仪器软硬件系统性能参数的测试与评价体系。

关键词：LabVIEW；虚拟仪器；系统优化

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助你创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。随着社会的发展和科学技术的进步，现代社会对测量仪器的需求越来越广泛，对仪器的性能要求也越来越高。以虚拟仪器为代表的新型测量仪器改变了传统仪器的思想，充分利用计算机强大的软硬件功能，把计算机技术和测量技术紧密结合起来，是融合了电子测量、计算机和网络技术的新型测量技术。特别是基于计算机平台的各种测量仪器。

1 虚拟仪器背景与现状

实验是教学活动中一个必不可少的过程，尤其是对于电工电子类等实践性很强的专业，实验教学环节更是至关重要。学生只有通过足够的验证实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，才能获得一定的综合测试技能和实验能力，并初步具有处理实际测试工作的能力。仪器是实验的基础，是保证这些综合性测试实验的开设质量的关键。随着测试仪器的数字化、计算机化的发展趋势，传统测试仪器渐渐有被取代的趋势。如果运用虚拟仪器技术，以微机为基础，构建集成化测试平台，代替常规仪器、仪表，不但满足电工电子实验教学的需要，而且将这批微机可作为其他有关计算机课程教学用机，大大提高了设备利用率，降低了实验室建设的成本。

虚拟仪器（Virtual Instrument）是随着微电子技术、计算机技术、软件技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，它经历了电磁指针式仪器、分立元件式仪器、数字式仪器、智能式仪器发展等进程，特别是上个世纪80年代末以来，新的测试理论，新的测试方法以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，测量仪器的功能和作用发生了质的变化。虚拟仪器技术的发展使现代测量技术和计算机技术真正地融合在一起，是计算机技术和现代测量技术的高速发展共同孕育出的一项革命性新技术。它的出现对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。

如今，虚拟仪器已成为许多发达国家所重点研究的领域，以美国国家仪器公司（NationalIn struments，简称NI）、惠普公司（Hewlet Packard，简称HP）、Tektronix和Racal等公司为首的虚拟仪器在测试领域呈现出越来越大的影响力。国内方面，各高等学校及科研机构从90年代开始也积极开展虚拟仪器的研究工作，研制具有自主知识产权的虚拟仪器软件平台，并开发相应的虚拟仪器设备。

目前虚拟仪器广泛应用于工业自动化和控制系统、图像的采集和分析处理、系统仿真、运动控制、远程监控、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断、电子工程、电力工程及教学科研等诸多领域。可以看出，虚拟仪器开发及应用已经进入高速发展的时期。

2 虚拟仪器及相关理论

2.1 虚拟仪器介绍

虚拟仪器的概念是通过配置具有数字接口（数据采集卡DAQ、GPIB总线、串口RS232/RS485、VXI总线等）的测量仪器，获取调理信号，并利用计算机平台实现不同测量功能的软件系统。虚拟仪器充分利用了计算机的计算、存储、显示等功能。

2.2 信号采集相关技术

不同信号的测量方式对采集系统的要求不同，因此，虚拟仪器的开发需要首先了解被测信号，以便选择合适的测量方式和采集系统配置。信号所运载信息很广泛，如：状态（state ）、速率（rate）、电平（level）、形状（shape）、频率成分（frequency content）。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为数字和模拟信号。数字信号分开关信号和脉冲信号两种；模拟信号分为直流、时域以及频域信号

压信号可以分为接地和浮动两种类型。接地信号将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。

两种信号源和三种测量系统一共可以组成六种连接方式。其中，浮动信号和差动连接方式较好。实际测量时可根据具体情况而定。测量接地信号需采用差分或NRSE测量系统。如采用RSE测量系统，将会给测量结果带来较大的误差。图2.2展示了使用RSE方式测量一个接地信号源，测量电压Vm是测量信号电压Vs和电位差DVg之和，其中DVg是信号地和测量地之间的电位差，这个电位差来自于接地回路电阻，而接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰。一种避免接地回路形成的办法就是在测量信号前进行隔离。

当信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小时，也可采用RSE连接。此时接地回路电压相对于信号电压来说很小，信号源电压的测量值受接地回路的影响可以忽略。

如输入信号是直流，只需要用一个电阻将负端与测量系统的地连接起来。然而如果信号源的阻抗相对较高，从免除干扰的角度而言，这种连接方式会导致系统不平衡。在信号源的阻抗足够高的时候，应该选取两个等值电阻，一个连接信号高电平到地，一个连接信号低电平到地。如果输入信号是交流，就需要两个偏置电阻，以达到放大器的直流偏置通路的要求。信号采集的相关方式还有多通道采样方式、抖动技术、触发、分辨率等。

2.3 信号测量范围

信号测量范围由A/D转换器能数字化的模拟信号的最高和最低的电压决定。一般情况下，采集卡的输入信号范围是可调的，所以可选择和信号电压变化范围相匹配的电压范围以充分利用分辨率范围，，得到更高的精度. PCI-6040E支持最大±10v的输入电压，测试电压范围通过软件设定。

2.4 增益

增益主要用于在信号数字化之前对衰减的信号进行放大。使用增益，可以等效地降低A/D的输入范围，使它能尽量将信号分为更多的等份，基本达到满量程，这样可以更好地复原信号。因为对同样的电压输入范围，大信号的量化误差小，而小信号时量化误差大。当输入信号不接近满量程时，量化误差会相对加大。通常通过选择合适的增益，使得输入信号动态范围与A/D的电压范围相适应。当信号的最大电压加上增益后超过了板卡的最大电压，超出部分将被截断而读出错误的数据。

选择的增益和输入范围要与实际被测信号匹配。如果输入信号的改变量比采集卡的精度低，就可以将信号放大，提高增益。选择一个小的输入范围或提高增益可以提高精度，但这可能会使信号超出A/D允许的电压范围。选择一个大的输入范围或降低增益可以测量大范围的信号，但这是以精度的降低为代价的。

3 发展趋势

计算机速度的提高，软件可以实现更多的功能，新器件新技术的应用使仪器功能越来越强大，仪器的价格也越来越低。随着电子技术、网络技术和计算机技术的不断发展，虚拟仪器技术的更新也越来越快，更多的新技术以前所未有的速度不断地融入到虚拟仪器中。就目前而言，虚拟仪器的发展呈现出以下几种发展趋势。

GPIB将被LXI和USB代替：现今，GPIB总线将由LXI替代，VXI仪器虽然还在生产，但市场已经缩小，新模块新产品推出不多。为了将PXI总线产品推进到更高价位的大型系统，PXI联盟及时采取新措施，一是保留原有的3U板卡和机箱，再增加6U板卡和机箱，二是随着PCI总线升级到PCIExpress总线，保留PXI总线并扩充成PXIExpress总线。

组件化趋势：计算机技术的迅速发展得益于它的开放式体系结构和标准的模块化结构，受这种思想的影响，虚拟仪器也朝着组件化的方向发展。在软件方面，组件化的趋势更加明显。

虚拟硬件：（VH）虚拟硬件（virtual hardware， VH）的思想源于可编程器件。用户可以通过编程方便地改变硬件的功能和性能参数，从而依靠硬件设备的柔性（flexibility）来增强其适应性和灵活性。目前市面上的VH，其采样率和精度都是可变的。

参考文献

[1]白鹏，贾惠芹，阎晓艳.虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI教程[M] .北京：电子工业出版社，2001.

[2]刘君华.虚拟仪器图形化编程语言[M] .西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[3]张易知.虚拟仪器的设计与实现[M] .西安：西安电子科技大学出版社，2002.