1.4　虚拟仪器的种类

虚拟仪器发展到今天，根据构建其所选用硬件的不同，大致可分为以下四种。

第一种是DAQ类型（Data AcQuisition）即数据采集型的虚拟仪器，如图1.5所示。它的主要硬件构成是计算机加数据采集卡，早期的这种类型的虚拟仪器，是将数据采集卡直接插到计算机的PCI槽上。目前更常见的是，通过USB口使计算机与数据采集卡相连。这种类型虚拟仪器的优点是简单、硬件通用性强，因而成本较低（这里的低成本，是相对其他三种类型的虚拟仪器而言的）；缺点是技术性能指标不高，且电磁兼容性差，并发性能弱。与其他三种类型的虚拟仪器相比，这种类型虚拟仪器所用的数据采集卡的采样率较低（一般最高为2MHz），但分辨率较高（一般为14位，最高可达16位）。

图1.5　DAQ类型的虚拟仪器

第二种是仪器控制型的虚拟仪器，如图1.6所示。所谓仪器控制，是将实际存在的仪器设备与计算机连接起来协同工作。对于实际仪器而言，一般具有采样率高（能达到上GHz）但分辨率不高（一般为12位）的特点。实际仪器与计算机相连，有很多种通信标准接口可以使用，工业中常用的有GPIB接口，简单的有RS-232C串口等，还有带USB口和网络接口的仪器。如果采用GPIB总线进行连接，则一般要求每台仪器提供一个GPIB接口，同时在计算机端也要加装一块GPIB接口卡；如果采用串口进行连接，则可直接利用计算机上自带的串口。

实际仪器要与计算机连接，那该仪器必须是可控的，亦即该测量仪器本身应支持与计算机之间进行通信的功能。这意味着，测量仪器与计算机之间存在适当的连接通路，计算机在硬件上支持该连接通路，并装有实现对该测量仪器控制的程序；同时，测量仪器与计算机通信一定要遵循有关的通信协议。

图1.6　仪器控制型虚拟仪器

第三种是模块化的虚拟仪器，如图1.7所示。目前，使用较多的有VXI、PXI及LXI等仪器。PXI仪器集合了前两种仪器（DAQ仪器和控制型仪器）的特点，是由一台计算机与可插入多块不同测量仪器硬件板卡的仪器机箱共同构成的虚拟仪器。其中，计算机与仪器机箱之间是通过专有的仪器总线加以连接并实现通信的。PXI仪器有自己专门的机箱和主板，每一种仪器都做成一块硬件功能板卡，插在专门的机箱内。

图1.7　PXI仪器

PXI仪器具有以下特点：是插卡式的，没有硬件的仪器面板，各种仪器的功能操控和输出显示都由计算机屏幕完成；结构紧凑，便于多台测量仪器的系统集成和连网；技术性能好，能更好地实现并行操作；价格相对较高。

第四种是嵌入式虚拟仪器。构建这种虚拟仪器，测量应用程序的大部分功能例如采集、运算、分析、处理等，均在下位机即嵌入式仪器中实现，而计算机基本仅起到显示测量结果的作用。利用嵌入式虚拟仪器，可以更好地实现实时测量。图1.8所示为一种具体的嵌入式虚拟仪器^[10]。

此外，随着数字化、智能化测量技术的不断发展，以及实际测量或测控需求的不断扩展，还出现了上面几种类型虚拟仪器技术的融合。例如，出现了DAQ类型仪器与模块化仪器的结合，如图1.9所示的OpenScope^[11]，它既具有DAQ数据采集卡的功能，也具备模块化仪器的功能，可以当作示波器使用，小巧便携，易操作。在“互联网+”时代，OpenScope配置有WiFi无线虚拟仪器接口，可以通过无线的方式远程进行配置和使用，同时它还符合当前硬件开源的趋势，其设计原理图完全公开，属于开源的综合类智能仪器，目前已被成功应用于高等工科学校的雨课堂教学中。

图1.8　嵌入式虚拟仪器（CompactRIO）（非计算机部分）

图1.9　开源综合智慧虚拟仪器DIGILENT OpenScope

根据前面的介绍，从使用的硬件角度看，虚拟仪器可大致分为以上四类。而要构建一台完整的虚拟仪器，不仅需要硬件，软件更是其关键部分。虚拟仪器应用软件的编程开发环境也有很多种。根据所采用编程语言的特点，虚拟仪器应用软件的开发环境大致可以分为两类，一类是文本式编程语言，比如CVI/Lab Windows、MATLAB、VC和VB等；另一类是图形化编程语言，其中最具代表性的就是LabVIEW。本教材仅限于介绍如何利用LabVIEW来构建虚拟仪器。