目录

2.1 虚拟仪器及其系统描述

2.1.1 虚拟仪器的实现原理

它不再是普通的测试系统，也不是针对特定参数的测试系统，而是一个开发平台，这个平台具有集多参数、综合测试的特点 。

2.1.2 虚拟仪器的结构

把组成虚拟仪器测试系统的基本单元，用十分简便的办法配置成真实的测试系统，系统硬件借助标准接口相连，软件依靠可重置的源代码库相连。

2.1.3 虚拟仪器的功能特点

虚拟仪器及其系统的功能，完全由用户依据自身需要自行定义，这种定义在测试开始前能够随时进行，它可以完成多参数、综合测试，并且在一段时间内还能实现若干测试系统的功能。

2.1.4 虚拟仪器的外在特性

一些特定的硬件不见了，被“虚面板”、“虚开关”、“虚按钮”等“软面板”环境所取代。

2.1.5 虚拟仪器及其系统定义

它由虚拟仪器硬件平台、通用和专用模块等硬件以及应用软件组合集成，其功能由用户定义，具备虚拟面板，用户能够自行开发用于多参数测试的测试仪器及系统。

2.1.6 虚拟仪器的实质

把测试仪器及其系统的功能集成在一个“测试功能软件库”中，将技术参数集成在一个“测试功能软件库”中，把精度指标集成在一个“测试功能软件库”中，且要有序地、保真地进行集成，通过与通用硬件搭配，通过与专用硬件搭配，在虚拟仪器及其系统中精确无误地实现被集成测试仪器及测试系统的全部功能。

专用模块硬件通常包含标准接口、外接传感器以及变送器，不管测量的是哪种物理参数，这只会对传感器的选择产生影响，而与虚拟仪器及其系统没有关系。

测试仪器充分发挥硬件的功能，其系统充分发挥软件的灵活性，充分发挥软件的可塑性。

用户定义功能是虚拟仪器必须具备的功能，它是虚拟仪器的关键所在。仪器的状态设置需要最大程度地达成可编程控制，要尽可能地运用计算机的软硬件来替代传统仪器的功能单元。

虚拟仪器的外在体现是虚拟面板，虚拟面板是虚拟仪器的基本属性之一，它还是虚拟仪器与用户的交互界面。

2.2 虚拟仪器的体系结构

2.2.1 体系结构描述

从系统设计者角度的描述

虚拟仪器的硬件组合方式是设计者研究和设计的重点，软件选取是设计者研究和设计的重点，可重复使用源代码库的结构与实现是设计者研究和设计的重点。其体系结构要考虑如何最佳、最合理地将总线系统集成在一起，要考虑如何最佳、最合理地将通用和专用模块硬件集成在一起，要考虑如何最佳、最合理地将应用软件集成在一起，以此满足测试任务的要求。其体系结构体现在系统的组成和实现上，实现包括逻辑框图的逻辑实现，实现包括程序流程图的逻辑实现，实现包括硬件连接的物理实现，实现包括功能模块性能的物理实现。

从系统使用者角度的描述

从系统使用者角度看，虚拟仪器的体系结构包含系统概念性结构及其功能特性，系统使用者借助系统开展测试，直接接触设计语言的形式、图形或其他编程语言以及透明的系统功能，系统的结构属于传统系统级的属性，是系统使用者完成测试必须知晓的结构，是系统硬件与软件的交界面。

2.2.2 体系结构定义

体系结构定义

虚拟仪器测试系统的体系结构，是从系统设计者角度来看的体系结构，是从系统使用者角度来看的体系结构，是系统硬件、软件功能的优化集成配置。

2.3 虚拟仪器及其系统功能定义

2.3.1 信号输入功能

信号输入功能

虚拟仪器具备信号输入功能，其输入功能涵盖被测量的获取与转换。对于虚拟仪器系统而言，获取被测量就是把被测量通过传感器转换为电量信号，要是需要经过变送器将该电量信号转换成标准电量，然后经由接口读入测试系统。传感器输出电量信号，其中包含幅值、频率、相位等多种信息，在有些测试里，要求虚拟仪器能够同时读入几种这样的信息，不然会导致测试信息丢失，会增加误差，甚至会让测试根本无法开展。

2.3.2 信号输出功能

信号输出功能

虚拟仪器要有激励信号输出功能，系统输出的激励信号和外加激励信号不一样，外加激励信号与测试部分是分离的，该激励信号不由系统控制，就算能由系统控制，也不同步，不能适时且任意地让系统修改。虚拟仪器系统的输出功能应具备实时修改能力，应具备任意修改能力，当根据不同的被测对象改变激励方式时，当根据被测对象不同时刻特性改变激励方式时，能够在线主动补偿，从而产生十分理想的测试结果。

2.3.3 用户定义传递函数功能

用户定义传递函数功能

虚拟仪器传递特性体现的是系统输入与输出间的一种关系，这种关系能够采用传函来予以表示。系统传函是由变换表示的，其可表示为

虚拟仪器是由总线系统、通用硬件、专用硬件以及应用软件组合集成的。其中，专用硬件涵盖了传感器、信号调理电路和接口。并且，系统传函能够被看成是几个部分的串联。

用户定义传函功能

虚拟仪器系统输出与输入的关系可以表示为

式中，G(s)=G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)是系统的总传递函数，G1(s)是传感器的传递函数，G2(s)是信号调理单元的传递函数，G3(s)是接口的传递函数，G4(s)是系统处理单元的传递函数。

用户定义传函功能

传感器传函由测试原理、材料特性、制造工艺以及使用条件等因素决定，其在使用过程中会产生误差，且无法消除该误差，所以要对该误差进行补偿。信号调理电路传函由电子电路构成，它由使用元器件电气特性以及使用条件决定。在某些测试条件下，系统不需要信号调理电路，不过为考虑一般性，还是在系统中给出了信号调理电路。接口传函由接口的电气特性以及使用条件决定，电气特性涵盖频率响应、带宽等方面。系统处理单元是系统的核心，它会对数字信号进行处理，然后将其转换成示值，该系统处理单元的传函由用户定义，在测试开始之前能够进行任意改变。

虚拟仪器能构造不同多参数测试系统，其方式是改变系统传函，让用户定义系统传函是虚拟仪器的主要功能之一。要实现用户自定义测试系统的传函，系统中至少得有一个（或一个以上）单元的传函可由用户自定义，比如：

2.3.4 图形化编程功能

图形化编程功能

多参数测试系统由专业人员进行编程，并且能使用任意一种语言。虚拟仪器系统并非普通意义上的测试系统，它与一般测试系统存在本质区别。其编程已成为系统使用的一部分。为了提供直观、简便的编程环境，充分发挥系统虚拟测试的特点，系统具备图形化编程。具有图形化编程功能是虚拟仪器系统的重要特征。

2.3.5 用户接口功能

用户接口功能

用户接口属于虚拟仪器的重要构成部分，用户借助它对系统开展功能定义，读取示值，输出数据与结果，它是用户与虚拟仪器达成人机交互的途径，其提供功能的强弱以及是否易于被用户接纳，成为用户接口设计的关键 。操作的方便性是虚拟仪器系统的重要指标，操作的简易性是虚拟仪器系统的重要指标，操作界面的美观性是虚拟仪器系统的重要指标，系统向用户提供的“虚面板”是否真实是评定系统用户接口的重要方面，系统向用户提供的“虚按钮”是否真实是评定系统用户接口的重要方面，系统向用户提供的“虚开关”是否真实是评定系统用户接口的重要方面，系统向用户提供的“虚面板”是否方便是评定系统用户接口的重要方面，系统向用户提供的“虚按钮”是否方便是评定系统用户接口的重要方面，系统向用户提供的“虚开关”是否方便是评定系统用户接口的重要方面。

2.4 虚拟仪器及其系统集成

2.4.1 虚拟仪器硬件组成

计算机硬件平台

可以采用PC机，也可以采用便携式计算机，还可以采用工作站，也能够采用嵌入式计算机，用来管理虚拟仪器的软硬件资源。

计算机技术在显示方面有发展，在存储能力方面有发展，在处理性能方面也有发展，网络有发展，总线标准有发展，这些发展推动了虚拟仪器系统的发展。

测控功能硬件

接口硬件，能够根据不同的标准接口，转换输入信号，还能转换输出信号，以供其它系统使用。

传感器：将电量信号或非电量信号转换为标准电信 号的装置。

信号调理器包括放大器、滤波器、采样保持器、多路开关、A/D转换器、接口等,数据采集器也包括这些部件。

硬件要求：

能够适用于各类应用的通用硬件架构

能够在硬件和虚拟仪器处理单元之间的高速连接

虚拟仪器具有一项优势，这项优势是最根本的。当系统需要提升时，存在能对其进行部分升级的模块。虚拟仪器的优势还在于，在使用软件对测量和自动化系统进行重新配置时具有灵活性。

2.4.2 虚拟仪器软件组成

仪器驱动程序

仪器开发软件（应用软件）

软件要求：

能够与各类I/O硬件进行连接

全面的内置测量算法

能够创建各类处理系统，可以应用于DSP和FPGA等技术。

2.4.3 硬件基础

硬件基础

虚拟仪器的硬件包含总线系统、通用模块以及专用模块等硬件。总线系统由主控计算机、零槽控制器和主机箱组成，主控计算机和零槽控制器、主机箱构成整个总线系统的控制、处理核心，该核心的性能会直接对整个系统产生影响。主机箱是总线系统必需的部件，它能为各种模块提供高质量标准的总线电源以及空气冷却系统。通用模块是广泛应用于总线的部件，它能实现特定功能，专用模块是结合实际测试对象的部件，用于测试系统，一般同输入信号调理电路结合在一起，作为测试参数变换信号的前级输入。

2.4.4 软件基础

软件基础

软件是虚拟仪器测试系统里的集成化工作开发环境，它由操作系统、编程语言、开发工具以及应用软件构成，在测试系统当中，应用软件开发涵盖与模块接口连接的底层软件，还包括中间层的模块驱动软件，以及高层的“虚拟面板”软件。最为流行的软件系统框架有WIN、WIN/NT等，系统开发软件有HP VEE、/CVI，通用编程语言有C++等

2.4.5 系统集成方法

详细了解被测试参数的特征、范围等

主控计算机和零槽控制器、主机箱的选取

系统开发环境的选取主机箱的选取

总线通用模块的选取

专用模块的选取与开发