随着科学实验和工业生产的规模不断扩大和精度要求不断提高，人们建立大规模、自动化、智能化电子测控系统的需求越来越迫切。20世纪90年代发展起来的虚拟仪器技术开辟了电子测控系统的新纪元。“软件就是仪器”的思想十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。虚拟仪器技术先进，功能强大，在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域得到广泛的发展与应用。
1 虚拟仪器
所谓虚拟仪器（virtual instrument）[1]，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新一类电子仪器。一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驱动软件，他们在一起共同完成传统仪器的功能。它将计算机采集测试分析引入到电子测量领域，用数字化和软件技术极大地提高了测试的灵活性和可扩充性。
2 虚拟仪器技术的优势
虚拟仪器包括微处理器、通讯端口(如串口、GPIB 接口)、显示功能及数据采集等模块，只需要在计算机上运行软件程序即可实现数据处理等功能。同时可以通过不同接口总线将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统只是会受软件功能大小的限制。
虚拟仪器系统技术得益于现代计算机技术的进步。所有PC机主流技术的最新进展，不管是CPU的更新换代还是便携式计算机的进一步实用化，不管是操作系统平台的提升还是网络乃至Internet的应用拓展，都能够为虚拟仪器系统技术带来新的活力和好处。如具有功能超卓的处理器和文件I/O，使在数据导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析；使用网络化虚拟仪器，人们不但可以从任何地点、任何时刻获取测量信息，而且可以进行异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警，为测控领域提供了很大的方便。同时虚拟仪器又与仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起，大幅降低资金投入、系统开发成本和系统维护成本，以较少的开发时间和成本加速产品上市时间。
与基于硬件的传统仪器相比，虚拟仪器又具有无可比拟的优势：用户可定义仪器功能，系统性能升级更新方便，仪器间可重复利用，并方便与网络及周边设备连接使用，开发时间短，维护费用低。
3 虚拟仪器中的软、硬件
硬件是虚拟仪器工作的基础，其主要功能是完成对被测信号的采集、传输和显示输出结果。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。对于工业控制自动化来讲，计算机已成为一种功能强大、价格低廉的运行平台。当各种与计算机相关的创新技术产生时，虚拟仪器的应用便随之被推向一个新的层次。虚拟仪器借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。而且由于计算机的性能价格比不断提高，使得虚拟仪器的价格更能为广大用户所接受。
除了各种类型的计算机，虚拟仪器还需要有相应的外围硬件设备即各种计算机内置功能插卡和外置程控测试设备，才能构成完整的硬件体系。这里的外置程控测试设备是指带有某种接口的测试设备，如带有GPIB接口的 Pragmatic 2205A 任意波形发生器。随着硬件生产技术的不断提高，通过采用各种先进的生产技术，功能更完备、性能更优越的各种计算机内置功能插卡产品也不断面市，可以满足测试的各种应用要求。目前用得比较多的是数据采集卡和VXI仪器模块。以数据采集卡为例，它通常具有A/D转换、D/A转换、数字I/O和计数器/定时器等功能，有些还具有数字滤波和数字信号处理的功能。现在的多功能数据采集卡多采用了“虚拟硬件”(Virtual Hardware，简称VH)的技术，它的思想源于可编程器件，使用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。目前市面上的VH，其采样率和精度都是可变的。
构造一个虚拟仪器系统时，在硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能：数字滤波、频谱变换、小波分析等。软件是虚拟仪器的关键，对数据进行分析处理，通过修改程序实现功能完全不同的各种测量测试仪器,以满足各种不同的需求。当前测试系统软件技术发展的两个突出标志是：开放性测试系统软件标准的建立和先进图形化编程开发环境的发展与应用。可编程仪器标准命令（Standard Commands for Programmable Instruments,SCPI）和虚拟软件体系（Virtual Instruments Software Architecture,VISA）是自动测试领域里两个最重要的软件标准。
通常在编制虚拟仪器的软件时可以采用两种编程方法：一种是面向对象的编程语言（如Visual C++，Visual Basic），另一种是图形化编程语言（如NI公司的LabVIEW、Lab Windows/CVI和HP公司的VEE等）。对于普通计算机用户，相对于面向对象的编程语言，图形化编程语言为开发虚拟仪器软件提供了便利。LabVIEW是一种编译型图形编程环境,它把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能(图形),并用线条把各种图形连接起来的简单图形编程方式,使得不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试要求和任务快速设计出自己的程序和仪器面板,大大提高了工作效率,减少了科研和工程技术人员的工作量,因此,LabVIEW是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台。
虚拟仪器系统的软件主要分为几个层次，其中包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序.仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器,设置特定的参数和工作方式,使虚拟仪器保持正常的工作状态.应用程序主要对采入计算机的数据进行处理,用户就是通过编制应用程序来定义虚拟仪器的功能的.软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口,它可以在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面,用于显示测量的结果等,同时,用户还可以通过软面板上的开关和按钮,模拟传统仪器的各种操作,通过键盘或鼠标实现对虚拟仪器的操作[1-2].
虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与一起硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和一起硬件的测量、控制能力结合在一起。
4 虚拟仪器的类型
虚拟仪器有多种分类方法，常用地按照接口方式和采用总线方式的不同分为：PC—DAQ插卡式虚拟仪器、串行口式虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、网络化虚拟仪器、GPIB虚拟仪器、VXI虚拟仪器、和PXI虚拟仪器等[3-5]。
1)、PC—DAQ插卡式虚拟仪器借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合,通过软件中的控件设计仪器。插卡类型有ISA卡、PCMCIA卡和PCI卡等多种类型。ISA型插卡已经逐渐退出舞台。PCMCIA卡由于受到结构连接强度太弱的限制影响了它的工程应用。而PCI总线正在广泛使用，已经成为PC的事实标准。
2)、串行口式虚拟仪器采用的总线包括RS232串口总线、ＵＳＢ通用串行总线(Universal serial bus)和IEEE1394总线(又叫Fireware总线) ，成为廉价型虚拟仪器测试系统的主流。RS232串口总线是传统的串口总线方式，技术成熟，至今仍适用于测量要求不高的仪器系统中。ＵＳＢ通用串行总线和IEEE1394总线传输速率高，支持热插拔实现“即插即用”的功能，应用广泛。
3)、并行口式虚拟仪器把仪器硬件集成在一个采集盒内，仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能。
4)、网络化虚拟仪器：为了共享测试系统资源，越来越多的用户正在转向网络。各种现场总线在不同行业均有一定应用；工业以太网也有望进入工业现场，应用前景广阔；Internet已经深入各行各业乃至千家万户。嵌入式智能仪器设备联网的需求将越来越广泛。
5)、GPIB总线方式的虚拟仪器是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段，是现代测量技术与计算机技术结合的一个范例。它成功地将可编程仪器和计算机紧密联系起来，从此电子测量一起由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。用户可以充分利用自己的计算机和仪器资源，且组建方便灵活、操作简单，在VXI为主的体系结构中，有时也采用GPIB作为辅助，称补VXI仪器模块的不足。但是数据传输率较和资源利用律有局限性。
6)、VXI总线（即IEEE1155总线）方式的虚拟仪器是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，依靠有效的标准化，采用模块化方式，实现了系列化，通用化以及VXI虚拟仪器的互换性和互操作性其开放的体系结构和即插即用的方式完全符合信息产品的要求，得到众多仪器厂家支持，得到广泛的应用，成为仪器系统发展的主流。但造价较高，推广受到一定限制，
7)、PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）总线方式的虚拟仪器是以CompactPCI为基础的，由具有开放性的PCI总线扩展而来。PXI是一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性，将台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势完美地相结合起来。
5 虚拟仪器技术的应用与前景
虚拟仪器精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输使其在自动控制领域和工业控制领域得到广泛的应用。它以计算机的发展为平台，更迎合了当今信息社会等各行业向智能化、自动化、集成化发展的趋势。灵活性，软、硬件的标准化令其在仪器计量领域逐渐取代传统仪器。
网际网络的潮流将资料共享带入了一个新的阶段，加速了虚拟仪器的网络技术及远程监控技术的发展。PC技术与嵌入式系统融合发展，虚拟仪器的功能得以进一步的发展如更多的嵌入式和实时功能。随着PC技术和相关科技的发展，虚拟仪器技术已成为一项前沿学科，代表着仪器发展的最新方向，不断地被推向各个新的领域，在新的世纪将大行其道。
