仪器仪表的发展历程

为了说明虚拟仪器是仪器科学发展中的必然产物，这里回顾一下测试测量仪器的发展过程，这将会为我们认识虚拟仪器产生的必然性提供一定的启发。

传统的硬件化仪器中，模拟式测试仪器具有最长的历史。最早的模拟仪器始于19世纪末至20世纪初，当时出现了许多描述物理现象的定律，需要相应的电测仪器、仪表来定量地加以验证。这一时期发明了一系列基于物理定律的模拟式仪表，这些仪表中最典型的有伏特表、安培表、功率表、测温仪和电桥式电位差计等磁电式模拟仪器仪表。这些仪器仪表虽然简单，但是解决了许多物理学的测量问题，至今在不少场合中仍在使用。

自20世纪初至50年代，测量仪器仪表的材料及器件的性能有了较大的发展和提高，出现了电子管、离子管这类全新的电子器件。同时，测试测量的理论和方法与新兴的电子技术、控制技术相结合，又出现了功能很强的电子仪器，产生了以记录仪、电子示波器、信号发生器等为代表的模拟式电子仪器。

随着晶体管与集成电路的出现，数字技术在测试测量仪器中取得了成功的应用，并大量取代了模拟式仪器，20世纪50年代后期至60年代出现的数字式仪器仪表，如数学电压表、数字电流表、数字频率计、数显表、记忆示波器等是第二代仪器仪表——数字式测量仪器中的典型代表。

数字式仪器的特点是将模拟信号的测量转变为对数字信号的测量，并以数字形式呈现和输出测量结果。这类仪器特别适用于要求快速响应和高精度的测量领域。(www.xing528.com)

在数字式仪器中置入微处理器，将计算机技术与仪器仪表技术紧密结合，使仪器具有数据存储、数据处理（即运算）、逻辑判断、自动选程、自动补偿、仪器自检等功能，从而部分取代人脑的工作，这类仪器称为智能仪器。这种将计算机技术与仪器技术充分结合的智能仪器，已成为现代仪器仪表的主流。但是应该看到智能仪器的功能模块主要还是硬件和在硬件中固化的软件，就整体而言，它还是硬件或以硬件为主的仪器，仍然具有一定的封闭性和缺乏灵活性等传统硬件仪器的特点。因此，开发一种新的仪器模式便成为仪器仪表领域发展的历史要求，也是技术发展的必然趋势。

20世纪80年代中期，随着计算机技术与电子技术的飞速发展，在以计算机为平台的测控仪器中，软件和总线的作用日益突出，测试仪器的物理功能越来越多，需要计算的功能越来越强，传统的硬件化仪器的固有缺点（如封闭性、缺乏灵活性、响应速度慢等）已使它越来越不能满足测试仪器功能日益强大的要求，因此，需要在大范围内，用软件逐步、部分地取代硬件便成为仪器仪表领域的一项迫切需要解决的问题，有的学者甚至认为“虚拟仪器”的出现是被传统仪器的某些缺陷逼出来的。同时，因为被测对象的频率范围越来越宽，因此，要求总线具有相应的高速数据传输能力和灵活的扩展性能；另外，面对各种各样复杂的测试要求，希望软件系统不仅能完成测试所需的功能，而且还要易于使用。计算机总线技术、软件技术及相关技术的发展，使得微机在计算机仪器上的作用远远超出了计算机仪器发展初期主要是用来完成控制的范围。特别是近十年来出现的数字信号处理器（DSP），它与微机软件相结合将产生强大的计算与控制能力，这使其在一定的实时性要求下取代了许多原来由硬件完成的功能，并能完成许多硬件不能胜任的其他功能，这标志着“软件即仪器”（The software is the instrument）时代的到来。这种全新模式的“软件化仪器”被称为“虚拟仪器”。“虚拟仪器”的出现是对传统硬件化仪器在观念上的一次突破。虚拟仪器虽然不会全部取代硬件仪器，但它是继硬件化仪器之后产生的一类全新的仪器模式。虚拟仪器不仅使仪器技术与计算机软、硬件技术和总线技术紧密结合，而且还采用了数字信号处理，系统辨识和数学建模等现代方法，使其成为一类带有智能化功能的现代仪器，并将成为21世纪测控仪器的重要发展方向。

图1-1所示为具我国自主知识产权的VMIDS系统开发的虚拟仪器。

图1-2所示为NI公司的LabVIEW系统开发的虚拟仪器。