1.1研究背景

虚拟仪器（VirtualInstrument）是指通过通用计算机作为核心硬件平台和系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的计算机仪器系统。虚拟仪器由硬件结构和软件结构组成，硬件结构由计算机和I/O接口设备组成，计算机为硬件平台的核心，通过I/O接口设备完成信号的采集与测量；通过计算机强大的运算分析能力，实现数据分析处理；软件结构由输入/输出接口软件，仪器驱动软件与应用软件构成。用户通过操作计算机就如同操作一台传统仪器一样，能方便完成各种测试功能。虚拟仪器的面板是虚拟的，且虚拟仪器的测试功能由软件编程完成。1986年美国国家仪器公司（NI）提出“软件即仪器”（The software is the instrument）的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，由此虚拟仪器概念诞生。虚拟仪器具有以下特点：

1. （1） 虚拟仪器通过计算机进行数据处理，处理功能强大
2. （2） 良好的人机交互界面，仪器界面由用户定义
3. （3） 灵活性和可扩展性强
4. （4） 总线接口标准化程度高，与其他仪器连接性强
5. （5） 成本低，开发周期快，节省资源
6. （6） 以计算机技术为基础，技术更新发展快
7. （7） 用户可自定义测试功能

图1.1 虚拟仪器系统构成

在测试测量技术中，微弱信号的测量自从1962年第一台锁定放大器问世，微弱信号检测技术便开始进入应用层面，通常传感器通过感应物理量（如速度，位移，压力，应变等）转化为电信号输出，供测量系统测量，输出的电信号不仅幅值很小，而且一般存在噪声信号。单纯放大信号也会由于放大器和测量电路的噪声干扰，使得信号淹没在噪声中，所以在测量微弱信号是需要抑制噪声，从中提取出对测量有用的信号。

1.2国外发展现状

1986年美国NI公司设计开发LabVIEW图形化编程环境，实现虚拟仪器的概念。1987年第一台虚拟仪器在美国NI公司诞生，此后美国HP公司，Tektronix公司，PC仪器公司加入虚拟仪器研发，1987年提出发布VXI总线是VEM总线标准在仪器领域的扩展，1997年PXI总线标准发布，2005年推出基于以太网的LXI,随着计算机技术发展，虚拟仪器与网络技术结合，形成网络化的测试系统。自虚拟仪器提出以来，世界多国的仪器与测控公司都研发了很多虚拟仪器开发平台，如NI公司的LabVIEW,惠普公司研发的HP VEE，LabWindows/CVI等，而美国是虚拟仪器的诞生之地，也是世界上最大的虚拟仪器制造国。2017年NI公司推出下一代虚拟仪器平台LabVIEW NXG，添加了LabVIEW FPGA模块，LabVIEW NXG Web模块以及视觉开发模块，使用视觉开发模块可以选择合适的硬件、配置相机、采集图像和分析检查结果，以构建完全定制的机器视觉系统，利用LabVIEWNXG Web模块可以使用户创建基于Web的用户界面，可在任何现代Web浏览器上部署用户界面。

对于微弱信号的处理方式由线性理论方法发展到非线性理论方法，由 Huang等人于1998年提出的一种针对非线性、非平稳信号的自适应信号分解算法—经验模态分析（EMD），将其与其他方法结合使用对微弱信号进行处理，达到较好的提高信噪比。MATLAB、C 语言以及LabVIEW均具有强大的数据处理功能，运用软件结合混合编程（如运用LabVIEW调用MATLAB或C语言对信号进行处理。

1.3国内现状：

由于计算机技术在我国起步较晚，虚拟仪器技术在我国起步也较晚，随着 90 年代中期以来国内重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交大及中科泛华公司等单位在研究开发 VI 产品，引进、消化美国 NI 公司 和 HP 公司产品方面做了一系列有益的工作，并取得了一批较好的成果。重庆大学成立虚拟仪器工程技术研究中心，2017年清华大学与首都医科大学研制的基于虚拟仪器的超声骨密度测量系统用于测定人体骨密度量化测量，来为医护人员提供骨质疏松症的诊断数据依据。北京东方振动与噪声研究所提出云智慧仪器，为虚拟仪器发展提出新的发展方向，运用云计算、互联网、传感网与仪器技术结合，已经应用于地铁，海洋平台，微震，风电等方面。虚拟仪器有两个发展方向：一个是高性能，低成本的发展方向，即 PC 插片→并口式→串口 USB 式；另一个是高精 准度、高速和大型自动化的设备发展方向。PC插片式虚拟仪器是利用数据采集板卡和应用软件构成的虚拟仪器，而并口式虚拟仪器是将虚拟仪器硬件集成到一个盒箱中，连接PC来使用软件进行分析处理，而进来USB接口技术发展迅速，其具有标准统一、携带方便，可连接设备多，支持热插拔等特点，大多数设备都支持和使用USB技术，使得USB式虚拟仪器发展起来。

1.3研究意义