【正文】 表、顯示面板等。一個儀器包括傳感器、信號處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲器和內(nèi)部總線等專門化的電路。通過這些電路來轉(zhuǎn)換、測量、分析實際信號，并將結(jié)果以各種方式顯示。然而，有時為了構(gòu)成具有一定功能的系統(tǒng)，配置了一套儀器，但對其中的某些儀器，只用到了其中一部分功能，而將它作其他功能使用時，卻不具備或達不到所需指標。如另配置一套儀器，不斷效率不高，而且價格高。要是能將原有的儀器稍加改動,就可以擴大其使用范圍。但是傳統(tǒng)的儀器功能是由制造商決定的，用戶不能任意更改，用戶如按自己的要求定制儀器需要昂貴的價格。虛擬儀器概念的提出是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流。以下是傳統(tǒng)測試儀器和虛擬儀器的一個比較：表21 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器對照表傳統(tǒng)儀器虛擬儀器開發(fā)和維護費用高基于軟件體系的 結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省開發(fā)和維護的費用功能由儀器廠商定義功能由用戶自己定義于其他儀器設(shè)備的連接十分有限面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以方便地與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)或其他應(yīng)用連接數(shù)據(jù)無法編輯數(shù)數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印硬件是關(guān)鍵部分軟件是關(guān)鍵部分價格昂貴價格低廉（是傳統(tǒng)價格的五至十分之一）技術(shù)更新慢（5—10年）技術(shù)更新快（一般1—2年）系統(tǒng)封閉、功能固定、擴展性低基于計算機技術(shù)開發(fā)的功能模塊可構(gòu)成多種儀器正是因為意識到了虛擬儀器的諸多優(yōu)點及傳統(tǒng)儀器的一些弊端，所以，我們計劃開發(fā)了這樣一臺基于LabVIEW(美國NI公司)的多功能虛擬數(shù)字發(fā)生器。其集成了示波，動態(tài)/靜態(tài)波形分析，頻譜分析，頻率計，波形參數(shù)分析，信號發(fā)生，以及遠程示波等功能。在示波功能上，除了對波形的精確顯示外，還的波形參數(shù)進行了顯示和對其時域信號、頻域信號進行了分析。 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成方案虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大不同就是不僅可以利用PC機組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)[5]。虛擬儀器系統(tǒng)按硬件構(gòu)成方式，可有GPIB儀器通過GPIB接口卡與計算機組成GPIB系統(tǒng)；VXI儀器與計算機組成VXI系統(tǒng)；PXI儀器組成PXI系統(tǒng)；以DAQ和信號調(diào)理部分為硬件組成PCDAQ測試系統(tǒng)；并行總線儀器組成并行總線系統(tǒng)；串行總線儀器組成串行總線系統(tǒng)；現(xiàn)場總線設(shè)備組成現(xiàn)場總線系統(tǒng)等，以下重點介紹GPIB、VXI、PXI三種虛擬儀器組建方案。(1)GPIB儀器控制的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案GPIB即通用接口總線，是一種國際通用的可編程儀器的數(shù)字接口標準。典型的GPIB測試系統(tǒng)由一臺PC機，一塊GPIB接口卡和幾臺GPIB儀器通過標準GPIB電纜連接起來，組成大型的自動化儀器測量系統(tǒng)。(2)VXI儀器控制的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案VXI(VEM bus eXtension for Instrumentation)總線是一種高速計算機總線 (VME總線)在儀器領(lǐng)域的擴展。它具有標準開發(fā)、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器商支持等優(yōu)點，使它應(yīng)用越來越廣。尤其在組建大中型規(guī)模自動測量控制系統(tǒng)，以及對速度、精度要求非常高的場合，有其它儀器無法比擬的優(yōu)點?；赩XI總線的組建方案功能最為強大、組建的系統(tǒng)最為穩(wěn)定。但VXI總線實現(xiàn)強大功能的同時，價格也是十分昂貴的。(3)PXI/Compact PCI模型系統(tǒng)組建方案美國國家儀器公司1997年最新推出了PXI(PCI bus eXtentions forInstrumentation)控制方案，基于PCI總線的虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)架，PXI將主流PCI計算技術(shù)和控制器采用現(xiàn)在流行的奔騰處理器，帶有標準GPIB接口、串并口、以太網(wǎng)絡(luò)接口及顯示器接口，為用戶組建速度高、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊的測試系統(tǒng)提供了可行性。目前在構(gòu)建工業(yè)自動化測試系統(tǒng)時，基于GPIB總線的最多并逐步采用VXI技術(shù)?；赩XI總線的虛擬儀器系統(tǒng)雖然功能強大，但對許多場合而言仍然造價昂貴，且通用性差，一般用戶難以掌握。對于一些速度精度要求不高的場合，VXI并不一定是考慮性價比的最佳方案。很多情況下采用當前廣為使用的PC機作為虛擬儀器的軟硬件基礎(chǔ)，建立基于PC的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的數(shù)據(jù)獲取和控制處理能力優(yōu)于傳統(tǒng)儀器，且對于硬件要求大為降低。 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺應(yīng)用軟件開發(fā)平臺是設(shè)計虛擬儀器所必須的軟件工具。在確定的硬件基礎(chǔ)條件下，構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵就是應(yīng)用不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器的應(yīng)用軟件主要包括：集成的開發(fā)環(huán)境、與儀器硬件的高級接口和虛擬儀器的用戶界面。應(yīng)用軟件開發(fā)平臺的選擇，可因開發(fā)人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶一個界面友好，功能強大的應(yīng)用程序。目前較流行的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺大致可以分為兩類：一類是圖形化的編程語言，代表性的有惠普的HPVEE,NI公司的LabVIEW等；另一類是文本式的編程語言，如C,Labwindows/CVI,VC等。文本式編程語言和圖形化編程語言相比，語言靈活性較好，用戶可以靈活的添加功能；而圖形化編程語言具有編程簡單、直觀、開發(fā)效率高的特點。近年來，基于PC機和工作站基礎(chǔ)上的圖形接口標準和計算機計算能力的提高，促進了圖形開發(fā)軟件包和圖形開發(fā)環(huán)境的迅速普及，圖形開發(fā)方式為每一個虛擬儀器提供了可重用的代碼模塊，并允許用戶從其它代碼模塊中分級調(diào)用。這些重用部分是一些封裝良好的、原子性的程序代碼；理想情況下，重用部分應(yīng)與硬件IC一樣，可以不經(jīng)過任何修改而被直接“插接”到其它程序中去。典型的重用部分包括函數(shù)庫、過程程序包、宏、類、庫等，它們通過各自的接口被組裝在一起，每一部分完成特定的功能[6]。在虛擬儀器圖形軟件開發(fā)平臺研究方面，近年來國際上許多公司都做了大量的工作，其中NI公司的LabVIEW和惠普公司的VEE虛擬儀器軟件開發(fā)平臺最具代表性。下面簡單的介紹一些常用的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺各自的特點：(1)Microsoft Visual C++，Borland C++Builder,Borland Delphi易學(xué)、使用簡單，面向?qū)ο罂梢暬幊誊浖凰膱D形控件工具能生成復(fù)雜的多窗口用戶界面不必編寫復(fù)雜的代碼；可創(chuàng)建自己ActiveX控件或組件，以及多線程和安全的ActiveX控件。(2)Data Translation,HP VEE with DT VP,DTxEZTM用于Windows操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和產(chǎn)品開發(fā)的可視化編程語言；靈活，便于應(yīng)用編程，以及和用戶程序接口；ActiveX控件系列，VB和VC++下，可以設(shè)計和配置Data Translation數(shù)據(jù)采集板；可以和其他ActiveX控件組合創(chuàng)建應(yīng)用程序。(3)HewlettPacked HP VEE不必編寫代碼就可以進行數(shù)據(jù)采集與分析；提供數(shù)據(jù)、處理控制、提供測量過程和測試報告。(4)National Instruments,LabVIEW,LabWindows/CVI具有用于數(shù)據(jù)采集、儀器、網(wǎng)絡(luò)和分析的完全集成化的庫的圖形化環(huán)境；可編譯性能強；自動化的測試對接軟件；SQL數(shù)據(jù)庫連接性SPC分析工具。用于儀器控制和數(shù)據(jù)采集分析的交互式編譯軟件包；用于GUI的拖拉用戶界面編程器；用于快速樣機開發(fā)的代碼產(chǎn)生工具和內(nèi)部編譯器；用于GPIB,VXI、串行、DAQ, TCP和用戶控制界面的集成庫；可用于Win2000/XP、Sun Solaris 。 基于虛擬儀器構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)的優(yōu)點根據(jù)以上對于虛擬儀器主要功能特點的介紹，不難看出基于虛擬儀器構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)具備以下突出優(yōu)點[20]：(1)采用虛擬儀器，計算機與硬件測試設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸非常方便、直接、快速。在傳統(tǒng)的測試儀器設(shè)備中，測試人員以手工的方式現(xiàn)場記錄測試數(shù)據(jù)，在測試數(shù)據(jù)量比較大的情況下，這種數(shù)據(jù)記錄方式不能很好的按時完成記錄任務(wù)，測試過程也就變的復(fù)雜、緩慢，而且很容易引起測試誤差。對于有些常用的測試儀器，對于被測對象只能進行定性分析，如果需要精確的物理數(shù)據(jù)，就需要有額外的輔助措施。在應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的測試設(shè)備中，充分利用計算機的存儲能力，讓測試數(shù)據(jù)經(jīng)由計算機總線，傳輸至計算機內(nèi)存或硬盤，數(shù)據(jù)傳輸率可以滿足測試的實時性要求，也加快了測試過程，這樣就很好解決了數(shù)據(jù)的傳輸、保存問題[7]。 (2)在某些情況下，需要根據(jù)工程的實際需要實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進行各種分析與處理，如進行PID控制、模糊邏輯控制、FFT、DFT運算、數(shù)字信號處理，數(shù)學(xué)分析和數(shù)據(jù)庫聯(lián)接、統(tǒng)計分析參數(shù)調(diào)整、單位轉(zhuǎn)換等工作，這在傳統(tǒng)儀器中很難做到。在虛擬儀器中，開發(fā)人員可以使用現(xiàn)有的分析軟件包或通過自行編制相應(yīng)軟件來滿足這一功能要求。(3)為了使測試過程直觀、明了，有時需要多種方式顯示測試數(shù)據(jù)、控制過程和分析結(jié)果，虛擬儀器中，就可以利用計算機的圖形用戶界面實現(xiàn)這一目標。 本章小結(jié)綜上所述，虛擬儀器技術(shù)有著許多傳統(tǒng)儀器所難以實現(xiàn)的優(yōu)勢，由虛擬儀器構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)在實際應(yīng)用中將會有著巨大的前景。本文將實現(xiàn)的遠程信號源自動校準系統(tǒng)，是在現(xiàn)有硬件平臺的基礎(chǔ)上實現(xiàn)校準的自動化，系統(tǒng)原有儀器都是具有GPIB接口的智能儀器，因而從成本和效率綜合考慮使用GPIB的儀器控制方案組建GPIB并行總線系統(tǒng)是一種切合實際的硬件構(gòu)成方案。而限于時間和工作量的關(guān)系，選用一門使用簡單方便，效率高的虛擬儀器實現(xiàn)軟件，是一個比較明智的選擇。而完全的圖形化編程環(huán)境LabVIEW自然是最理想的選擇。對于LabVIEW的特點和相關(guān)的編程技術(shù)，將在下一章中做詳細的介紹[8]。第3章 LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境 LabVIEW簡介LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實驗室虛擬儀器集成開發(fā)平臺的簡稱，它是目前國際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，它是主要用于開發(fā)數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等領(lǐng)域的專用軟件開發(fā)平臺[9]。LabVIEW的最大特色是采用編譯型圖形化編程語言――G語言(GraphProgramming)，它與C,Pascal,Basic等傳統(tǒng)語言有著相似之處，如：相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程，程序的執(zhí)行依賴于文本所描述的指令。而LabVIEW使用圖形語言(即，各種圖標、圖形符號、連線等)以框圖的形式編寫程序。用LabVIEW編程無需具備太多編程經(jīng)驗，因為LabVIEW使用的都是測試工程師們熟悉的術(shù)語和圖標，如各種按鈕、開關(guān)、波形圖等，界面非常直觀形象，因此，LabVIEW對于沒有豐富編程經(jīng)驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。LabVIEW語言具有豐富的擴展函數(shù)庫，集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種表頭、旋鈕、開關(guān)、LED指示燈、圖表等，界面直觀、形象，相對于傳統(tǒng)的編程方式而言，它簡單易學(xué)而且執(zhí)行效率高。與傳統(tǒng)的編程方式相比，使用LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器，可以提高效率410倍[10]。LabVIEW的圖形環(huán)境內(nèi)置豐富的函數(shù)庫，提供了多種網(wǎng)絡(luò)的接口，支持先進的流動數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M技術(shù)，使系統(tǒng)的開發(fā)更加方便，其中基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)交換編程技術(shù)――數(shù)據(jù)套接字(DataSocket)技術(shù)便是一特色。這種技術(shù)是一種開放的技術(shù)，與人們已習(xí)慣采用的TCP/IP編程接口、DDE等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)共享技術(shù)比較，使用起來更方便，開發(fā)效率更高，而且不需要大量的編程工作量。數(shù)據(jù)套接提供統(tǒng)一的API編程接口，從數(shù)據(jù)共享的角度，它是對WinSock的高級封裝，允許用戶與各種服務(wù)器進行交互并在應(yīng)用之間交換信息，比如LabVIEW以及一些不同的數(shù)據(jù)源或目標，源和目標包括其他的應(yīng)用、文件、OPC (OLE For Process Control)服務(wù)器、Web服務(wù)器以及FTP服務(wù)器。使用DataSocket類和統(tǒng)一資源定位器(Uniform Resource Locator，簡稱URL)，就可建立數(shù)據(jù)套接的源與目標的連接，用戶可以像使用LabVIEW中的其他數(shù)據(jù)類型一樣用DataSocket讀寫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時共享[11]。 LabVIEW的優(yōu)點LabVIEW從被推出到現(xiàn)在，20年的實踐證明LabVIEW確實是一個使用方便卻又功能非常強大的開發(fā)平臺，LabVIEW具有以下優(yōu)點：(1)使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機界面，提供了大量儀器面板中的控制對象簡單的方案即使沒有多少編程經(jīng)驗，仍可以很方便的使用LabVIEW。(2)先進的ActiveX技術(shù)融合了簡單的拖放編程方法，儀器控制和數(shù)據(jù)采集變得非常簡單，使用戶非常容易地開發(fā)自己的系統(tǒng)，并將其立即投入使用。(3)LabVIEW完整地集成了與GPIB,VXI,RS232,RS485和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通訊，而且，LabVIEW使得它們的驅(qū)動程序具有模塊化，可以重復(fù)使用，最大限度地減少軟件開發(fā)的工作量。(3)LabVIEW擁有豐富的分析模塊，可以滿足用戶從統(tǒng)計過程控制到數(shù)字信號處理(DSP)等方面的要求[12]。(4)LabVIEW也擁有大量NI公司或第三方公司提供的、非常實用的支持軟件，如，Application Builder(用于產(chǎn)生可執(zhí)行文件)、SQLToolkit(用于將LabVIEW程序與本地或遠程數(shù)據(jù)庫相連)等，這些特性為LabVIEW環(huán)境下應(yīng)用程序的開發(fā)提供了方便(5)LabVIEW提供了先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如，TCP/IP函數(shù)庫、數(shù)據(jù)套接字技術(shù)，可以很容易地實現(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，并且提高了系統(tǒng)的開放性、穩(wěn)定性、可靠性。(6)使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建32位的編譯速度，從而為常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測試等任務(wù)提供了更快的執(zhí)行速度。 (7)LabVIEW有真正的編譯器，用戶可以創(chuàng)建獨立的可執(zhí)行程序，能夠脫離開發(fā)環(huán)境而單獨運行。另外，相對來說，LabVIEW的功能可擴展性較好，應(yīng)用起來比較靈活，操作起來比較容易。所以基于以上各原因，LabVIEW更容易為人們作為虛擬儀器開發(fā)平臺所接受[13]。LabVIEW能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計算機技術(shù)，使儀器的測試和測量及自動化工業(yè)的系統(tǒng)測試和監(jiān)控變得異常方便和快捷[14]。 LabVIEW中的編程方式一個完整的LabVIEW