【正文】 依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。下面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。 虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分組成。 2． 2． 2 虛擬儀器硬件平臺 構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺有兩大部分： (1) 計算機：一般為一臺 PC 機或者工作站，它是硬件平臺的核心 。虛擬儀器使用的個人計算機中，微處理器和總線成為最重要的因素。 其中，微處理器的發(fā)展是最迅速的，它使虛擬儀器的能力得到極大地提高。80年代末制造的虛擬儀器頻率分析儀完成一個 1024點的快速傅立葉變換需要 1秒鐘的時間；今天的系統(tǒng)可以在 1 毫秒內(nèi)完成同樣的運算，速度提高了一千倍。這意味著，如果以前人們是用虛擬儀器來做快速傅立葉變換觀察信號，那么今天可以利用它進行高速的實時運算，并將之應(yīng)用于過程控制和其它控制系統(tǒng)中。 總線技術(shù)的發(fā)展也為提高虛擬儀器的處理能力提供了必要的支持。 PCI 總線性能比 ISA 總線提高了 近十倍，使得微處理器能夠更快地訪問數(shù)據(jù)。使用 ISA總線時，插在電腦中的數(shù)據(jù)采集板的采集速度最高為 2MBps；使用 PCI 總線時， 信 號 調(diào) 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 數(shù) 據(jù) 處 理 虛 擬 儀 器 面 板 被 測 對 象 圖 21 常見虛擬儀器應(yīng)用方案 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 最高采集速度可提高到 132MBps。由于總線速度的大大提高，現(xiàn)在可以同時使用數(shù)塊數(shù)據(jù)采集板，甚至圖象數(shù)據(jù)采集也可以和數(shù)據(jù)采集結(jié)合在一起。 (2) I/O 接口設(shè)備：主要完成被測信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。 可根據(jù)不同情況采用不同的 I/O 接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ）、 GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器模塊、串口儀器等，虛擬儀器構(gòu)成方式有五種類型，如圖12 框圖所示。 LabVIEW 提供了各種圖形化驅(qū)動程序，使用者不必熟悉 PCI 計算機總線、 GPIB 總線、 VXI 總線、串口總線，利用 LabVIEW 提供的圖形化驅(qū)動程序就可以驅(qū)動上述各種總線的 I/O 接口設(shè)備，實現(xiàn)對被測信號的輸入、數(shù)據(jù)采集、放大與模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，進而供計算機進一步分析處理。雖然這五種系統(tǒng)有很大的差別，但是 無論那種 VI 系統(tǒng)，都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計算機相結(jié)合。 考慮到 PC— DAQ/PCI 插卡式虛擬儀器在五種虛擬儀器系統(tǒng)中，是虛擬儀器最基本最廉價的構(gòu)成形式。在經(jīng)費不 足或時間不充裕的情況下經(jīng)常被采用，下面就對這種虛擬儀器系統(tǒng)做簡單的介紹。 它的硬件平臺主要有 PC 計算機和數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ 卡）組成。 數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ 卡）由以下幾個部分組成： 1. 多路開關(guān)。將各路信號輪流切換的放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。 被測信號 PC— DAQ GPIB 儀器 串口儀器 VXI 模塊 PXI 模塊 計算機 圖 22 虛擬儀器的構(gòu)成方式 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 2. 放大器。將前一級多路開關(guān)切換進入待采集信號放大（或衰減）至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常實際系統(tǒng)中放大器作成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計者可根據(jù)輸入信號不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。 3. 采樣保持器。取出待測信號在某一瞬時的值（即實現(xiàn)信號的時間離散化） ，并在 A/D 轉(zhuǎn)換過程中保持信號不變，如果被測信號變化很緩慢，也可以不用采樣 /保持器。 4. A/D 轉(zhuǎn)換器。將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前通常將采樣 /保持器同 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。 以上四個部分都處在計算機的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要環(huán)節(jié)，與其它有關(guān)電路如定時 /計數(shù)器、總線接口電路等集成在一塊印刷電路板上，即構(gòu)成數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ 卡），完成對信號數(shù)據(jù)的采集、放大及模 /數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。 PCDAQ/PCI 插卡式虛擬儀器系統(tǒng)充分利用了 PC 計算機的機箱、 總線、電源及軟件資源，但是因而也受到 PC 計算機機箱環(huán)境和計算機總線的限制，存在諸多的不足，如電源功率不足、散熱條件差等。 2． 2． 3 軟件 軟件包括應(yīng)用軟件和 I/O 驅(qū)動軟件： 1) 應(yīng)用程序。包含兩個方面的程序： ? 實現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。 ? 定義測試功能的流程圖軟件程序。 2) I/O 接口儀器驅(qū)動程序。這類程序用來完成特定外部硬件設(shè)備的擴展、驅(qū)動和通信。 大部分虛擬儀器開發(fā)環(huán)境均提供一定程度的 I/O 設(shè)備支持。許多 I/O 驅(qū)動程序已經(jīng)集成在開發(fā)環(huán)境中。以 LabVIEW 為例，他能夠支持串行接口、 GPIB 及VXI 等標(biāo)準(zhǔn) 總線和多種數(shù)據(jù)采集板， LabVIEW 還可以驅(qū)動許多儀器公司的儀器，如 HewlettPackard， Philips， Tektronix， Bamp。K,Fluke 等。同時， LabVIEW 還可調(diào)用 Windows 動態(tài)連接庫和用戶自定義的動態(tài)連接庫中的函數(shù)，以解決對某些非NI 公司支持的標(biāo)準(zhǔn)硬件在使用過程中的驅(qū)動問題。 2． 3 虛擬儀器的功能及特點 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 2． 3． 1 虛擬儀器的功能 虛擬儀器利用個人計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器 的功能和使用效率，大幅度降低儀器的價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器廣泛應(yīng)用于信號處理、電子測量、電力工程、物礦探測、醫(yī)療、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。其中，最廣泛的應(yīng)用是取代傳統(tǒng)的臺式儀器。 高等學(xué)校特別是理工科學(xué)校，教學(xué)、科研需要大量的測量分析儀器設(shè)備，特別是實驗教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，而且有的儀器設(shè)備價格昂貴，因此儀器設(shè)備所需投資巨大，一般學(xué)校很難滿足，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏和過時陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。如果運用虛擬儀器系統(tǒng)，情況就大不一樣了。使用虛擬儀器不但可以節(jié)約大量儀器設(shè)備的經(jīng)費投入，而且能夠提高教學(xué)科研的質(zhì)量與效率。 2． 3． 2 虛擬儀器的特點 現(xiàn)代化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強、精度高、自動化程度高，而且要求測試速度快、實時性好、具有良好的人機界面。虛擬儀器正好可以滿足這些要求。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有如下優(yōu)點： 1) 虛擬儀器具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點。 在一定通用硬件模塊和軟件環(huán)境的支持下，用戶可以根據(jù)實際情況夠設(shè)自己的測試方案，以完成不同的測試任務(wù)。 2) 用戶自定義性。用戶可以自行定義虛擬儀器的 功能，通過對軟件模塊的擴充，相當(dāng)于購買一臺新儀器。虛擬儀器使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣，受到儀器廠商的限制。 2． 3． 3 虛擬儀器的發(fā)展前景 虛擬儀器依靠其自身的優(yōu)勢使它在儀器市場的競爭力不斷增強。許多大型儀器公司均在虛擬儀器市場上占有一席之地。 1988 年國際上開始有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時只有五家制造商推出的 30 種產(chǎn)品。此后，虛擬儀器產(chǎn)品每年成倍增加，到 1994 年底，虛擬儀器制造廠已達 95 家共生產(chǎn) 1000 多種虛擬儀器產(chǎn)品，基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 銷售額達 億美元，占整個儀器銷售額 73 億的 4%。 目前，我國正處于科學(xué)技術(shù)和教育事業(yè)蓬勃發(fā)展的新時期，對儀器設(shè)備的需求將更加強勁。虛擬儀器賴以生存的 PC 計算機近幾年正以迅猛的勢頭席卷全國，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。據(jù)統(tǒng)計， 1998 年我國進口電子測量儀器 臺，價值 32 億美元。據(jù)專家預(yù)測，到本世紀(jì)初我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。 以上統(tǒng)計數(shù)字表明，虛擬儀器具有廣闊的發(fā)展前景。但同時也應(yīng)認識到，現(xiàn)在我國的科技水平還相對落后，每年需要花費大量的外匯進口電子儀器產(chǎn)品。如何發(fā)展我國自己的儀器產(chǎn)品，尤其是具有廣闊發(fā) 展前景的虛擬儀器，是我們應(yīng)該迫切解決的問題。 2． 4 LabVIEW 開發(fā)平臺介紹 2． 4． 1 LabVIEW 應(yīng)用程序的構(gòu)成 所有的 LabVIEW 應(yīng)用程序，即虛擬儀器（ NI），它包括前面板（ front panel）、流程圖（ block diagram）以及圖標(biāo) /連接器（ icon/connector）三部分。 1. 前面板 前面板是圖形用戶界面，也就是 VI 的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（ control）和顯示對象（ indicator）。 2. 流程 圖 流程圖也稱為后面板，提供 VI 的圖形化源程序。在流程圖對 VI 編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件和連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。 3. 圖標(biāo) /連接器 VI 具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個 VI 可以作為子程序，這里稱為子 VI（ SubVI），被其他 VI 調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。 2． 4． 2 LabVIEW 的操作模板 在 LabVIEW的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具（ Tools）基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 模板、控制（ Controls）模板和函數(shù)（ Functions）模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。 1. 工具模板（ Tools Palette） 該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試 VI 程序的工具，如圖 13 所示。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在 Windows 菜單下選擇 Show Tools Palette 命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會變成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從 Windows 菜單下選擇了 Show Help Window 功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具 圖 23LabVIEW 的工具模板 光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（ Sub VI）或圖標(biāo)上，就會顯示相應(yīng)的幫助信息。 2. 控制模板（ Controls Palette） 該模板用來給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個圖標(biāo)代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用 Windows 菜單的 Show Controls Palette 功能打開它，也可以在前面板的空白處，點擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。 控制模板如下圖 14 所示，它包括如下所示的一些子模板。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 圖 24 LabVIEW 的控制模板 3. 功能模板（ Functions Palette） 圖 25 LabVIEW 的功能模板 功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具，如圖 15 所示。該模板上的每一個頂層圖標(biāo)都表示一個子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用 Windows 菜單下的 Show Functions Palette 功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板，功能模板如圖 15 所示。 2． 4． 3 LabVIEW 的特點 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench）是由美國國家儀器公司（ NI）在 1986 年推出的一種基于圖形編程語言（ G 語言）的開發(fā)環(huán)境，它具有十分強大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運算、數(shù)據(jù)采集、信號處理、輸入 /輸出控制、信號生成、圖象的獲取、處理和傳輸?shù)鹊取?LabVIEW 與 C， Pascal，Basic 等傳統(tǒng)編程語言有著諸