【正文】 虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分組成。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。 2． 2 虛擬儀器技術(shù) 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2． 2． 1 虛擬儀器的定義 虛擬儀器（ Virtual Instrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。最初它是基于蘋果公 司的 Macintosh 微機(jī)的。它通常是由個(gè)人計(jì)算機(jī)、模塊化的功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成，使計(jì)算機(jī)成為一個(gè)具有各種測(cè)量功能的數(shù)字化測(cè)量平臺(tái)。在這種背景下，美國(guó)國(guó)家儀器公司（ National Instruments）在 20 世紀(jì) 80 年代最早提出虛擬儀器（ Virtual Instrument）的概念，同時(shí)推出了用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的工程軟件包 LabVIEW。發(fā)達(dá)國(guó)家雖然在此領(lǐng)域比我國(guó)起步早，但差距并不是很大，我們應(yīng)當(dāng)充分把握時(shí)機(jī)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將我國(guó)的虛擬儀器產(chǎn)業(yè)水平逐漸向先進(jìn)國(guó)家靠攏。 虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場(chǎng)容量巨大。虛擬儀器正可以實(shí)現(xiàn)這些要求。此外，LabVIEW 還直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（ DDE）、結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（ SQL）、TCP 和 UDP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 等。 LabVIEW 提供提供了大量的函數(shù)和子程序支持用戶的任務(wù)，也提供了一些專用程序如 GPIB 設(shè)備控制、VXI 總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲(chǔ)。在此之后，該公司不斷推出基于各種操作系統(tǒng)的 LabVIEW 版本。 虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境目前大致有兩類：一類是文本式 的編程語(yǔ)言，如 Borland C, Visual C++,LabWindow/CVI 等； 另一類是圖形化編程語(yǔ)言，具代表性的有 LabVIEW,HPVEE 等。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(dá) 95 家共生產(chǎn) 1000 多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達(dá) 2。 虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對(duì)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，大幅度降低儀器價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的深層次結(jié)合正引起測(cè)試儀器 領(lǐng)域里的一場(chǎng)革命，一種全新的儀器結(jié)構(gòu)概念 虛擬儀器，它的出現(xiàn)使人類的測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)元。 20 世紀(jì) 70年代集成電路的出現(xiàn)，誕生了以集成電路芯片為基礎(chǔ)的第三代儀器 數(shù)字式儀器?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試技術(shù)的發(fā)展反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的提高。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上完成電路設(shè)計(jì)計(jì)算、電路模擬和印刷電路板設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)實(shí)際制作。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板 ，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功能。 1． 1 虛擬儀器在教學(xué)上的運(yùn)用前景 隨著低成本高性能的計(jì)算機(jī) 資源普及運(yùn)用?；?LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 課題背景 本文所講的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)、電子測(cè)量技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)高速發(fā)展，而傳統(tǒng)儀器下的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)已嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際需要的背景下，利用美國(guó) NI 公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabVIEW 自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。數(shù)學(xué)化測(cè)量平臺(tái)逐漸成為測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)。 EDA 技術(shù)借助計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量大、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評(píng)估、 設(shè)計(jì)校驗(yàn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作。在電路設(shè)計(jì)和鼓掌查詢時(shí)，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)對(duì)各種實(shí)際典型電路進(jìn)行分析和測(cè)量，充分利用虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)電 路系統(tǒng)的能力和實(shí)際操作能力。測(cè)量?jī)x器發(fā)展至今，大體經(jīng)歷了四代發(fā)展歷程。隨著電子技術(shù)和微處理技術(shù)的發(fā)展和普及， 20 世紀(jì) 80 年代以微處理器為核心的第四代儀器 智能式儀器迅速發(fā)展和普及。 1． 2 虛擬儀器及 LabVIEW 的 發(fā)展 在這種背景下， 20 世紀(jì) 80 年代末美國(guó)率先研制成功虛擬儀器（ Virtual VI）?；?LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 虛擬儀器可廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。 93 億美元、占整個(gè)儀器銷售額 73 億的 4%。 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench 的縮寫。 1998 年 NI 公司推出 了基于 Windows 95 /Windows 的最新版本 和它的姐妹軟件包LabWindow/CVI 。 LabVIEW還提供了專門用于程序開(kāi)發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點(diǎn)，動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序來(lái)觀察數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，以便進(jìn)行方便的調(diào)試。 傳統(tǒng)儀器下的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，已嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際的需要。 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1． 在通用硬件平臺(tái)確定后，有軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能； 2． 儀器的功能是用戶 根據(jù)需要由軟件來(lái)定義的，而不是事先由生產(chǎn)廠家定義好的； 3． 儀器性能的改進(jìn)和功能的擴(kuò)展只需進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)更新，而不需要購(gòu)買新的儀器；‘ 4． 研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短，且成本低廉； 5． 虛擬儀器具有開(kāi)放性和靈活性，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1995 年我國(guó)進(jìn)口 電子測(cè)量?jī)x器 73。 LabVIEW 作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的杰出代表，在我國(guó)由于引進(jìn)的時(shí)間不長(zhǎng)，了解和熟悉它的人還不多，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有被認(rèn)識(shí)和推廣應(yīng)用。 NI 公司宣稱“ The Software is the Instrument”，即“軟件就是儀器” [1]。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功能。后來(lái) NI 公司不斷推出基于各種操作系統(tǒng)的 LabVIEW 版本。在計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。 2． 2． 2 虛擬儀器硬件平臺(tái) 構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺(tái)有兩大部分： (1) 計(jì)算機(jī)：一般為一臺(tái) PC 機(jī)或者工作站，它是硬件平臺(tái)的核心 。這意味著，如果以前人們是用虛擬儀器來(lái)做快速傅立葉變換觀察信號(hào)，那么今天可以利用它進(jìn)行高速的實(shí)時(shí)運(yùn)算，并將之應(yīng)用于過(guò)程控制和其它控制系統(tǒng)中。由于總線速度的大大提高，現(xiàn)在可以同時(shí)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。雖然這五種系統(tǒng)有很大的差別，但是 無(wú)論那種 VI 系統(tǒng)，都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合。 數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ 卡）由以下幾個(gè)部分組成： 1. 多路開(kāi)關(guān)。通常實(shí)際系統(tǒng)中放大器作成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計(jì)者可根據(jù)輸入信號(hào)不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號(hào)幅值的量化。 2． 2． 3 軟件 軟件包括應(yīng)用軟件和 I/O 驅(qū)動(dòng)軟件： 1) 應(yīng)用程序。這類程序用來(lái)完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)和通信。K,Fluke 等。其中，最廣泛的應(yīng)用是取代傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器。 2． 3． 2 虛擬儀器的特點(diǎn) 現(xiàn)代化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強(qiáng)、精度高、自動(dòng)化程度高，而且要求測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好的人機(jī)界面。 2) 用戶自定義性。許多大型儀器公司均在虛擬儀器市場(chǎng)上占有一席之地。虛擬儀器賴以生存的 PC 計(jì)算機(jī)近幾年正以迅猛的勢(shì)頭席卷全國(guó)，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 以上統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，虛擬儀器具有廣闊的發(fā)展前景。 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(duì)象，具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（ control）和顯示對(duì)象（ indicator）。 3. 圖標(biāo) /連接器 VI 具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。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(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。 控制模板如下圖 14 所示，它包括如下所示的一些子模板。 2． 4． 3 LabVIEW 的特點(diǎn) 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench）是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（ NI）在 1986 年推出的一種基于圖形編程語(yǔ)言（ G 語(yǔ)言）的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它具有十分強(qiáng)大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、輸入 /輸出控制、信號(hào)生成、圖象的獲取、處理和傳輸?shù)鹊?。同時(shí)，LabVIEW 的執(zhí)行順序是依方框圖間數(shù)據(jù)的傳遞來(lái)決定的，并不像傳統(tǒng)文字式編程語(yǔ)言必須逐行地執(zhí)行，因此用戶能設(shè)計(jì)出可同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序的流程圖。 LabVIEW 編程的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將軟件的界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，修改人機(jī)交互界面無(wú)須對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試，這對(duì)設(shè)計(jì)像儀器操作面板這樣復(fù)雜的人機(jī)界面而言是十分方便的。并可更進(jìn)一步以 LabVIEW 的 PC 工具箱或其它繪圖軟件來(lái)訂制人機(jī)界面元件，藉以呈現(xiàn)儀控符號(hào)和系統(tǒng)流程圖。這樣的話，互相在對(duì)象間的數(shù)據(jù)流控制執(zhí)行順序，執(zhí)行順序不局限于來(lái)自文本式程序設(shè)計(jì)的線性順序，它可以不受其限制。利用應(yīng)用程序生成器，用戶能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨(dú)立的執(zhí)行程序一樣。為了實(shí)現(xiàn)具體的功能，用戶利用向?qū)О蚜鞒虉D結(jié)合在一起。 3. 構(gòu)建圖形化的流程圖：對(duì)虛擬儀器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，你不必?fù)?dān)心很多傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的語(yǔ)法細(xì)節(jié)，而可自己構(gòu)建流程圖。因?yàn)樵?LabVIEW 軟件中程序的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定。甚至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標(biāo)，因而可以設(shè)計(jì)由虛擬儀器構(gòu)成的多層系統(tǒng)，并可以改變它，同其他虛擬儀器交換和連接以滿足不斷變化的應(yīng)用需要。因而，不會(huì)因?yàn)閳D形化編程降低了效率。傅立葉級(jí)數(shù)有兩種表達(dá)式 1. 傅立葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)展開(kāi)式： x(t)=???0n bnsinn? t+???0n ancosn? t = 20a +???1n(bn sinn? t+an cosn? t) 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) =20a+???1n Ansin(n? t+?n) 式中： a0=T2 dttXT?? )(是直流分量； an= dttntXT?? ?cos)( 是余弦分量的幅值； bn=T2 dttntXT?? ?sin)(是正弦分量的幅值； An= bann 22?是各頻率分量的幅值； ?n=arctanbann 是各頻率分量的相位； ?= T?2 是角頻率 [8]； 以角頻率 n? 為橫軸，幅值 An或相角 ?n為橫軸作圖，則 分別得到幅頻譜圖和相頻譜圖，它們是單邊譜， n? 由 0→∞ 。只在 n? 離散值上取值或只在 m? 離散點(diǎn)上取值。常見(jiàn)的周期信號(hào)幅值總的趨勢(shì)是隨諧波次數(shù)的增高而減小。 傅立葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開(kāi)式為： x(t)=?????m cmjmte?? (33) 傅 立葉系數(shù) cm =T1 ()T jm tX t dte? ??? (34) 當(dāng)周期 T→∞ ，譜線間隔 ? =2? /T 趨近無(wú)窮小，離散量 m? ( m=0， ? 1，? 2,?? )變?yōu)檫B續(xù)量，傅立葉系數(shù) cm 的模 |cm |趨于無(wú)窮小，故作不出 |cm |m? 的幅頻圖，但各條譜線比例保持不變。記為 x(t)= ? ?1 ()xF ?? 。 3． 1． 1． 3 離散時(shí)間信號(hào)的頻譜 在 以