【文章內(nèi)容簡介】 接口、設備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以 PC 為基礎的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、 VXI 總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與 1 真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件組成 虛擬 儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、 嵌入式計算機 等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡、總線標準等方面的發(fā)展，導致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。 按照測控功能硬件的不同， VI 可分為 DAQ、 GPIB、 VXI、 PXI 和串口總線五種標準體系結構，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。 虛擬儀器系統(tǒng)的 軟件組成 測試軟件是虛擬儀器的主心骨。 NI 公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。 NI 公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)當代科學技術復雜的測試任務。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主 要分為以下四部分。 （ 1） 器面板控制軟件 儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。 （ 2） 處理軟件 利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強大的函數(shù)庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時間。 （ 3） 器驅(qū)動軟件 虛擬儀器驅(qū)動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的 使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動程序的核心是驅(qū)動程序函數(shù) /VI 集，函數(shù) /VI 是指組成驅(qū)動的模塊化子程序。驅(qū)動程序一般分為兩層，底層是儀器的 1 基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應用函數(shù) /VI 層，它根據(jù)具體測量要求調(diào)用底層的函數(shù) /VI。 （ 4） 用 I/O 接口軟件 在虛擬儀器系統(tǒng)中， I/O 接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng) 軟件結構 中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。 VXI 總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標準，提出了自底 向上的 I/O 接口軟件模型即 VISA。作為通用 I/O 標準， VISA 具有與儀器硬件接口無關性的特點， 即這種軟件結構是面向器件功能而不是面向接口總線的。應用工程師為帶 GPIB 接口儀器所寫的軟件，也可以于 VXI 系統(tǒng)或具有RS232 接口 的設備上，這樣不但大大縮短了 應用程序 的開發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開發(fā)的方式和手段。 虛擬儀器的概述 虛擬儀器從概 念的提出到目前技術的日趨成熟，體現(xiàn)了計算機技術對傳統(tǒng)工業(yè)的革命。 在虛擬儀器技術發(fā)展中有兩個突出的標志， 第 一是 VXI 總線標準的建立和推廣， VXI 總線系統(tǒng)具有標準化、通用化、系列化、模塊化的顯著特點，它集測量、 計算 、通信功能于一體，不僅繼承了 GPIB 智能儀器和 VME 總線的特點，還具 有高速、模塊化、易子使用等優(yōu)勢。二是圖形化編程語言的出現(xiàn)和發(fā)展。 前者從儀器的硬件框架上實現(xiàn)了設計先進的分析與測量儀器所必須的總線結構，后者從軟件編程上實現(xiàn)了面向工程師的 圖形化而非程序代碼的編程方式，兩者統(tǒng)一形成了虛擬儀器的基礎規(guī)范。 硬件技術的發(fā)展要保證虛擬儀器具備與傳統(tǒng)儀器匹配的 實時處理能力和可靠性，很重要的一點取決于傳輸測量數(shù)據(jù)的總線結構。 通用儀器總線 GPIB 于1978 年問世，實現(xiàn)了計算機與測量 系統(tǒng)的首次結合。 它標志著測量儀器從獨立的手工操作單臺儀 器走向程控多臺儀器的自動測試系統(tǒng)，是虛擬儀器技術發(fā)展的第一階段。 在虛擬儀器中，其分析功能是由 計算機來完成的，或由計算機來控制的。因此，接口、總線的速度和可靠性是關鍵。 1987 年 GPIB 儀器總線與 VME微機總線結合，誕生了 VXI 標準儀器總線，使得用戶可以像儀器廠商一樣，從訪問寄存器這樣的 低層資源來設計和安排儀器功能，也使得用戶化儀器功能設計得以實現(xiàn)。 VXI 總線的出現(xiàn)，使得虛擬儀器設計有了一個高可靠性的 硬件平臺． 目前已出現(xiàn)了用于射頻和微波領域的高端 VXI 儀器。 當然，采用普通 PC總線，尤其是工業(yè) PCI 總線的虛擬儀器也在不 斷發(fā)展，這類虛擬儀器主要面向一般工業(yè)控制、過程監(jiān)測和實驗室應用。 軟件技術的發(fā)展 和有關國際標準的建立，是推動虛擬儀器技術發(fā)展的決定性因素之一。 在 GPIB 接口總線出現(xiàn)以后，關于 1 程控儀器的 句法格式、信息交換協(xié)議和公用命令的標準化，一直是人們關心的問題。 標準程序命令 (SCPI)標準的建立，向解決程控命令與儀器廠家無關這一目標邁進了重要的一步，隨著虛擬 儀器思想的深入，用戶自己開發(fā)儀器驅(qū)動器己成為技術 發(fā)展的客觀需要。 過去儀器驅(qū)動都是由儀器 廠家專門設計，缺乏標準，使得用戶在儀器軟件方面的投資得不到保護。 為此，國際上專門制定 r 虛擬儀器軟件體系結構 (VISA)標準，建立了與儀器接口總線無關的標準 I／ O 軟件，使得不同總線結構的硬件產(chǎn)品在相互取代時不必重新編寫驅(qū)動程序， VISA 標準與 LabVIEW、 HP VEE、 Labwindows／ cVI 等先進開發(fā)環(huán)境軟件相適應。開發(fā)一個由用戶定制的虛擬儀器在軟件技術上已經(jīng)成熟。 可以預計，未來的 電子測量儀器和自動化測試技術的發(fā)展還將更多地滲透虛擬儀器的思想。 虛擬儀器的國內(nèi)外發(fā)展狀況 虛擬儀器技術目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（ NI） 為代表的一批廠商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術而設計的商品化儀器產(chǎn)品。近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，使用者利用這些公司提供的開發(fā)平臺軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統(tǒng)，并編制測試軟件。最 早 和 最具 有 影響 力 的開 發(fā) 軟件 ， 是 NI 公司的 LabVIEW 軟件和LabWindows/CVI 開發(fā)軟件。 LabVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。當今虛擬儀器的系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的 RS232 串 行總線 、 GPIB通用接口總線、 VXI 總線，以及已經(jīng)被 PC 機廣泛采用的 USB 串行總線和IEEE1394 總線。世界各國的公司，特別是美國 NI 公司，為使虛擬儀器能夠適應上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應要求的硬件，可以靈活的組建不同復雜的虛擬儀器子自動檢測系統(tǒng)。虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴大虛擬儀器的功能，在測量結果的數(shù)據(jù)處理、表達及其變換方面也做了很多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級分析庫和工具開發(fā)庫（例如測量結果的譜分析、快速傅里葉變換、各種數(shù)據(jù)濾波器、卷積處理和相關函數(shù)處理、微積分、峰值、閾值檢測 、波形發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運算、時域和頻域分析等），使虛擬儀器可以組建極為復雜的自動檢測系統(tǒng)。 在國內(nèi)，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。國內(nèi)將有高校和大型企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設備的運行狀況進行實時檢測。哈工大儀器王電子有限責任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品已達到了一定的批量。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計系列、多通道大容量波形記錄系列。 LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的杰出代表，在我國雖然引進的時間不長，但是現(xiàn)在己經(jīng)被認識和推廣、應用，它促進了中國測試領域的技術革命，在科研及教育 領域都 1 得到了迅速推廣。 隨著微型計算機的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。虛擬儀器技術的提出和發(fā)展，標志著二十一世紀自動測試與電子測試儀器領域技術發(fā)展的一個重要方向。 3 系統(tǒng)的基本功能 和軟硬件概述 系統(tǒng)基本功能 多種信號發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)對常用正弦波 、 三角波 、 方波 、 鋸齒波 任意波形的顯示與生成。 并能實現(xiàn)雙通道顯示。 在設計過程中使用美國國家儀器（ NI）公司開發(fā)的圖形化編程工具 LabVIEW 作為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)出的系統(tǒng)前面板必須功能齊全、美觀。能夠在系統(tǒng)要求范圍內(nèi)實現(xiàn)對輸出波形 頻率、相位、振幅和占空比的調(diào)節(jié)。 labview 軟件概述 當今， C/C++、 VC、 VB 和美國國家儀器（ NI）公司的 LabVIEW 都可以作為虛擬儀器的軟件開發(fā)工具。其中 C/C++、 VC、 VB 等傳統(tǒng)軟件開發(fā)平臺為眾多編程人員所熟悉，可以用來開發(fā)測試軟件，但這種開發(fā)方式對測試人員要求很高，需要自己將各種數(shù)據(jù)處理方法用計算機語言實現(xiàn)，還要對用于數(shù)據(jù)通信的各種連接總線（如 RS23 GPIB、 USB 等）非常熟悉，絕大多數(shù)測試工程人員難以做