【文章內(nèi)容簡介】 接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以 PC 為基礎(chǔ)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(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測試設(shè)備，設(shè)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(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機(jī)屏幕上顯示與 1 真實儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)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(jī)硬件平臺和測控功能硬件。計算機(jī)硬件平臺可以是各種類型的計算機(jī)，如臺式計算機(jī)、便攜式計算機(jī)、工作站、 嵌入式計算機(jī) 等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，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(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)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(wù)，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(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機(jī)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(jī)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(jī)強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，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(jī)強(qiáng)大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強(qiáng)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(jìn)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(yīng)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(jié)構(gòu) 中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來越重要。 VXI 總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)， VISA 具有與儀器硬件接口無關(guān)性的特點(diǎn)， 即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)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(shè)備上，這樣不但大大縮短了 應(yīng)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(shù)的日趨成熟，體現(xiàn)了計算機(jī)技術(shù)對傳統(tǒng)工業(yè)的革命。 在虛擬儀器技術(shù)發(fā)展中有兩個突出的標(biāo)志， 第 一是 VXI 總線標(biāo)準(zhǔn)的建立和推廣， VXI 總線系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化、模塊化的顯著特點(diǎn)，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(diǎn)，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(shè)計先進(jìn)的分析與測量儀器所必須的總線結(jié)構(gòu)，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(chǔ)規(guī)范。 硬件技術(shù)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(diǎn)取決于傳輸測量數(shù)據(jù)的總線結(jié)構(gòu)。 通用儀器總線 GPIB 于1978 年問世，實現(xiàn)了計算機(jī)與測量 系統(tǒng)的首次結(jié)合。 它標(biāo)志著測量儀器從獨(dú)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(shù)發(fā)展的第一階段。 在虛擬儀器中，其分析功能是由 計算機(jī)來完成的，或由計算機(jī)來控制的。因此，接口、總線的速度和可靠性是關(guān)鍵。 1987 年 GPIB 儀器總線與 VME微機(jī)總線結(jié)合，誕生了 VXI 標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計和安排儀器功能，也使得用戶化儀器功能設(shè)計得以實現(xiàn)。 VXI 總線的出現(xiàn)，使得虛擬儀器設(shè)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(lǐng)域的高端 VXI 儀器。 當(dāng)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(yīng)用。 軟件技術(shù)的發(fā)展 和有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的建立，是推動虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的決定性因素之一。 在 GPIB 接口總線出現(xiàn)以后，關(guān)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(biāo)準(zhǔn)化，一直是人們關(guān)心的問題。 標(biāo)準(zhǔn)程序命令 (SCPI)標(biāo)準(zhǔn)的建立，向解決程控命令與儀器廠家無關(guān)這一目標(biāo)邁進(jìn)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(shù) 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(shè)計，缺乏標(biāo)準(zhǔn)，使得用戶在儀器軟件方面的投資得不到保護(hù)。 為此，國際上專門制定 r 虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu) (VISA)標(biāo)準(zhǔn)，建立了與儀器接口總線無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn) I／ O 軟件，使得不同總線結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)與 LabVIEW、 HP VEE、 Labwindows／ cVI 等先進(jìn)開發(fā)環(huán)境軟件相適應(yīng)。開發(fā)一個由用戶定制的虛擬儀器在軟件技術(shù)上已經(jīng)成熟。 可以預(yù)計，未來的 電子測量儀器和自動化測試技術(shù)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?fàn)顩r 虛擬儀器技術(shù)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(shù)而設(shè)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(dāng)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(jī)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(yīng)上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件，可以靈活的組建不同復(fù)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(kuò)大虛擬儀器的功能，在測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)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(jié)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(guān)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(yùn)算、時域和頻域分析等），使虛擬儀器可以組建極為復(fù)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(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實時檢測。哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品已達(dá)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(jìn)的時間不長，但是現(xiàn)在己經(jīng)被認(rèn)識和推廣、應(yīng)用，它促進(jìn)了中國測試領(lǐng)域的技術(shù)革命，在科研及教育 領(lǐng)域都 1 得到了迅速推廣。 隨著微型計算機(jī)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(shù)的提出和發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動測試與電子測試儀器領(lǐng)域技術(shù)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(shè)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(dāng)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(jī)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