【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 先討論了本設(shè)計(jì)的產(chǎn)生和應(yīng)用背景，介紹了虛擬儀器的基本內(nèi)容以及虛擬儀器的產(chǎn)生和發(fā)展，并 介紹了 LabVIEW的相關(guān) 內(nèi)容 ，接著討論了系統(tǒng)的主要功能及總體結(jié)構(gòu) ，即 系統(tǒng)采集顯示數(shù)據(jù)，以及相關(guān)分析函數(shù)。 本章小結(jié) 本章主要分析了溫度檢測(cè)的意義，并對(duì)傳統(tǒng)方法利用各種傳感器來檢測(cè)溫度做了簡(jiǎn)單介紹，提出自己系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容和整體思路及要實(shí)現(xiàn)的效果。 3 2 虛擬儀器的基本理論 虛擬儀器的概念 虛擬儀器（ virtual instrument）的概念是美國 NI公司（ National Instrument）提出來的 。 所謂虛擬儀器就是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來的儀器測(cè)量技術(shù) ， 是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。他將計(jì)算機(jī)作為儀器的硬件平臺(tái)，借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，將儀器的專業(yè)功能和操作面板在計(jì)算機(jī)界面實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)上形成與儀器基本相同的系統(tǒng)，更方便實(shí)現(xiàn)修改測(cè)試儀器。 LabVIEW ( aboratory virtual instrument engineering workbench 即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái) )也是美 國 NI公司推出的 ， 它集合 了 簡(jiǎn)單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活的 G語言 ， 所見即所得的可視化技術(shù)為建立人機(jī)界面提供了一種簡(jiǎn)易的編程環(huán)境。 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測(cè)量、檢測(cè)、計(jì)量、測(cè)控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國際上流行的 “ 硬件軟件化 ” 的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作 “ 軟件儀器 ” 。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀 、 頻譜儀 、 信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭 和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù) ， 如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波 、 心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù) ； 它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn) 即 可迅速掌握操作規(guī)程；它集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) ， 而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。 在儀器計(jì)量系統(tǒng)方面， 示波器 、 頻譜儀 、 信號(hào)發(fā)生器 、 邏輯分析儀 、電壓電流表是科研機(jī)關(guān)、企業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、大專院所的必備測(cè)量設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在測(cè)繪系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的儀器設(shè)備缺乏相應(yīng)的計(jì)算機(jī)接口， 因而配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理十分困難。而且，傳統(tǒng)儀器體積相對(duì)龐大，多種數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)常感到捉襟見肘，手足無措。我們常見到硬件工程師的工作臺(tái)上堆砌著紛亂的儀器，交錯(cuò)的線纜和繁多待測(cè)器件。然而在集成的虛擬測(cè)量系統(tǒng)中，我們見到的是整潔的桌面，條理的操作，不但使測(cè)量人員從繁復(fù)的儀器堆中解放出來，而且還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理。其方便之極固不必多言，而設(shè)備成本的大幅降低卻不可不提。一套完整的實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備少則幾萬元，多則幾十萬元。在同等的性能條件下，相應(yīng)的虛擬儀器價(jià)格要低二分之一甚至更多。虛擬儀器強(qiáng)大的功能和價(jià) 格優(yōu)勢(shì)，使得它在儀器計(jì)量領(lǐng)域具有很強(qiáng)的生命力和十分廣闊的前景。 在專用測(cè)量系統(tǒng)方面，虛擬儀器的發(fā)展空間更為廣闊。環(huán)顧當(dāng)今社會(huì)，信息技術(shù)的迅 4 猛發(fā)展，各行各業(yè)無不轉(zhuǎn)向智能化、自動(dòng)化、集成化。無所不在的計(jì)算機(jī)應(yīng)用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎(chǔ)。虛擬儀器的概念就是用專用的軟硬件配合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)專有設(shè)備的功能，并使其自動(dòng)化、智能化。因此，虛擬儀器適合于一切需要計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠?jì)量場(chǎng)合。測(cè)量與處理、結(jié)果與分析相脫節(jié)的面貌將大為改觀。數(shù)據(jù)的拾取、存儲(chǔ)、處理、分析一條龍操作 ，既有條不紊又迅捷快速 。推而廣之，一切計(jì)量系統(tǒng)，只要技術(shù)上可行 都可用虛擬儀器代替，由此可見虛擬儀器應(yīng)用空間是多么的寬廣。 虛擬儀器的 結(jié)構(gòu) 虛擬儀器通常是由計(jì)算機(jī)、模塊化功能硬件和應(yīng)用軟件這三部分構(gòu)成。 1． 虛擬儀器的硬件構(gòu)成 計(jì)算機(jī)是虛擬儀器的核心 ,主要完成數(shù)據(jù)處理和結(jié)果的顯示。硬件主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。虛擬儀器根據(jù)其模塊化功能硬件不同 ,有多種構(gòu)成方式 ： 第一， 基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器 ， 是以信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)及 PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái) ， 采用 PCI或 ISA計(jì)算機(jī)總線 ， 將 DAQ直接插入 PC機(jī)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的總線擴(kuò)展插槽 。 因此 ， 這種虛擬儀器又叫 PCIDAQ/PCI插卡式虛擬儀器。 第二， 基于串行總線儀器的虛擬儀器 ， 是由 Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及 PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái) ， 包括符合 RS 232/RS422標(biāo)準(zhǔn)的 PLC和單片機(jī)系統(tǒng)。 第三， 基于通用接口總線 GPIB接口的虛擬儀器 ， 是以 GPIB接口儀器 、 GPIB接口卡及 PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái) ， GPIB儀器具有獨(dú)立的儀器操作界面 ， 可以脫離計(jì)算機(jī)使用 ， 也可以通過標(biāo)準(zhǔn) GPIB電纜連接計(jì)算機(jī)實(shí)施程序控制。 第四 ， 基于 VXI儀器的虛擬儀器 ， 是以 VXI (VME bus extension for instrume ntation) 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊及 PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái) ， 由主機(jī)箱、控制器和儀器模塊構(gòu)成。 VXI控制器包括嵌入式 PC控制、嵌入式工作站控制器和外置工作站控制器 ， 可根據(jù)測(cè)試功能的不同要求來選用。 第五， 基于 PXI儀器的虛擬儀器 ， 它是以 PXI(PCI extension for instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊及 PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái) ， PXI總線方式是在 PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加多板同步觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘技術(shù)規(guī)范和要求形成。標(biāo)準(zhǔn)的 PXI模塊化儀器 系統(tǒng)有 8個(gè)插槽 ， 還可與 Compact PCI交互操作 ， 可與 GPIB或 VXI集成 ， 組成大規(guī)模、多用途系統(tǒng)。 第六， 基于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的虛擬儀器 ， 是以 Fieldbus標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及 PC機(jī)為儀器硬件平臺(tái) 。 無論上述哪種形式的虛擬儀器，都是通過應(yīng)用軟件將儀器的模塊化功能硬件與各類計(jì)算機(jī)相結(jié)合的 ， 其中基于 GPIB、 VXI、 PXI的方案主要適合構(gòu)成大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng) ；PCIDAQ / PCI、串行口方案主要適合構(gòu)成普及型的廉價(jià)測(cè)試系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)總線方案主要適合構(gòu)成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)。如測(cè)試任務(wù)需要 ， 也可將上述幾種方 案結(jié)合構(gòu)成混合測(cè)試系統(tǒng)。 5 2． 虛擬儀器的軟件構(gòu)成 虛擬儀器最核心的技術(shù)是軟件 ， 使原來需要硬件實(shí)現(xiàn)的功能軟件化 ， 以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性。虛擬儀器軟件的本質(zhì)是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。虛擬儀器軟件的數(shù)據(jù)處理過程可以分為兩種 ： 一是自下而上的數(shù)據(jù)采集 、 處理到最終顯示 ； 一是自上而下的用戶交互、指令操作到儀器控制。因此 ， 可以把虛擬儀器軟件劃分為 3個(gè)層次 ：虛擬輸入 /輸出層 、 虛擬儀器驅(qū)動(dòng)層和虛擬儀器應(yīng)用軟件層。軟件層次對(duì)外定義單一的調(diào)用接口 ， 各個(gè)軟件層次之間通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。采用單一接口的好處是對(duì)外隱藏 了軟件層次的內(nèi)部細(xì)節(jié) ， 無論采用什么實(shí)現(xiàn)方法 ， 做什么樣的修改 ， 只要接口不變就不會(huì)影響軟件的其他部分。 第一， 虛擬輸入 /輸出層。是為虛擬儀器驅(qū)動(dòng)層提供信息傳遞的底層軟件 ， 是實(shí)現(xiàn)開放 、 靈活的虛擬儀器的基礎(chǔ)。虛擬輸入 /輸出層的功能是直接對(duì)儀器進(jìn)行控制 ， 完成數(shù)據(jù)讀寫。由于儀器硬件的種類繁多 ， 為了保證硬件的 “ 即插即用 ” 虛擬輸入 /輸出層需要提供獨(dú)立于硬件的 I/O 接口。 第二，虛擬儀器驅(qū)動(dòng)層。是連接虛擬儀器應(yīng)用軟件與虛擬輸入 /輸出的紐帶和橋梁 ,其功能是為虛擬儀器應(yīng)用軟件層提供抽象的儀器操作集。對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件來說 ， 對(duì)儀器的操作是通過調(diào)用虛擬儀器驅(qū)動(dòng)提供的單一接口來實(shí)現(xiàn)的 ， 而虛擬儀器驅(qū)動(dòng)又是調(diào)用虛擬輸入 / 輸出所提供的單一接口來實(shí)現(xiàn)的。 第三，虛擬儀器應(yīng)用軟件層。直接面對(duì)操作用戶 ， 提供了快捷、友好的測(cè)控操作界面 ，以及圖形、圖表等數(shù)據(jù)顯示方式。它只對(duì)虛擬儀器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)用 ， 本身不進(jìn)行任何數(shù)據(jù)處理。對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件的開發(fā)者來說 ， 在不了解儀器內(nèi)部操作與實(shí)現(xiàn)的情況下 ， 也可以進(jìn)行虛擬儀器應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。 在軟件層次化的基礎(chǔ)上 ， 就可以把各層封裝為不同的模塊組件。構(gòu)造虛擬儀器的過程就是將各組件組合在一起 ， 當(dāng)功能發(fā)生改變和更新儀器硬件時(shí) ， 只要調(diào)用、添加或重組各模塊組件見 ， 就能構(gòu)造出新的虛擬儀器 ， 將儀器使用的主動(dòng)權(quán)真正交給了用戶 ， 虛擬儀器的靈活性也就得到了充分的體現(xiàn)。 虛擬儀器的分類 虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型： 第一類 ， PC總線 —— 插卡型虛擬儀器 這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如 LabVIEW 相結(jié)合。Labview/cvi 是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言 Visual C++,Visual Basic, Labview/cvi 構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受 PC 機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無屏蔽等缺點(diǎn)。另外， ISA 總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰， PCI 總線的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。 6 第二類 ， 并行口式虛擬儀器 最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通常可以完成各種測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬用表、 功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國 LINK 公司的 DSO2XXX 系列虛擬儀器 ,它們的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式 PC 機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。 第三類 ， GPIB 總線方式的虛擬儀器 GPIB 技術(shù)是 IEEE488 標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，典型的 GPIB 系統(tǒng)由一臺(tái) PC 機(jī)、一塊 GPIB 接口卡和若干臺(tái) GPIB 形式的儀器通過 GPIB 電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊 GPIB 接口可帶多達(dá) 14 臺(tái)儀器，電纜長度可達(dá) 40 米。 GPIB 技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺(tái)儀器組合起來，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。 GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用。 第四類 ， VXI 總線方式虛擬