【文章內(nèi)容簡介】 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析及數(shù)據(jù)的顯示這 3部分的物理功能。其充分利用計算機系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理能力，在基本硬件的支持下，利用軟件完成數(shù)據(jù)的采集、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測試結(jié)果的顯示等，通過軟、硬件的配合來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能。 (2) 在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)軟硬件資源共享 虛擬儀器的最大特點是將計算機資源與儀器硬件、 DSP 技術(shù)相結(jié)合，在系統(tǒng)內(nèi)共享軟硬件資源。它打破了以往由廠家定義儀器功能的模式，而變成了由用戶自己定義儀器功能。使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件編程，就可實現(xiàn) 功能完全不同的測量儀器。 (3) 圖形化的軟件面板 虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計算機強大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，以在計算機屏幕上建立圖形化的軟件面板來代替常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件。在操作時，用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板，來檢驗儀器的通信和操作。 汽車整車性能測試分析系統(tǒng)設計 5 除上述特點外，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器還有如下幾個方面的優(yōu)勢。 (1) 虛 擬儀器用戶可以根據(jù)自己的需要靈活地定義儀器的功能，通過不同功能模塊的組合可構(gòu)成多種儀器，而不必受限于儀 器廠商提供的特定功能。 (2) 虛擬儀器將所有的儀器控制信息均集中在軟件模塊中，可以采用多種方式顯示采集的數(shù)據(jù)、分析的結(jié)果和控制過程。這種對關(guān)鍵部分的轉(zhuǎn)移進一步增加了虛擬儀器的靈活性。 (3) 由于虛擬儀器關(guān)鍵在于軟件，硬件的局限性較小，因此與其他儀器設備連接比較容易實現(xiàn)。而且虛擬儀器可以方便地與網(wǎng)絡、外設及其他應用連接，還可利用網(wǎng)絡進行多用戶數(shù)據(jù)共享。 (4) 虛擬儀器可實時、直接地對數(shù)據(jù)進行編輯， 也可通過計算機總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ骰虼蛴C。這樣做一方面解決了數(shù)據(jù)的 傳輸問題 ， 一方面充分利用了計算機的存儲 能力，從而使虛擬儀器具有幾乎無限的數(shù)據(jù)記錄容量。 (5) 虛擬儀器利用計算機強大的圖形用戶界面，用計算機顯示測量結(jié)果。根據(jù)工程的實際需要，使用人員可以通過軟件編程或采用現(xiàn)有分析軟件，實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進行各種分析與處理。 (6) 虛擬儀器價格低，而且其基于軟件的體系結(jié)構(gòu)還大大節(jié)省了開發(fā)和維護費用。 虛擬儀器的 結(jié)構(gòu) 虛擬儀器可以由多種接口 (如 GPIB、 VXI、 PXI 等 )或具有這些接口的儀器，來連接構(gòu)成被測控對象和計算機。虛擬儀器的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 虛擬儀器系統(tǒng)包括儀器硬件和應用軟件兩大部分 。儀器硬件是計算機的外圍電路，與計算機一起構(gòu)成了虛擬儀器系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是應用軟件的基礎(chǔ)；應用軟件則是虛擬儀器的核心，在基本硬件確定以后，軟件通過不同功能模塊即軟件模塊的組合構(gòu)成多種儀器，賦予系統(tǒng)特有的功能，以實現(xiàn)不同的測量功能。 虛擬儀器硬件連接被測對象和計算機。根據(jù)不同的接口類型，虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 GPIB 儀器控制系統(tǒng)、 VXI 儀器系統(tǒng)等不同部分 [4]。 虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu) VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)主要包含兩個層 次：用戶應用程序和設備驅(qū)動程序。如圖 22 所示，設備驅(qū)動程序是聯(lián)系用戶應用程序與底層硬件設備的基礎(chǔ)。每一種設備驅(qū)動程序都是為增加編程靈活性和提高數(shù)據(jù)吞吐量而設計的，每個設備驅(qū)動程序都具有一個共同的應用程序編程接口 (API)。因此，不管虛擬儀器使用什么計算機或操作系統(tǒng)，最終所編寫的用戶應用程序都是可以移植的。 汽車整車性能測試分析系統(tǒng)設計 6 測控對象G P I B 接 口 儀 器V X I 接 口 儀 器圖 形 采 集 儀 器串 行 口 儀 器其 他 接 口 設 備并 行 口 儀 器信 號 調(diào) 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡計 算 機工 控 機圖 21 虛擬儀器結(jié)構(gòu) 虛 擬 儀 器 開 發(fā) 環(huán) 境應 用 程 序 接 口 （ A P I ）設 備 驅(qū) 動 程 序 圖 22 虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu) 編程語言 到現(xiàn)在 為止 已有多種虛擬儀器的軟件開發(fā)工具 ，主要分為文本式編程語言和圖形化編程語言兩種。 汽車整車性能測試分析系統(tǒng)設計 7 (1) 文本式編程語言：如 C、 Visual Basic等。 傳統(tǒng)編程語言是用文本語言編程， 使用這些語言開發(fā)虛擬儀器，需要工程師有較強的編程能力。 (2) 圖形化編程語言：如 LabVIEW、 HPVEE 等。 圖形語言 (即各種圖標、圖形符號、連線等 )編程，界面非常直觀形象，都是工程師們熟悉的旋鈕、開關(guān)、圖形等，因此對于沒有豐富編程經(jīng)驗的工程師們來說無疑是個極好的選擇。 在本論文所涉及的虛擬儀器的設計中，選擇了 NI 公司開發(fā)的 LabVIEW 作 為開發(fā)工具。 虛擬儀器中最具有代表性的是美國國家儀器公司 (NI)推出的 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，它是一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成化開發(fā)環(huán)境 [5]。 LabVIEW LabVIEW的發(fā)展 LabVIEW 是美國國家儀器公司 (Natioanal Instruments， NI)的軟件產(chǎn)品。 1986 年 10月 NI 公司正式發(fā)布了 LabVIEW 。隨后， NI 公司的 LabVIEW 開發(fā)小組繼續(xù)投入 開發(fā)項目，對編輯器、圖形顯示及其他細節(jié)進行重大改進，在 1990 年 1 月發(fā)布了 LabVIEW 。 1992 年 LabVIEW 實現(xiàn)了從 Macintosh 平臺到 Windows 平臺的移植， 1993 年 1 月 正式發(fā)行。此時 LabVIEW 已經(jīng)成為包含了幾千個 VI 的大型應用軟件和系統(tǒng)，作為一個比較完整的軟件開發(fā)環(huán)境得到認可，并迅速占領(lǐng)市場。 1996 年 4 月 LabVIEW 問世，實現(xiàn)了應用程序編制器 (LabVIEW Application Builder)的單獨執(zhí)行，并向數(shù)據(jù)采集 DAQ 通道方向進行了延 伸。 1998 年 2 月發(fā)布的LabVIEW 5 對以前版本全面修改，對編輯器和執(zhí)行系統(tǒng)進行了重寫，盡管增加了復雜性，但也大大增強了 LabVIEW 的可靠性。 1999 年 6 月， LabVIEW 開發(fā)小組發(fā)布了用于實時應用程序的分支，即 LabVIEW RT 版。 2021 年 6月 LabVIEW 6 發(fā)布， LabVIEW 6 擁有新的用戶界面特征 (如 3D形式顯示 )、擴展功能及各層內(nèi)存優(yōu)化，另外還具有一項重要的功能是強大的 VI 服務器。 2021 年 5月發(fā)布的 LabVIEW 7 Express引入了波形數(shù)據(jù)類型 和一些交互性更強、基于配置的函數(shù) ，使用戶應用開發(fā)更簡便，在很大程度上簡化了測量和自動化應用任務的開發(fā)，并對LabVIEW 使用范圍進行擴充，實現(xiàn)了對 PDA 和 FPGA 等硬件的支持 [6]。 2021 年發(fā)布了LabVIEW 8，為分布在不同計算目標上的各種應用程序的開發(fā)和發(fā)布提供支持。 2021 年 NI 公司為慶祝和紀念 LabVIEW 正式推出 20 周年，在當年 10 月發(fā)布了LabVIEW 20 周年紀念版，即 LabVIEW 。該版本增加了仿真框圖和 MathScript 節(jié)點兩大功能，提升了 LabVIEW 在設計市場的地位；同時第一次推出了簡體中文版，為中國 科技人員的學習和使用降低了難度 [7]。 汽車整車性能測試分析系統(tǒng)設計 8 LabVIEW的 功能 LabVIEW結(jié)合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強大的 G編程語言，提供了一個非常直觀的編程環(huán)境：有專為大型應用開發(fā)、集體開發(fā)及應用配置設計的附加開發(fā)工具，包括應用程序生成器、圖形比較、源代碼控制、程序碼編寫指導及復雜矩陣運算等功能。 LabVIEW不僅僅是一種編程語言，還是一種用于測量和自動化的特定應用程序開發(fā)環(huán)境，一種用來快速設計工業(yè)原型和應用程序的高度交互式的開發(fā)環(huán)境。同時 LabVIEW還實現(xiàn)了對 FPGA等硬件的支持，實際上也是 一個硬件設計工具。測量和自動化程序在處理與通用程序一樣的問題 (如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法、文件 I/O、網(wǎng)絡 I/O、用戶 I/O和數(shù)據(jù)庫存取、打印等 )的同時，還要處理額外的問題 (如物理 I/O、實時性約束和硬件配置等 )。 LabVIEW適用于測量和自動化應用程序的能力與通用編程的能力相互增強和擴展，使其在兩個方面體現(xiàn)出強大的功能。 LabVIEW的特點 LabVIEW是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。與其他基于文本的程序設計語言相比， LabVIEW具有如下特點。 (1) 直觀、易學易用。 與 Visual C++、 Visual Basic等計算機編程語言相比，圖形化編程工具 LabVIEW有一個重要的不同點：不采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼行，而使用圖形化編程語言 G編寫程序；產(chǎn)生的程序是框圖的形式，用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。因而可在很短的時間內(nèi)被掌握并應用到實踐中去，特別適合硬件工程師、實驗室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學習和使用 [8]。 (2) 通用編程系統(tǒng)。 LabVIEW的功能并沒有因圖形化編程而受到限制，依然具有通用編程系統(tǒng)的特點。LabVIEW有 一個可完成任何編程任務的龐大的函數(shù)庫。該函數(shù) 庫包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。 LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其通過程序的結(jié)果、單步執(zhí)行等，便于程序的調(diào)試 [9]。 LabVIEW的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其他語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。 (3) 模塊化 LabVIEW還有一個特點是模塊化，體現(xiàn)在兩個方面。首先， LabVIEW中使用的基本節(jié)點和函數(shù)等就是一個個小的模塊， 可以直接使用；另外，由 LabVIEW編寫的程序，即虛擬儀器模塊，除了作 為獨立程序運行外，還可作為另一個虛擬儀器模塊的子模塊 (即子 VI)供其他模塊程序使用 [10]。 汽車整車性能測試分析系統(tǒng)設計 9 LabVIEW的應用 LabVIEW的諸多優(yōu)點，使其在包括航天、航空、通信、汽車、半導體和生物醫(yī)學等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用。從儀器控制、數(shù)據(jù)采集到測試和工業(yè)自動化，從大學實驗室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，不同領(lǐng)域的科學家和工程師都在借助 LabVIEW解決研究和工作中出現(xiàn)的各種應用課題。 (1) 應用于自動化測試和測量平臺 近 30年來， NI公司革新了測量領(lǐng)域中工程師要年年進行測試和測量的方式。利用 PC和 虛擬儀器技術(shù)，通過 LabVIEW的集成軟件包和 PXI、 PCI、 USB、 Ether等模塊化測量和控制硬件，可以提高開發(fā)設計效率并降低自動化測試和測量應用程序的成本。測試和測量中的應用通常有生產(chǎn)測試、驗證 /環(huán)境測試、機械 /結(jié)構(gòu)測試、實時可靠性測試、便攜式場地測試、射頻 RF和通信測試、機臺測試、圖像采集和數(shù)據(jù)采集等。 (2) 應用于工業(yè)測量和控制平臺 LabVIEW可用于要求苛刻的工業(yè)應用，如高級 I/O、高速模擬信號采集、振動監(jiān)控、控制及其視覺之類的高級處理應用，以及與工業(yè)硬件 (如 OPC設備和 PLC)的通信。另外，可以將 LabVIEW中的可編程自動控制器 (PAC)集成于其他測控系統(tǒng)中，從而達到附加的測量和控制功能 [11]。工業(yè)測量和控制中的應用通常有：集成的測試和控制、機器自動化、機器視覺、機器狀況監(jiān)控、分布式監(jiān)控和控制及功率監(jiān)控等。 (3) 應用于設計、原型建模和分布 LabVIEW可用于高效的設計應用、仿真、仿真數(shù)據(jù)與真實測量之間的比較。將LabVIEW和測量工具集成于附加的設計和仿真工具中，在設計過程中就可以將真實的測試工具與仿真模型進行比較，從而發(fā)現(xiàn)設計中的缺陷、減少重復設計、提高產(chǎn)品質(zhì)量。通常 的應用有嵌入式系統(tǒng)設計和測試、控制設計、數(shù)字濾波器設計、電子電路設計、機械設計、算法設計等。 (4) 應用于院校實驗室 LabVIEW在測控領(lǐng)域掀起革新的同時，也增強和提高了院校實驗室的研究。在實驗室中， LabVIEW將復雜的數(shù)據(jù)采集工作變得簡便，便于研究人員集中時間和精力用于實驗操作、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論總結(jié)，而不是將大量時間用于搭建實驗室設備。 LabVIEW在教學和實驗室中的應用領(lǐng)域包括測量、電路設計和仿真、控制、機械、電子、信號和圖像處理、無線通信和嵌入式系統(tǒng)等 [12]。 LabVIEW的編程環(huán) 境 LabVIEW程序分為前面板和程序框圖兩個部分。前面板是 VI代碼的接口，是用戶交互界面。前面板界面上放置了各種圖形控件，這些控件主要分為輸入控件 (Controls)和顯