【文章內(nèi)容簡介】 泛，并將逐漸取代傳統(tǒng)儀器。 表 21 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 開發(fā)維護(hù)費(fèi)用低 技術(shù)更新周期短（ 0． 5～ 1 年） 軟件是關(guān)鍵 價格低 開放、靈活與計算機(jī)同步，可重復(fù)用和重配置 可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器 自動化、智能化、多功能、遠(yuǎn)距離傳輸 開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高 技術(shù)更新周期短（ 5～ 10 年） 硬件是關(guān)鍵 價格昂貴 固定 只可連有限的設(shè)備 功能單一，操作不便 近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。這是一種新型的基于Web 技術(shù)的虛擬儀 器，使得虛擬儀器測試系統(tǒng)成為 Inter/Intra 的一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控和管理。在當(dāng)前流行的 C/S/D 網(wǎng)絡(luò)模式下，利用嵌入式技術(shù)（包括數(shù)據(jù)庫嵌入和網(wǎng)絡(luò)模塊的嵌入）可以充分利用有效資源，提高測試效率。 虛擬儀 器開發(fā)者 虛擬儀器 軟件面板 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 底層驅(qū)動程序 硬件模塊 虛擬儀器開發(fā)者 操作系統(tǒng) 7 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。以美國 NI 公司的軟件產(chǎn)品 LabVIEW 和LabWindows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺提供了強(qiáng)大的儀器軟面板 設(shè)計工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動程序模塊，簡化了虛擬儀器的設(shè)計工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化，和各種硬件儀器驅(qū)動軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便 ]6[ 。 圖 22 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的發(fā)展趨勢 虛擬儀器是微電子、通信、計算機(jī)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。自從 1785 年庫侖發(fā)明靜電扭秤， 1834 年哈里 斯提出靜電電表結(jié)構(gòu)以來，電測儀表和電子儀器隨相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步、儀器儀表元器件質(zhì)量的提高和測量理論方法的改進(jìn)得到飛速發(fā)展。有一種較普遍地說法將測量儀器的發(fā)展分為五個階段，從十九世紀(jì)初到二十世紀(jì)末，測量儀器經(jīng)歷了模擬儀器、電子儀器、數(shù)字儀器、智能儀器等階段，發(fā)展到現(xiàn)在的虛擬儀器。如圖 23 所示。 圖 23 測量技術(shù)的發(fā)展 硬件驅(qū)動程序 數(shù)據(jù)處理 用戶界面 模擬儀器 電子儀器 數(shù)字儀器 智能儀器 虛擬儀器 19 世紀(jì) 五十年代 20 世紀(jì) 七十年代 九十年代 8 LabVIEW 軟件 LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或流程圖。它盡可能利用了工程師所熟悉的術(shù)語 、圖標(biāo)和概念，因此， LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率 ]7[ 。 LabVIEW 中的基本概念 所有的 LabVIEW 應(yīng)用程序，即虛擬儀器 (VI)，它包括前面板 (Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo) /連結(jié)器 (Icon/Connector)三部分。 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象，具體表 現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。但并非畫出兩個控件后程序就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個與之對應(yīng)的流程圖。 流程圖：流程圖提供 VI 的圖形化源程序。在流程圖中對 VI 編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。如果將 VI 與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對應(yīng)的就是傳統(tǒng)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器箱內(nèi)的硬件電路。 圖標(biāo) /連接設(shè)計：這部分的設(shè)計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模 塊化程序設(shè)計的思想。在設(shè)計大型自動檢測系統(tǒng)時一步完成一個復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計是相當(dāng)有難度的。而在 LabVIEW 中提供的圖標(biāo) /連接工具正是為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計而準(zhǔn)備的。設(shè)計者可把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可完成一定的功能。 LabVIEW 的操作模板 在 LabVIEW 的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具 (Tools)模板、控制 (eontrols)模板和函數(shù) (FuionS)模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征，對 LabVIEW 程序的創(chuàng)建、設(shè)計和調(diào)試具有重要的作用。 1 工具模板 如圖 24 所示，該模板包含各種用于創(chuàng)建、修改 LabVIEW 中的對象，并可對 Vl 程序進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會變成該工具相應(yīng)的形狀。 2 控制模板 該模板用來給前面板設(shè)置所需的控制量 (ControlS)和顯示量 (IndicatorS)，主要用來創(chuàng)建前面板中的對象，構(gòu)建程序的界面。每個圖標(biāo)代表一類子模板。如圖 24 所示： 9 3 函數(shù)模板 函數(shù)模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具，包含了編 寫程序的過程中會用到的函數(shù)和 vi程序，主要用于構(gòu)建后面板的對象。該模板上的每一個頂層圖標(biāo)都表示一個子模板。如圖 25 所示： 圖 24 控制模板 圖 25 功能模板 LabVIEW 調(diào)試與運(yùn)行 調(diào)試在一個工程中十分重要，在 LabVIEW 中調(diào)試是十分方便的。 LabVIEW 的運(yùn)行環(huán)境中，有一種特有的調(diào)試手段，它可以實(shí)時顯示數(shù)據(jù)流，它可使用戶更加清楚地觀察程序運(yùn)行的每一個細(xì)節(jié)，為查找錯誤，修改和優(yōu)化程序提供了有效的手段和依據(jù)。 1 找出語法錯誤 2 執(zhí)行程序高亮 3 斷點(diǎn)與單步執(zhí)行 4 數(shù)據(jù)探針 本章介紹了虛擬儀器技術(shù)，并對工具軟件 LabVIEW 的操作、調(diào)試與運(yùn)行進(jìn)行了簡潔的說明，為系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。分析表明，在保證系統(tǒng)實(shí)時性的情況下，利用虛擬儀器技術(shù)，能夠使建模過程和系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)都在圖形化開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行，簡化代碼設(shè)計，使設(shè)計人員專注于核心問題研究，從而提高開發(fā)效率。 10 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本設(shè)計由啟動程序以及主程序（包括首頁、主界面、日用電信息、月用電信息 4 個頁面）組成。完整的體現(xiàn)了一個抄表的功能和實(shí)際應(yīng)用。下面分別介紹各個部 分。 建立一個啟動頁面用來顯示應(yīng)用程序的名稱、版本以及載人進(jìn)度等，當(dāng)系統(tǒng)完全啟動后，它將會自動關(guān)閉。如同 LabVIW、 Word 和 Photoshop 等應(yīng)用程序的啟動接面。如圖 3圖 32 所示，分別為設(shè)計應(yīng)用程序的啟動程序框圖和啟動界面。 圖 31 啟動界面程序框圖 圖 32啟動界面前面板 11 本程序設(shè)計了用戶登錄系統(tǒng)。它的主要優(yōu)點(diǎn)：一是有效保護(hù)私有數(shù)據(jù)，對整個系統(tǒng)的各種配置參數(shù)硬件設(shè)施等做出保護(hù)；二是保護(hù)程序本身設(shè)置軟件使用權(quán)限，可以將非專業(yè)操作人員“拒于”系統(tǒng)之外，避免由 于使用者誤操作引起的系統(tǒng)崩潰。圖 33 為登錄系統(tǒng)的程序流圖： 圖 33登陸系統(tǒng)流程圖 Y N Y 結(jié)束 仿真信號模式 開始 輸入用戶名和密碼 實(shí)際抄表模式 超過三次 N 判斷是否正確 進(jìn)行模式選擇 12 流程圖是 VI 的圖形化源程序。本程序?qū)崿F(xiàn)了用戶名密碼登錄及模式選擇功能。登陸系統(tǒng)的程序框圖如圖 34 所示： 圖 34登錄系統(tǒng)程序框圖 圖 35 為登錄頁面即首頁： 圖 35首頁用戶登錄界面 13 若用戶名密碼錯誤，系統(tǒng)彈出錯誤提示框，錯誤三次之后則執(zhí)行 LabVIEW 退出函數(shù)。若正確，則彈出登陸成功對話框，進(jìn)行模式選擇 —— 仿真抄表與實(shí)際抄表。如圖 3圖 37 所示： 圖 36密碼錯誤對話框 圖 37登陸成功對話框 若選擇仿真信號模式，則原程序開始運(yùn)行，若選擇實(shí)際抄表模式，則彈出子程序前面版，如圖 38 所示： 圖 38實(shí)際抄表模式首頁 14 在用戶端，由于平時不會總?cè)タ措姳頂?shù)據(jù)，所以主界面設(shè)計原則是：功能健全，盡量小巧簡約，具體要顯示的內(nèi)容和功能可以放到子選項(xiàng)卡。為了使實(shí)界面簡潔明了，系統(tǒng)只設(shè)計了社區(qū)中的甲乙丙三個用戶，若在實(shí)際抄表中，可以利 用 LabVIEW 的下拉菜單選擇，可將所有用戶添加進(jìn)去，同時使界面看起來簡潔。圖 39 為主界面流程圖： 圖 39 主界面流程圖 1 抄表功能 圖形顯示對于虛擬儀器面板設(shè)計是一個重要的內(nèi)容。利用 LabVIEW 提供的豐富圖形界面來進(jìn)行前面板的設(shè)計，這就可以使虛擬儀器看起來更真實(shí)性。其中量表可以真實(shí)地模擬實(shí)際用表。點(diǎn)擊抄表下的 OK 鍵即可抄表讀取當(dāng)前電量。量表以及數(shù)值都可以清晰地顯示當(dāng)前值，界面右上角顯示了系統(tǒng)的當(dāng)前時間。 2 報警功能 在 LabVIEW 中，如想要有一個直觀提示來指示一個值超過了特定界限，可使用警告燈。當(dāng)抄表數(shù)值超出限度，即可初步判斷電表出現(xiàn)了問題，此事警報下的燈會亮，分別對應(yīng)三個用戶。經(jīng)過后續(xù)觀察和實(shí)地檢驗(yàn)以后，及時排除故障，確保社區(qū)正常抄表。 Y N Y N 結(jié)束 抄表按鈕按下 開始 報警 顯示抄表數(shù)據(jù) 序 判斷超出范圍 15 該仿真信號由函數(shù)選版中的隨機(jī)數(shù)為基礎(chǔ)生成，通過結(jié)構(gòu)、數(shù)值子選板以及移位寄存器，獲取與真實(shí)電能表信號相似的數(shù)據(jù)。程序框圖如圖 310 所示，用戶端主界面的前面板如圖 311 所示： 圖 310用戶端主界面 圖 311主界面仿真信號程序框圖 16 詳細(xì)信息界面里，通過圖表顯 示出用戶用電量與時間的曲線，生動地說明了用電高峰及低谷，點(diǎn)擊右邊的查看按鈕，可以分別顯示社區(qū)個用戶的日用電情況。各信號是單獨(dú)生成，互不影響。圖表的縱坐標(biāo)為用電量（ 1— 6 度），橫坐標(biāo)為時間刻度，每個正點(diǎn)對應(yīng)一小格。波形圖表能非常清晰的實(shí)時顯示采集波形。圖 312 為程序流圖： 圖 312 日用電程序流圖 該程序框圖由事件結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)、 for 循環(huán)（其中放入定時器）構(gòu)成。同樣由函數(shù)選版中的隨機(jī)數(shù)為基礎(chǔ)生成仿 真信號。采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，該 結(jié)構(gòu)可以一次顯示所有幀。 如圖 313 所示。 由圖 314 可知： 6 點(diǎn)至晚上 23 點(diǎn)的用電量不斷遞增， 23 點(diǎn)至第二天 6 點(diǎn)則是接近水平，是用電的低谷期。 Y Y Y N N N Y 結(jié)束 甲按鈕按下 開始 顯示乙波形 乙按鈕按下 丙按鈕按下 顯示甲波形 顯示丙波形 17 圖 313日用電仿真信號程序框圖 圖 314日用電仿真信號前面板 18 與日用電信息相對應(yīng)，詳細(xì)界面中通過月用電信息反應(yīng)用戶每一個月的用電情況，通過表格動態(tài)地顯示一年 12 個月中用戶的用電量及總電量。 該仿真信號是由兩個 for 循環(huán)嵌套，在一個月的基礎(chǔ)上累加生成 12個月的用電信息，如下圖所示。其中還采用了條件 結(jié)構(gòu)，如圖 315 所示。 條件結(jié)構(gòu)包含多個子程序框圖，根據(jù)傳遞給該結(jié)構(gòu)的輸入值執(zhí)行相應(yīng)的子程序框圖。條件結(jié)構(gòu)每次只能顯示一個子程序框圖，并且每次只執(zhí)行一個條件分支。條件結(jié)構(gòu)框由條件選擇器標(biāo)簽、選擇器接 線端 和分支子程序框組成。在條件結(jié)構(gòu)中，處理顯示控件有兩種完全不同的方式，這兩種方式雖然表明上看差別不大，在具體編程中都可能使用過，但是對于大型數(shù)據(jù)處理，比如大的數(shù)組，運(yùn)行效率差別極大， 可能不經(jīng)意間造成程序運(yùn)行緩慢，且不易查錯。 圖 315月用電仿真信號程序框圖 1 表格顯示功能 數(shù)字表格 包含可 在數(shù)字波形圖上繪制 的數(shù)據(jù)?？墒謩觿?chuàng)建一張數(shù)字表格，或 將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) ，或 采 集數(shù)字信號 從而創(chuàng)建一張數(shù)字表格。本程序的表格為 12行 2 列，同時顯示首列和首行，內(nèi)容包括一年內(nèi) 12 個月的累計電總量和各個月的用電量。由表格可以量化清晰地表達(dá)每月的用電量。圖 316 是創(chuàng)建表格的程序框圖： 19 圖 316 創(chuàng)建表格的程序框圖 2 計算總值與平均值 該程序采用了創(chuàng)建數(shù)組（ Build Array）函數(shù)：創(chuàng)用于根據(jù)標(biāo)量值或者其他的數(shù)組創(chuàng)建一個數(shù)組，然后利用數(shù)組求和功能計算出用電總量。數(shù)組是同類型元素的集合。一個數(shù)組可以是一維或者多維，如果必要，每維最多可有 2 的 31 次方－ 1 個元素?？梢酝ㄟ^數(shù)組索引訪問其中 的每個元素。索引的范圍是 0 到 n1，其中 n 是數(shù)組中元素的個數(shù)。數(shù)組的元素可以是數(shù)