【文章內(nèi)容簡介】 擬儀器把儀器硬件集成到一個采集盒內(nèi)，完成各種測量測試儀 器的功能。它可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形 發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。如美國LINK公司的DS州X)(X系列虛擬儀器。(4)USB虛擬儀器 USB通用串行總線是被PC機廣泛采用的一種總線，它已被集成到計算機主板。USB總線能連接127個裝置，需要一對信號線及電源線。USB2．0標(biāo)準(zhǔn)的數(shù) 據(jù)傳輸率能達至lJ480Mbps。該總線具有輕巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的 特點，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字?jǐn)z像機、掃描儀、打印機及存儲設(shè)備?；?USB總線，NI公司推出了USB6008和USB6009等幾款數(shù)據(jù)采集卡系列的虛 擬儀器【l川。 ‘(5)GPIB虛擬儀器GPIB(General Purpose Interface Bus)是一種國際通用的可編程儀器接口 標(biāo)準(zhǔn)，可用于可編程儀器裝置之間的互連，儀器與計算機的接口，而且可廣泛用作PC機與外設(shè)的接口。GPIB總線即IEEE叫48總線在測量儀器的自動化過程中起了重要的作用，其前身是HP—IB總線，后來，IEC對它給予承認(rèn)，又；I{：j：IEC～IB總線。GPIB提供了lO種接口功能，數(shù)據(jù)的最高速率可達1MByte以上，傳 輸距離通常不超過10m，連接設(shè)備最多不超過15臺。采用3線通信聯(lián)絡(luò)(DAV、 NRFD、NDAC)的形式，保證信息準(zhǔn)確可靠的傳遞【12】。lO西華大學(xué)碩J：學(xué)伉論文(6)VXI虛擬儀器VXI(VMEbus extension for Instrumention)是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴展， 它不僅繼承了GPIB、VME總線的優(yōu)點，集測量、計算、通信于一體，還具有高 速、模塊化的優(yōu)點。與GPIB儀器相比，VXI模塊沒有前操作面板。因此，應(yīng)用 VXI總線組建測試系統(tǒng)必須編制虛擬的軟前面板以完成對儀器系統(tǒng)的操作控 制，實現(xiàn)測試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等功能，從而設(shè)計出各種操作方便的 基于圖形用戶界面(GUI)的集成測試系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方 便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合【】4】。 (7)PXI虛擬儀器PXI(PCI extension for Instrumention)是PCI在儀器領(lǐng)域的發(fā)展，是NI公司 于發(fā)布的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范。PXI總線方式是在PCI總線 內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的 參考時鐘，用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局 部總線。PXI具有高度可擴展性，可擴展．至U256個擴展槽。把臺式PC的性能價格 比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來主流的虛擬儀器 平臺之一【1 51。(8)現(xiàn)場總線虛擬儀器以Fieldbus標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系 統(tǒng)。現(xiàn)場總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，在智能現(xiàn)場設(shè)備、自動化系統(tǒng)之間提供了 一個全數(shù)字化的、雙向的、多節(jié)點的通信鏈接，常用于構(gòu)建測控網(wǎng)絡(luò)。在實際應(yīng)用中虛擬儀器常用兩種構(gòu)成方式。一種是把帶有某種接口的各種 測試設(shè)備連接到PC上，如帶有GPIB或RS232接口的測量儀表。但是，帶 RS—232接口的儀表可直接連接到PC上，帶GPIB口的儀表還需通過PC中內(nèi) 置的GPIB接口卡才能和PC相連。另一種是直接把傳感器的輸出信號經(jīng)放大調(diào) 理后送到PC內(nèi)置的專用數(shù)據(jù)采集卡，然后由軟件完成數(shù)據(jù)處理。2軟件簡介 虛擬儀器技術(shù)的核心思想，就是利用計算機的軟、硬件資源，使本來需要硬件實現(xiàn)的技術(shù)軟件化(虛擬化)，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng) 的功能與靈活性。基于軟件在VI系統(tǒng)中的重要作用，NI提出了“軟件就是儀西華大學(xué)碩上學(xué)位論文器(The Software is the Instrument)’’的口掣161，并逐步提出了系統(tǒng)框架、驅(qū)動 程序、VISA、軟面板、部件庫等一系列軟件標(biāo)準(zhǔn)，推動了虛擬儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)化 的進程。2．1．3虛擬儀器的優(yōu)點 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)點在于：．1將信號的分析、顯示、存儲、打印和其它管理集中交由計算機來處理。由于充分利用計算機技術(shù)，完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能，使得組建系統(tǒng)變 得更加靈活、簡單。2強調(diào)“軟件就是儀器，軟件在儀器中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機實現(xiàn) 的角色。由于減少了許多隨時間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件， 加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使系統(tǒng)的測量精度、測量速度和可重復(fù)性都大大提高。3儀器由用戶自己定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過軟件修改、增減， 可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用連接。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀 器的可重用源代碼庫，處理模塊間通訊、定時、觸發(fā)等功能，強調(diào)在通用計算 機平臺的基礎(chǔ)上，通過軟件和軟面板，把由廠家定義的傳統(tǒng)儀器轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩?自己定義、由計算機軟件和幾種模塊組成的專用儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底 打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，給了用戶一個充分發(fā)揮自 己能力和想象力的空間。4用戶可以將儀器的設(shè)計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可 重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時間縮短，功能易于擴展，管理規(guī)范，軟／硬件生產(chǎn)、 維護和開發(fā)的費用降低。虛擬儀器既可以作為單臺數(shù)字式測試儀器使用，又可 以構(gòu)成較為復(fù)雜的測試系統(tǒng)，甚至通過高速計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式測試系統(tǒng)， 進行遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷。此外，利用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)代替 基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)省儀器購買、維護費用。傳統(tǒng)儀器的功能是由廠家定義、用戶無法改變的；而在虛擬儀器中用戶可 以靈活地根據(jù)自己的需要設(shè)計自己的儀器，利用通用的儀器硬件平臺，調(diào)用不 同的測試軟件就可構(gòu)成不同功能的儀器。表2．1對虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的特點 作了一個簡單的比較【17】【1 81。西華大學(xué)碩1二學(xué)位論文表2．1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器Thble 2．1 Virtual Instrument and tranditional instrumentTranditional Instrument Virtual InstrumentFunction defined byFunction defmed by userinstrument merchantConnected with other instrumentation Connected with peripheral equipment andequipment limited many kinds of instruments convenientlyGraphical interface and informationInterface is graphical，the putercontent iS small，data iS readdirectly read the data and processby manpowerThe data are unable to edit The dam can be edited，stored,printedThe hardware is a key part The software is a key partCheap．It is only 1／5 to 1／10 ofExpensivethe traditionalinstrumentThe module of function based onThe system is closed，the function isputer technology Can formfixed，the expansibility is badmany kinds of instrumentsTechnology innovation is slow Technology innovation is quickDevelop and safeguard cost The structure based On software system Canis expemsive save the development cost greatly2．2 LabVIEW開發(fā)平臺介紹LabVIEW是一個開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，它為設(shè)計者提供了 一個便捷、輕松的設(shè)計環(huán)境，利用它設(shè)計者可以象搭積木一樣，輕松組建一個 測量系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并任意構(gòu)造自己的儀器面板，而無需進行任何繁瑣 的計算機程序代碼的編寫，從而可以大大簡化程序的設(shè)計。LabVIEW與 VisualC++、Visual Basic、LabWindows／CVI等編程語言不同，后者采用的是基 于文本語言的程序代碼，而LabVIEW則是使用圖形化程序設(shè)計語言G，用方 框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。LabVIEW所運用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們西華大學(xué)碩十學(xué)位論文習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似。用 LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器可以脫離LabVIEW開發(fā)環(huán)境，最終用戶看見的是和 實際的硬件儀器相似的操作面板【1 91。LabVIEW包含有專門用于設(shè)計數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的功能庫和 開發(fā)工具庫。LabVIEW的程序設(shè)計實質(zhì)上就是設(shè)計一個個的“虛擬儀器”，即 “VIs’’。在計算機顯示屏幕上利用功能庫和開發(fā)工具庫產(chǎn)生一個前面板(front panel)；在后臺則利用圖形化編程語言編制用于控制前面板的程序。程序的前 面板具有與傳統(tǒng)儀器類似的界面，可接受用戶的鼠標(biāo)指令。一般來說，每一個 Ⅵ都可以作為其它VI的調(diào)用對象，其功能類似于文本語言的子程序。LabVIEW是帶有可擴展功能庫和子程序庫的通用程序設(shè)計系統(tǒng)。它提供了 用于GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示 和存儲的應(yīng)用程序模塊。LabVIEW可調(diào)用Windows動態(tài)連接庫和用戶自定義 的動態(tài)連接庫中的函數(shù)。LabVIEW的CIN節(jié)點使用戶可以使用由其它語言， 如ANSIC，編譯的程序模塊，使LabVIEW成為一個開放的開發(fā)平臺。LabVIEW 還直接支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)、結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)、TCP和UDP網(wǎng) 絡(luò)協(xié)議等。此外，LabVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能 夠設(shè)置斷點，動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，以及進行方便的調(diào)試[201。LabVIEW的運行機制就宏觀上講已經(jīng)不再是傳統(tǒng)上的馮．諾依曼計算機體 系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式。傳統(tǒng)的計算機語言(如C)中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在LabVIEW 中被并行機制所代替：從本質(zhì)上講，它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模 式，這種方式確保程序中的節(jié)點只有在獲得它的全部數(shù)據(jù)后才能執(zhí)行。也就是 說，在這種數(shù)據(jù)流程序的概念中，程序的執(zhí)行是數(shù)據(jù)驅(qū)動的，它不受操作系統(tǒng)、 計算機等因素的影響。LabVIEW程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動的。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計規(guī)定，一個目標(biāo)只有當(dāng)它 的所有輸入有效時才能執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出，只有當(dāng)它的功能完全時才是有效 的。這樣，LabVIEW中被連接的方框圖之間的數(shù)據(jù)流控制著程序的執(zhí)行次序， 而不象文本程序受到行順序執(zhí)行的約束【ll】。從而，我們可以通過相互連接功能 方框圖快速簡潔地開發(fā)應(yīng)用程序，甚至還可以有多個數(shù)據(jù)通道同步運行。LabVIEW的核心是VI。VI有一個人機對話的用戶界面一前面板(front14兩華大學(xué)碩十學(xué)何論文panel)和類似于源代碼功能的方框圖(diagram)。前面板接受來自方框圖的指 令。在VI的前面板中，控件(controls)模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供 給VI的方框圖；而指示器(indicators)則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由方框 圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當(dāng)把一個控件或指示器放置到前面板上時，LabVIEW在 方框圖中相應(yīng)地放置了一個端口(terminals)，這個從屬于控件或指示器的端口 不能隨意刪除，只有刪除它對應(yīng)的控件或指示器時它才隨之一起被刪除。用LabVIEW編制方框圖程序時，不必受常規(guī)程序設(shè)計語法細(xì)節(jié)的限制。 首先，從功能菜單中選擇需要的功能方框，將之置于面板上適當(dāng)?shù)奈恢?；然?用導(dǎo)線(wires)連接各功能方框在方框圖中的端口，用來在功能方框之間傳輸 數(shù)據(jù)。這些方框包括了簡單的算術(shù)功能，高級的采集和分析VI以及用來存儲 和檢索數(shù)據(jù)的文件輸入輸出功能和網(wǎng)絡(luò)功能。用LabVIEW編制出的圖形化VI是分層次和模塊化的。我們可以將之用于 頂層(top level)程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一個VI用在其 它VI中，稱之為subVI，subVI在調(diào)用它的程序中同樣是以一個圖標(biāo)的形式出 現(xiàn)的。LabVIEW依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計的概念。用戶可以把一個應(yīng)用題 目分解為一系列的子任務(wù)，每個子任務(wù)還可以進一步分解成許多更低一級的子 任務(wù)，直到把一個復(fù)雜的題目分解為許多子任務(wù)的組合[211。首先設(shè)計subVI完成每個子任務(wù)，然后將之逐步組合成能夠解決最終問題的VI。 歸納起來LabvIEW軟件開發(fā)平臺具有以下優(yōu)點：●圖形化的編程方式，設(shè)計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程 師的語言。●提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)?！窦忍峁┝藗鹘y(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點、單步運行，同時提供有獨 到的高亮執(zhí)行工具，使程序動畫式運行，利于設(shè)計者觀察程序運行的細(xì)節(jié)，使 程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷?！?2bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測試和 測量方案的高速執(zhí)行?！衲依薉AQ、GPIB、PXI、VXI、RS．232／485在內(nèi)的各種儀器通信總 線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線