【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擬儀器把儀器硬件集成到一個(gè)采集盒內(nèi)，完成各種測(cè)量測(cè)試儀 器的功能。它可以組成數(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(wàn)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。如美國(guó)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(jī)廣泛采用的一種總線，它已被集成到計(jì)算機(jī)主板。USB總線能連接127個(gè)裝置，需要一對(duì)信號(hào)線及電源線。USB2．0標(biāo)準(zhǔn)的數(shù) 據(jù)傳輸率能達(dá)至lJ480Mbps。該總線具有輕巧簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、連接方便快捷的 特點(diǎn)，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、掃描儀、打印機(jī)及存儲(chǔ)設(shè)備。基于 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(guó)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(jì)算機(jī)的接口，而且可廣泛用作PC機(jī)與外設(shè)的接口。GPIB總線即IEEE叫48總線在測(cè)量?jī)x器的自動(dòng)化過程中起了重要的作用，其前身是HP—IB總線，后來(lái)，IEC對(duì)它給予承認(rèn)，又；I{：j：IEC～I(xiàn)B總線。GPIB提供了lO種接口功能，數(shù)據(jù)的最高速率可達(dá)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(tái)。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(kuò)展， 它不僅繼承了GPIB、VME總線的優(yōu)點(diǎn)，集測(cè)量、計(jì)算、通信于一體，還具有高 速、模塊化的優(yōu)點(diǎn)。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(cè)試系統(tǒng)必須編制虛擬的軟前面板以完成對(duì)儀器系統(tǒng)的操作控 制，實(shí)現(xiàn)測(cè)試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等功能，從而設(shè)計(jì)出各種操作方便的 基于圖形用戶界面(GUI)的集成測(cè)試系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方 便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)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(shí)鐘，用于精確定時(shí)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(kuò)展性，可擴(kuò)展．至U256個(gè)擴(kuò)展槽。把臺(tái)式PC的性能價(jià)格 比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將形成未來(lái)主流的虛擬儀器 平臺(tái)之一【1 51。(8)現(xiàn)場(chǎng)總線虛擬儀器以Fieldbus標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系 統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，在智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)之間提供了 一個(gè)全數(shù)字化的、雙向的、多節(jié)點(diǎn)的通信鏈接，常用于構(gòu)建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)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(cè)試設(shè)備連接到PC上，如帶有GPIB或RS232接口的測(cè)量?jī)x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(hào)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(jiǎn)介 虛擬儀器技術(shù)的核心思想，就是利用計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源，使本來(lái)需要硬件實(shí)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(qiáng)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(dòng) 程序、VISA、軟面板、部件庫(kù)等一系列軟件標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了虛擬儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)化 的進(jìn)程。2．1．3虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)在于：．1將信號(hào)的分析、顯示、存儲(chǔ)、打印和其它管理集中交由計(jì)算機(jī)來(lái)處理。由于充分利用計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單。2強(qiáng)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(jī)實(shí)現(xiàn) 的角色。由于減少了許多隨時(shí)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(cè)量精度、測(cè)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(kù)，處理模塊間通訊、定時(shí)、觸發(fā)等功能，強(qiáng)調(diào)在通用計(jì)算 機(jī)平臺(tái)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(jì)算機(jī)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(wú)法改變的模式，給了用戶一個(gè)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(jì)、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(shí)間縮短，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，軟／硬件生產(chǎn)、 維護(hù)和開發(fā)的費(fèi)用降低。虛擬儀器既可以作為單臺(tái)數(shù)字式測(cè)試儀器使用，又可 以構(gòu)成較為復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，甚至通過高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式測(cè)試系統(tǒng)， 進(jìn)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(gòu)買、維護(hù)費(fèi)用。傳統(tǒng)儀器的功能是由廠家定義、用戶無(wú)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(jì)自己的儀器，利用通用的儀器硬件平臺(tái)，調(diào)用不 同的測(cè)試軟件就可構(gòu)成不同功能的儀器。表2．1對(duì)虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的特點(diǎn) 作了一個(gè)簡(jiǎn)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(tái)介紹LabVIEW是一個(gè)開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，它為設(shè)計(jì)者提供了 一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，利用它設(shè)計(jì)者可以象搭積木一樣，輕松組建一個(gè) 測(cè)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(wú)需進(jìn)行任何繁瑣 的計(jì)算機(jī)程序代碼的編寫，從而可以大大簡(jiǎn)化程序的設(shè)計(jì)。LabVIEW與 VisualC++、Visual Basic、LabWindows／CVI等編程語(yǔ)言不同，后者采用的是基 于文本語(yǔ)言的程序代碼，而LabVIEW則是使用圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言G，用方 框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。LabVIEW所運(yùn)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(jì)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(shí)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(jì)數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的功能庫(kù)和 開發(fā)工具庫(kù)。LabVIEW的程序設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)的“虛擬儀器”，即 “VIs’’。在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上利用功能庫(kù)和開發(fā)工具庫(kù)產(chǎn)生一個(gè)前面板(front panel)；在后臺(tái)則利用圖形化編程語(yǔ)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(lái)說(shuō)，每一個(gè) Ⅵ都可以作為其它VI的調(diào)用對(duì)象，其功能類似于文本語(yǔ)言的子程序。LabVIEW是帶有可擴(kuò)展功能庫(kù)和子程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)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(chǔ)的應(yīng)用程序模塊。LabVIEW可調(diào)用Windows動(dòng)態(tài)連接庫(kù)和用戶自定義 的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)中的函數(shù)。LabVIEW的CIN節(jié)點(diǎn)使用戶可以使用由其它語(yǔ)言， 如ANSIC，編譯的程序模塊，使LabVIEW成為一個(gè)開放的開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW 還直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)、結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)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(diǎn)，動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序來(lái)觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，以及進(jìn)行方便的調(diào)試[201。LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制就宏觀上講已經(jīng)不再是傳統(tǒng)上的馮．諾依曼計(jì)算機(jī)體 系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言(如C)中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在LabVIEW 中被并行機(jī)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(diǎn)只有在獲得它的全部數(shù)據(jù)后才能執(zhí)行。也就是 說(shuō)，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(dòng)的，它不受操作系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)等因素的影響。LabVIEW程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)規(guī)定，一個(gè)目標(biāo)只有當(dāng)它 的所有輸入有效時(shí)才能執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出，只有當(dāng)它的功能完全時(shí)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(jiǎn)潔地開發(fā)應(yīng)用程序，甚至還可以有多個(gè)數(shù)據(jù)通道同步運(yùn)行。LabVIEW的核心是VI。VI有一個(gè)人機(jī)對(duì)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(lái)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(gè)控件或指示器放置到前面板上時(shí)，LabVIEW在 方框圖中相應(yīng)地放置了一個(gè)端口(terminals)，這個(gè)從屬于控件或指示器的端口 不能隨意刪除，只有刪除它對(duì)應(yīng)的控件或指示器時(shí)它才隨之一起被刪除。用LabVIEW編制方框圖程序時(shí)，不必受常規(guī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)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(lái)在功能方框之間傳輸 數(shù)據(jù)。這些方框包括了簡(jiǎn)單的算術(shù)功能，高級(jí)的采集和分析VI以及用來(lái)存儲(chǔ) 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(gè)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(gè)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(jì)的概念。用戶可以把一個(gè)應(yīng)用題 目分解為一系列的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)還可以進(jìn)一步分解成許多更低一級(jí)的子 任務(wù)，直到把一個(gè)復(fù)雜的題目分解為許多子任務(wù)的組合[211。首先設(shè)計(jì)subVI完成每個(gè)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(lái)LabvIEW軟件開發(fā)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：●圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程 師的語(yǔ)言。●提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)?！窦忍峁┝藗鹘y(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供有獨(dú) 到的高亮執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使 程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。●32bit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(cè)試和 測(cè)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