【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 臺(tái)的核心。虛擬儀器使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)中，微處理器和總線成為最重要的因素。它主要用來提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理和顯示功能。而外圍硬件設(shè)備則主要包括各種計(jì)算機(jī)內(nèi)置儀器插卡和外置測(cè)試儀器設(shè)備。通過友好的圖形界面操作，自己定義、自己設(shè)計(jì)，從而完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析和顯示等功能。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB 儀器控制系統(tǒng)、VXI 儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)/模轉(zhuǎn)換和信號(hào)輸出控制等?？筛鶕?jù)不同的總線情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串口儀器等，虛擬儀器構(gòu)成方式有五種類型， 無論上述哪種VI系統(tǒng)，都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合。其中，PCDAQ測(cè)量系統(tǒng)是構(gòu)成VI的最基本的方式，也是最廉價(jià)的方式。 虛擬儀器軟件系統(tǒng)虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成，即應(yīng)用程序和I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。(1) 應(yīng)用程序：① 實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板的軟件程序；② 定義儀器測(cè)試功能的流程圖軟件程序。(2) I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序：這類程序用來完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)與通信。輸入/輸出(I/O)接口軟件存在于儀器(即I/O接口設(shè)備)與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，是一個(gè)完成對(duì)儀器內(nèi)部寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，對(duì)VXI背板總線與器件作測(cè)試和控制，并為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件層，是實(shí)現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。儀器驅(qū)動(dòng)程序是連接上層應(yīng)用軟件與底層輸入/輸出(I/O)軟件的紐帶和橋梁。這些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計(jì)虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了更多方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。本文采用的是NI公司的圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW 。 虛擬儀器的功能及特點(diǎn) 虛擬儀器的功能虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示。目前虛擬儀器廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、電力工程、礦質(zhì)勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。虛擬儀器的基本功能有以下三點(diǎn)：(1) 信號(hào)調(diào)理與采集功能此項(xiàng)功能主要是由虛擬儀器的硬件平臺(tái)完成的。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路，或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如GPIB,VXI,PXI,STD,PCI總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。(2) 數(shù)據(jù)分析與處理功能虛擬儀器充分利用了計(jì)算機(jī)的高速存儲(chǔ)功能、運(yùn)算功能，并通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的分析處理，如數(shù)字濾波、統(tǒng)計(jì)處理、數(shù)值計(jì)算、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)壓縮、模式識(shí)別等數(shù)字信號(hào)處理。(3) 參數(shù)設(shè)置和結(jié)果表達(dá)功能虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)的人機(jī)對(duì)話功能，完成儀器的各種工作參數(shù)的設(shè)置，如功能、頻段、量程等參數(shù)的設(shè)置，對(duì)測(cè)量結(jié)果的表達(dá)與輸出有多種方式，如屏幕顯示，電、磁、光存儲(chǔ)，繪圖打印，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?虛擬儀器的特點(diǎn)虛擬儀器技術(shù)就是基于PC技術(shù)的、用戶自定義的測(cè)試和測(cè)量解決方案，其四大優(yōu)勢(shì)在于：性能強(qiáng)性價(jià)比高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間短，以及出色的集成功能。(1) 性能強(qiáng)性價(jià)比高以軟件為主的測(cè)量系統(tǒng)，充分利用了常用臺(tái)式計(jì)算機(jī)及工作平臺(tái)的計(jì)算、顯示和互聯(lián)網(wǎng)等的強(qiáng)大功能。由于傳送的信號(hào)大多是數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)的處理幾乎是軟件實(shí)現(xiàn)的，從而大大降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響。(2) 擴(kuò)展性強(qiáng)虛擬儀器的硬、軟件具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。為提高測(cè)試系統(tǒng)的性能，可以方便地加入一個(gè)通用儀器模塊或更換一個(gè)儀器模塊，而不必購買一個(gè)全新的系統(tǒng)，大大有利于測(cè)試系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。(3) 開發(fā)時(shí)間短在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)已經(jīng)將其高效的軟件構(gòu)架與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起，給用戶提供最方便的、最靈活的操作以及強(qiáng)大的功能，讓用戶輕松地配置、創(chuàng)建、部署和維護(hù)高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。(4) 出色的集成隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來滿足完整的測(cè)試需求，虛擬儀器軟件平臺(tái)為大部分I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。 虛擬儀器的應(yīng)用前景近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些儀器公司提供的開發(fā)平臺(tái)組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)。最早和最具影響的開發(fā)軟件，是NI公司的LabVIEW軟件和LabWindows/CVI， LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開發(fā)環(huán)境。虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。虛擬儀器的突出成就不僅是可以利用PC機(jī)組建靈活的虛擬儀器，取代測(cè)量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自測(cè)試系統(tǒng)。它可以與不同的接口總線的溝通，將虛擬儀器、帶接口總線的各種電子儀器或各種插件單元，調(diào)配并組建成為中小型甚至大型的自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟(jì)性，因而虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3 LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái) 概述LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是美國NI公司推出的一種基于G語言（Graphics Language,圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。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和開發(fā)工具庫。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“VI”。在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上利用功能庫和開發(fā)工具庫而產(chǎn)生一個(gè)前面板；在后臺(tái)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(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言的子程序。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)流控制程序的執(zhí)行次序，而不像文本程序受到行順序執(zhí)行的約束。用LabVIEW編制方框圖程序時(shí)，不必受常規(guī)程序設(shè)計(jì)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?；然后用?dǎo)線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(jiǎn)單的算術(shù)功能，高級(jí)的采集和分析VI以及用來存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的文件輸入輸出功能和網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW的核心是VI。VI有一個(gè)人機(jī)對(duì)話的用戶界面——前面板和類似于源代碼功能的方框圖。前面板用于接受來自方框圖的指令。在VI的前面板中，控件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，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。 LabVIEW軟件的特點(diǎn)歸納起來LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者不用寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師語言。(2) 提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫函數(shù)。(3) 采用數(shù)據(jù)流編程模式，是能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序的多任務(wù)系統(tǒng)。(4) 既提供了傳統(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)行和探針工具，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。(5) 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。(6) 囊括了DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的用戶也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。(7) 提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如DLLs(動(dòng)態(tài)連接庫)、DDE(共享庫)、ActiveX、MATLAB等。(8) 強(qiáng)大的Internet功能，內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP，DDE，ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開發(fā)。 圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形化的編程語言必將成為測(cè)試和控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的發(fā)展趨勢(shì)。 LabVIEW應(yīng)用程序的構(gòu)成所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI )，都包括前面板、流程圖以及圖標(biāo)/連結(jié)器三部分。 前面板介紹。窗口中包含主選菜單欄和快捷工具欄。用戶制作虛擬儀器前面板是用工具選板中相應(yīng)的工具去選取控件選板上的相關(guān)控件，并拖入到窗口中的適當(dāng)位置。 前面板的開發(fā)窗口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(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控件和顯示對(duì)象。 流程圖介紹流程圖是圖形化程序的源代碼，是VI測(cè)試功能軟