【文章內(nèi)容簡介】 序中去。典型的重用部分包括函數(shù)庫、過程程序包、宏、類、庫等，它們通過各自的接口被組裝在一起，每一部分完成特定的功能[6]。在虛擬儀器圖形軟件開發(fā)平臺研究方面，近年來國際上許多公司都做了大量的工作，其中NI公司的LabVIEW和惠普公司的VEE虛擬儀器軟件開發(fā)平臺最具代表性。下面簡單的介紹一些常用的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺各自的特點：(1)Microsoft Visual C++，Borland C++Builder,Borland Delphi易學、使用簡單，面向?qū)ο罂梢暬幊誊浖?；它的圖形控件工具能生成復(fù)雜的多窗口用戶界面不必編寫復(fù)雜的代碼；可創(chuàng)建自己ActiveX控件或組件，以及多線程和安全的ActiveX控件。(2)Data Translation,HP VEE with DT VP,DTxEZTM用于Windows操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和產(chǎn)品開發(fā)的可視化編程語言；靈活，便于應(yīng)用編程，以及和用戶程序接口；ActiveX控件系列，VB和VC++下，可以設(shè)計和配置Data Translation數(shù)據(jù)采集板；可以和其他ActiveX控件組合創(chuàng)建應(yīng)用程序。(3)HewlettPacked HP VEE不必編寫代碼就可以進行數(shù)據(jù)采集與分析；提供數(shù)據(jù)、處理控制、提供測量過程和測試報告。(4)National Instruments,LabVIEW,LabWindows/CVI具有用于數(shù)據(jù)采集、儀器、網(wǎng)絡(luò)和分析的完全集成化的庫的圖形化環(huán)境；可編譯性能強；自動化的測試對接軟件；SQL數(shù)據(jù)庫連接性SPC分析工具。用于儀器控制和數(shù)據(jù)采集分析的交互式編譯軟件包；用于GUI的拖拉用戶界面編程器；用于快速樣機開發(fā)的代碼產(chǎn)生工具和內(nèi)部編譯器；用于GPIB,VXI、串行、DAQ, TCP和用戶控制界面的集成庫；可用于Win2000/XP、Sun Solaris 。 基于虛擬儀器構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)的優(yōu)點根據(jù)以上對于虛擬儀器主要功能特點的介紹，不難看出基于虛擬儀器構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)具備以下突出優(yōu)點[20]：(1)采用虛擬儀器，計算機與硬件測試設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸非常方便、直接、快速。在傳統(tǒng)的測試儀器設(shè)備中，測試人員以手工的方式現(xiàn)場記錄測試數(shù)據(jù)，在測試數(shù)據(jù)量比較大的情況下，這種數(shù)據(jù)記錄方式不能很好的按時完成記錄任務(wù)，測試過程也就變的復(fù)雜、緩慢，而且很容易引起測試誤差。對于有些常用的測試儀器，對于被測對象只能進行定性分析，如果需要精確的物理數(shù)據(jù)，就需要有額外的輔助措施。在應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的測試設(shè)備中，充分利用計算機的存儲能力，讓測試數(shù)據(jù)經(jīng)由計算機總線，傳輸至計算機內(nèi)存或硬盤，數(shù)據(jù)傳輸率可以滿足測試的實時性要求，也加快了測試過程，這樣就很好解決了數(shù)據(jù)的傳輸、保存問題[7]。 (2)在某些情況下，需要根據(jù)工程的實際需要實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進行各種分析與處理，如進行PID控制、模糊邏輯控制、FFT、DFT運算、數(shù)字信號處理，數(shù)學分析和數(shù)據(jù)庫聯(lián)接、統(tǒng)計分析參數(shù)調(diào)整、單位轉(zhuǎn)換等工作，這在傳統(tǒng)儀器中很難做到。在虛擬儀器中，開發(fā)人員可以使用現(xiàn)有的分析軟件包或通過自行編制相應(yīng)軟件來滿足這一功能要求。(3)為了使測試過程直觀、明了，有時需要多種方式顯示測試數(shù)據(jù)、控制過程和分析結(jié)果，虛擬儀器中，就可以利用計算機的圖形用戶界面實現(xiàn)這一目標。 本章小結(jié)綜上所述，虛擬儀器技術(shù)有著許多傳統(tǒng)儀器所難以實現(xiàn)的優(yōu)勢，由虛擬儀器構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)在實際應(yīng)用中將會有著巨大的前景。本文將實現(xiàn)的遠程信號源自動校準系統(tǒng)，是在現(xiàn)有硬件平臺的基礎(chǔ)上實現(xiàn)校準的自動化，系統(tǒng)原有儀器都是具有GPIB接口的智能儀器，因而從成本和效率綜合考慮使用GPIB的儀器控制方案組建GPIB并行總線系統(tǒng)是一種切合實際的硬件構(gòu)成方案。而限于時間和工作量的關(guān)系，選用一門使用簡單方便，效率高的虛擬儀器實現(xiàn)軟件，是一個比較明智的選擇。而完全的圖形化編程環(huán)境LabVIEW自然是最理想的選擇。對于LabVIEW的特點和相關(guān)的編程技術(shù)，將在下一章中做詳細的介紹[8]。第3章 LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境 LabVIEW簡介LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實驗室虛擬儀器集成開發(fā)平臺的簡稱，它是目前國際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，它是主要用于開發(fā)數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等領(lǐng)域的專用軟件開發(fā)平臺[9]。LabVIEW的最大特色是采用編譯型圖形化編程語言――G語言(GraphProgramming)，它與C,Pascal,Basic等傳統(tǒng)語言有著相似之處，如：相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程，程序的執(zhí)行依賴于文本所描述的指令。而LabVIEW使用圖形語言(即，各種圖標、圖形符號、連線等)以框圖的形式編寫程序。用LabVIEW編程無需具備太多編程經(jīng)驗，因為LabVIEW使用的都是測試工程師們熟悉的術(shù)語和圖標，如各種按鈕、開關(guān)、波形圖等，界面非常直觀形象，因此，LabVIEW對于沒有豐富編程經(jīng)驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。LabVIEW語言具有豐富的擴展函數(shù)庫，集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種表頭、旋鈕、開關(guān)、LED指示燈、圖表等，界面直觀、形象，相對于傳統(tǒng)的編程方式而言，它簡單易學而且執(zhí)行效率高。與傳統(tǒng)的編程方式相比，使用LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器，可以提高效率410倍[10]。LabVIEW的圖形環(huán)境內(nèi)置豐富的函數(shù)庫，提供了多種網(wǎng)絡(luò)的接口，支持先進的流動數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M技術(shù)，使系統(tǒng)的開發(fā)更加方便，其中基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)交換編程技術(shù)――數(shù)據(jù)套接字(DataSocket)技術(shù)便是一特色。這種技術(shù)是一種開放的技術(shù)，與人們已習慣采用的TCP/IP編程接口、DDE等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)共享技術(shù)比較，使用起來更方便，開發(fā)效率更高，而且不需要大量的編程工作量。數(shù)據(jù)套接提供統(tǒng)一的API編程接口，從數(shù)據(jù)共享的角度，它是對WinSock的高級封裝，允許用戶與各種服務(wù)器進行交互并在應(yīng)用之間交換信息，比如LabVIEW以及一些不同的數(shù)據(jù)源或目標，源和目標包括其他的應(yīng)用、文件、OPC (OLE For Process Control)服務(wù)器、Web服務(wù)器以及FTP服務(wù)器。使用DataSocket類和統(tǒng)一資源定位器(Uniform Resource Locator，簡稱URL)，就可建立數(shù)據(jù)套接的源與目標的連接，用戶可以像使用LabVIEW中的其他數(shù)據(jù)類型一樣用DataSocket讀寫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時共享[11]。 LabVIEW的優(yōu)點LabVIEW從被推出到現(xiàn)在，20年的實踐證明LabVIEW確實是一個使用方便卻又功能非常強大的開發(fā)平臺，LabVIEW具有以下優(yōu)點：(1)使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機界面，提供了大量儀器面板中的控制對象簡單的方案即使沒有多少編程經(jīng)驗，仍可以很方便的使用LabVIEW。(2)先進的ActiveX技術(shù)融合了簡單的拖放編程方法，儀器控制和數(shù)據(jù)采集變得非常簡單，使用戶非常容易地開發(fā)自己的系統(tǒng)，并將其立即投入使用。(3)LabVIEW完整地集成了與GPIB,VXI,RS232,RS485和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通訊，而且，LabVIEW使得它們的驅(qū)動程序具有模塊化，可以重復(fù)使用，最大限度地減少軟件開發(fā)的工作量。(3)LabVIEW擁有豐富的分析模塊，可以滿足用戶從統(tǒng)計過程控制到數(shù)字信號處理(DSP)等方面的要求[12]。(4)LabVIEW也擁有大量NI公司或第三方公司提供的、非常實用的支持軟件，如，Application Builder(用于產(chǎn)生可執(zhí)行文件)、SQLToolkit(用于將LabVIEW程序與本地或遠程數(shù)據(jù)庫相連)等，這些特性為LabVIEW環(huán)境下應(yīng)用程序的開發(fā)提供了方便(5)LabVIEW提供了先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如，TCP/IP函數(shù)庫、數(shù)據(jù)套接字技術(shù)，可以很容易地實現(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，并且提高了系統(tǒng)的開放性、穩(wěn)定性、可靠性。(6)使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建32位的編譯速度，從而為常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測試等任務(wù)提供了更快的執(zhí)行速度。 (7)LabVIEW有真正的編譯器，用戶可以創(chuàng)建獨立的可執(zhí)行程序，能夠脫離開發(fā)環(huán)境而單獨運行。另外，相對來說，LabVIEW的功能可擴展性較好，應(yīng)用起來比較靈活，操作起來比較容易。所以基于以上各原因，LabVIEW更容易為人們作為虛擬儀器開發(fā)平臺所接受[13]。LabVIEW能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計算機技術(shù)，使儀器的測試和測量及自動化工業(yè)的系統(tǒng)測試和監(jiān)控變得異常方便和快捷[14]。 LabVIEW中的編程方式一個完整的LabVIEW開發(fā)環(huán)境包括基本模塊和擴展模塊兩部分，引擎部分是整個圖形化開發(fā)環(huán)境的核心，它包括編輯模塊、運行模塊和調(diào)試模塊。LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的程序稱為虛擬儀器VI，因為它的外形與操作方式可以模擬實際的儀器。實際上，VI類似于傳統(tǒng)編程語言的函數(shù)或子程序。程序VI由一個前面板(即用戶界面)、程序流程圖(圖標代碼)和一個接口板組成。接口面板用于上層的VI調(diào)用該VI[15]。前面板(front panel)類似于儀器的面板，由控件和指示元件組成?？丶闪诵o、開關(guān)等用戶輸入控制對象，可以為程序輸入數(shù)據(jù)。指示元件類似儀器的輸出裝置可以顯示輸出值以及實現(xiàn)圖表和文字顯示。軟件前面板其實是自動化的拓展，它保持了傳統(tǒng)直觀的視覺和感覺效果，同時軟件前面板創(chuàng)建了一個真正的接口，無論用戶使用什么類型的硬件，軟件前面板只包含了對于一個應(yīng)用場合很重要的參數(shù)，用戶很容易地從一個單一的前面板控制多臺儀器，并把整個系統(tǒng)作為一臺虛擬儀器看待[16]。流程圖使用圖標連線方式的圖形，VI用圖標代碼和連線來完成算術(shù)和邏輯運算。圖標代碼是對具體編程問題的圖形化解決方案。圖標代碼即VI的源代碼。工作指令由G語言編制的圖標式流程圖獲得，模塊的程序由連線把數(shù)據(jù)的輸入輸出端連接起來。由于流程圖與傳統(tǒng)程序設(shè)計語言的語法細節(jié)無關(guān)，構(gòu)建和測試程序就可以少費時間，使用方框圖方法可以實現(xiàn)內(nèi)部的自我復(fù)制。VI具有層次結(jié)構(gòu)和模塊化的特點。它們可以作為頂層程序，也可以作為其它程序的子程序。VI代碼內(nèi)含的VI叫子程序subVI。VI程序使用接口板來替代文本編程語言的函數(shù)參數(shù)表，每個輸入和輸出的參數(shù)都有自己的連接端口，其他的VIs可以由此向subVI傳遞數(shù)據(jù)。LabVIEW有一個圖形編輯器來產(chǎn)生最優(yōu)化編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當編譯C的速度。利用應(yīng)用程序生成器，用戶能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨立的可執(zhí)行程序一樣[17]?？傊?，采用前面板、流程圖和圖標等，用戶就對整個系統(tǒng)實現(xiàn)圖形化描述，同時，用戶也可以隨時改變虛擬儀器來滿足自己的需要。 LabVIEW程序的設(shè)計模式設(shè)計模式所代表的技術(shù)都是經(jīng)過實踐檢驗的、具有很強實用價值的程序設(shè)計方式[23]。它們一般都經(jīng)過了開發(fā)者的不懈的改進和調(diào)整才形成，使用簡單并具有較高的可維護性、可讀性等特點。同時，隨著某種設(shè)計模式被廣泛使用，有助于其他的開發(fā)人員理解和改變原開發(fā)者的程序代碼。LabVIEW應(yīng)用程序的設(shè)計也可以利用這些設(shè)計模式的優(yōu)勢[18]。LabVIEW中的設(shè)計模式主要有：狀態(tài)機模式、主從模式、生產(chǎn)／消費模式和消息隊列處理機模式。 本章小結(jié)本章首先對本文采用的編程軟件La合實例對LabVIEW中具體的編程方式、設(shè)計模式以及bVIEW的特征進行簡單介紹，這也是本文選用該軟件作為主要軟件開發(fā)環(huán)境的原因。然后結(jié)多線程技術(shù)、同步控制等在我們開發(fā)實際中運用到的技術(shù)做一一的研究和介紹。第4章 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計本章主要介紹了基于LabVIEW的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計思路及其流程和仿真圖。主要分為以下9個模塊：模塊基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊、多頻信號產(chǎn)生模塊、任意公式波形產(chǎn)生模塊、噪聲信號產(chǎn)生模塊、正弦波仿真信號發(fā)生器模塊、自相關(guān)函數(shù)演示模塊、虛擬正弦波頻譜分析儀模塊、虛擬積分器與微分器模塊以及虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的總體設(shè)計[19]。各個模塊均給出了相應(yīng)的流程圖和前面板波形圖。 基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊。這一模塊是應(yīng)用波形產(chǎn)生子模板中的Basic Function (基本函數(shù)發(fā)生器)節(jié)點來產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等四種信號。在波形產(chǎn)生子模板中的所有模塊不僅輸出包含指定波形圖形的數(shù)字型數(shù)組,而且包含時間參數(shù),這種數(shù)據(jù)類型在LabVIEW中稱作波形數(shù)據(jù)。波形數(shù)據(jù)以簇的形式給出,包括起始時間t0、采樣時間間隔dt和一個由采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)組。示波器顯示波形的周期數(shù)目=時間長度/信號周期。　基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊框圖程序 基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊前面板 多頻信號產(chǎn)生模塊?！《囝l信號產(chǎn)生模塊框圖程序 多頻信號產(chǎn)生模塊前面板多頻信號是指一個離散頻率的正弦波集合,其模擬信號數(shù)學表達式為:x(t)=∑Aisin(hiω1t+θi)式中,Ai是第i個正弦波的幅值。ω1是基波角頻率。 hi是第i個正弦波的角頻倍數(shù)。θi是第i個正弦波的初相角。多頻信號在現(xiàn)代測量技術(shù)中應(yīng)用很多。該模塊后面板框圖程序如圖3所示。通過調(diào)用Multitone (多頻發(fā)生器)節(jié)點來實現(xiàn)若干不同頻率的正弦波集合,在本設(shè)計中,可以實現(xiàn)四種不同頻率的正弦波的合成。amplitude(幅度)端口設(shè)定值若大于0,則各頻率成分的振幅將被縮放,若設(shè)定值小于0,則不進行縮放。波峰因數(shù)輸出端為合成波的幅值與有效值之比。在進行參數(shù)設(shè)置時,采樣頻率至少要大于最高信號頻率的2倍,這是為了滿足采樣定理的要求。通過調(diào)用Function Waveform Waveform Measurements子模板中的FFT Power Spectrum. VI(FFT功率譜)節(jié)點來計算信號的功率譜密度,實現(xiàn)對于多頻信號的頻域分析。這個程序作為主程序Case結(jié)構(gòu)的一個分支[20]。 任意公式波形產(chǎn)生模塊　任意函數(shù)波形產(chǎn)生模塊框圖程序這個程序作為主程序Case結(jié)構(gòu)的一個分支。為了能夠產(chǎn)生一些非周期信號或其它測試領(lǐng)域的特殊信號在本設(shè)計中應(yīng)用波形產(chǎn)生子。模版中的Formula Waveform (公式波形)VI節(jié)點來產(chǎn)生任意波形。該節(jié)點可使用指定時間函數(shù)