【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 代碼模塊中分級(jí)調(diào)用。這些重用部分是一些封裝良好的、原子性的程序代碼；理想情況下，重用部分應(yīng)與硬件IC一樣，可以不經(jīng)過(guò)任何修改而被直接“插接”到其它程序中去。典型的重用部分包括函數(shù)庫(kù)、過(guò)程程序包、宏、類、庫(kù)等，它們通過(guò)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(kāi)發(fā)平臺(tái)研究方面，近年來(lái)國(guó)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(kāi)發(fā)平臺(tái)最具代表性。下面簡(jiǎn)單的介紹一些常用的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)各自的特點(diǎn)：(1)Microsoft Visual C++，Borland C++Builder,Borland Delphi易學(xué)、使用簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)的可視化編程語(yǔ)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(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析；提供數(shù)據(jù)、處理控制、提供測(cè)量過(guò)程和測(cè)試報(bào)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(kù)的圖形化環(huán)境；可編譯性能強(qiáng)；自動(dòng)化的測(cè)試對(duì)接軟件；SQL數(shù)據(jù)庫(kù)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(jī)開(kāi)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(kù)；可用于Win2000/XP、Sun Solaris 。 基于虛擬儀器構(gòu)建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)根據(jù)以上對(duì)于虛擬儀器主要功能特點(diǎn)的介紹，不難看出基于虛擬儀器構(gòu)建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具備以下突出優(yōu)點(diǎn)[20]：(1)采用虛擬儀器，計(jì)算機(jī)與硬件測(cè)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(cè)試儀器設(shè)備中，測(cè)試人員以手工的方式現(xiàn)場(chǎng)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，在測(cè)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(shí)完成記錄任務(wù)，測(cè)試過(guò)程也就變的復(fù)雜、緩慢，而且很容易引起測(cè)試誤差。對(duì)于有些常用的測(cè)試儀器，對(duì)于被測(cè)對(duì)象只能進(jìn)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(cè)試設(shè)備中，充分利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力，讓測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)由計(jì)算機(jī)總線，傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)存或硬盤，數(shù)據(jù)傳輸率可以滿足測(cè)試的實(shí)時(shí)性要求，也加快了測(cè)試過(guò)程，這樣就很好解決了數(shù)據(jù)的傳輸、保存問(wèn)題[7]。 (2)在某些情況下，需要根據(jù)工程的實(shí)際需要實(shí)時(shí)、直接地對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理，如進(jìn)行PID控制、模糊邏輯控制、FFT、DFT運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理，數(shù)學(xué)分析和數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)接、統(tǒng)計(jì)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(kāi)發(fā)人員可以使用現(xiàn)有的分析軟件包或通過(guò)自行編制相應(yīng)軟件來(lái)滿足這一功能要求。(3)為了使測(cè)試過(guò)程直觀、明了，有時(shí)需要多種方式顯示測(cè)試數(shù)據(jù)、控制過(guò)程和分析結(jié)果，虛擬儀器中，就可以利用計(jì)算機(jī)的圖形用戶界面實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 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(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，由虛擬儀器構(gòu)建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)有著巨大的前景。本文將實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程信號(hào)源自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，是在現(xiàn)有硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)的自動(dòng)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(shí)際的硬件構(gòu)成方案。而限于時(shí)間和工作量的關(guān)系，選用一門使用簡(jiǎn)單方便，效率高的虛擬儀器實(shí)現(xiàn)軟件，是一個(gè)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(duì)于LabVIEW的特點(diǎn)和相關(guān)的編程技術(shù)，將在下一章中做詳細(xì)的介紹[8]。第3章 LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境 LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)的簡(jiǎn)稱，它是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，它是主要用于開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)[9]。LabVIEW的最大特色是采用編譯型圖形化編程語(yǔ)言――G語(yǔ)言(GraphProgramming)，它與C,Pascal,Basic等傳統(tǒng)語(yǔ)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(diǎn)。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語(yǔ)言用文本語(yǔ)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(yǔ)言(即，各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等)以框圖的形式編寫程序。用LabVIEW編程無(wú)需具備太多編程經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW使用的都是測(cè)試工程師們熟悉的術(shù)語(yǔ)和圖標(biāo)，如各種按鈕、開(kāi)關(guān)、波形圖等，界面非常直觀形象，因此，LabVIEW對(duì)于沒(méi)有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試工程師們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)極好的選擇。LabVIEW語(yǔ)言具有豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)，集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種表頭、旋鈕、開(kāi)關(guān)、LED指示燈、圖表等，界面直觀、形象，相對(duì)于傳統(tǒng)的編程方式而言，它簡(jiǎn)單易學(xué)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(jì)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(kù)，提供了多種網(wǎng)絡(luò)的接口，支持先進(jìn)的流動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更加方便，其中基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(kāi)放的技術(shù)，與人們已習(xí)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(lái)更方便，開(kāi)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(duì)WinSock的高級(jí)封裝，允許用戶與各種服務(wù)器進(jìn)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(biāo)，源和目標(biāo)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(jiǎn)稱URL)，就可建立數(shù)據(jù)套接的源與目標(biāo)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(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享[11]。 LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)LabVIEW從被推出到現(xiàn)在，20年的實(shí)踐證明LabVIEW確實(shí)是一個(gè)使用方便卻又功能非常強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，LabVIEW具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)使用“所見(jiàn)即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了大量?jī)x器面板中的控制對(duì)象簡(jiǎn)單的方案即使沒(méi)有多少編程經(jīng)驗(yàn)，仍可以很方便的使用LabVIEW。(2)先進(jìn)的ActiveX技術(shù)融合了簡(jiǎn)單的拖放編程方法，儀器控制和數(shù)據(jù)采集變得非常簡(jiǎn)單，使用戶非常容易地開(kāi)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(dòng)程序具有模塊化，可以重復(fù)使用，最大限度地減少軟件開(kāi)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(jì)過(guò)程控制到數(shù)字信號(hào)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(shí)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)相連)等，這些特性為L(zhǎng)abVIEW環(huán)境下應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)提供了方便(5)LabVIEW提供了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如，TCP/IP函數(shù)庫(kù)、數(shù)據(jù)套接字技術(shù)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，并且提高了系統(tǒng)的開(kāi)放性、穩(wěn)定性、可靠性。(6)使用LabVIEW開(kāi)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(cè)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(dú)立的可執(zhí)行程序，能夠脫離開(kāi)發(fā)環(huán)境而單獨(dú)運(yùn)行。另外，相對(duì)來(lái)說(shuō)，LabVIEW的功能可擴(kuò)展性較好，應(yīng)用起來(lái)比較靈活，操作起來(lái)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(kāi)發(fā)平臺(tái)所接受[13]。LabVIEW能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)技術(shù)，使儀器的測(cè)試和測(cè)量及自動(dòng)化工業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試和監(jiān)控變得異常方便和快捷[14]。 LabVIEW中的編程方式一個(gè)完整的LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境包括基本模塊和擴(kuò)展模塊兩部分，引擎部分是整個(gè)圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境的核心，它包括編輯模塊、運(yùn)行模塊和調(diào)試模塊。LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā)的程序稱為虛擬儀器VI，因?yàn)樗耐庑闻c操作方式可以模擬實(shí)際的儀器。實(shí)際上，VI類似于傳統(tǒng)編程語(yǔ)言的函數(shù)或子程序。程序VI由一個(gè)前面板(即用戶界面)、程序流程圖(圖標(biāo)代碼)和一個(gè)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。控件集成了旋鈕、開(kāi)關(guān)等用戶輸入控制對(duì)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(shí)現(xiàn)圖表和文字顯示。軟件前面板其實(shí)是自動(dòng)化的拓展，它保持了傳統(tǒng)直觀的視覺(jué)和感覺(jué)效果，同時(shí)軟件前面板創(chuàng)建了一個(gè)真正的接口，無(wú)論用戶使用什么類型的硬件，軟件前面板只包含了對(duì)于一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合很重要的參數(shù)，用戶很容易地從一個(gè)單一的前面板控制多臺(tái)儀器，并把整個(gè)系統(tǒng)作為一臺(tái)虛擬儀器看待[16]。流程圖使用圖標(biāo)連線方式的圖形，VI用圖標(biāo)代碼和連線來(lái)完成算術(shù)和邏輯運(yùn)算。圖標(biāo)代碼是對(duì)具體編程問(wèn)題的圖形化解決方案。圖標(biāo)代碼即VI的源代碼。工作指令由G語(yǔ)言編制的圖標(biāo)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(lái)。由于流程圖與傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)，構(gòu)建和測(cè)試程序就可以少費(fèi)時(shí)間，使用方框圖方法可以實(shí)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(diǎn)。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(lái)替代文本編程語(yǔ)言的函數(shù)參數(shù)表，每個(gè)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(gè)圖形編輯器來(lái)產(chǎn)生最優(yōu)化編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當(dāng)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(dú)立的可執(zhí)行程序一樣[17]。總之，采用前面板、流程圖和圖標(biāo)等，用戶就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖形化描述，同時(shí)，用戶也可以隨時(shí)改變虛擬儀器來(lái)滿足自己的需要。 LabVIEW程序的設(shè)計(jì)模式設(shè)計(jì)模式所代表的技術(shù)都是經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的、具有很強(qiáng)實(shí)用價(jià)值的程序設(shè)計(jì)方式[23]。它們一般都經(jīng)過(guò)了開(kāi)發(fā)者的不懈的改進(jìn)和調(diào)整才形成，使用簡(jiǎn)單并具有較高的可維護(hù)性、可讀性等特點(diǎn)。同時(shí)，隨著某種設(shè)計(jì)模式被廣泛使用，有助于其他的開(kāi)發(fā)人員理解和改變?cè)_(kāi)發(fā)者的程序代碼。LabVIEW應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)也可以利用這些設(shè)計(jì)模式的優(yōu)勢(shì)[18]。LabVIEW中的設(shè)計(jì)模式主要有：狀態(tài)機(jī)模式、主從模式、生產(chǎn)／消費(fèi)模式和消息隊(duì)列處理機(jī)模式。 本章小結(jié)本章首先對(duì)本文采用的編程軟件La合實(shí)例對(duì)LabVIEW中具體的編程方式、設(shè)計(jì)模式以及bVIEW的特征進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，這也是本文選用該軟件作為主要軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)實(shí)際中運(yùn)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(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)本章主要介紹了基于LabVIEW的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路及其流程和仿真圖。主要分為以下9個(gè)模塊：模塊基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊、多頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、任意公式波形產(chǎn)生模塊、噪聲信號(hào)產(chǎn)生模塊、正弦波仿真信號(hào)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(hào)發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)[19]。各個(gè)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(diǎn)來(lái)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等四種信號(hào)。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(shí)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(shí)間t0、采樣時(shí)間間隔dt和一個(gè)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(shí)間長(zhǎng)度/信號(hào)周期?！』竞瘮?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(hào)產(chǎn)生模塊。　多頻信號(hào)產(chǎn)生模塊框圖程序 多頻信號(hào)產(chǎn)生模塊前面板多頻信號(hào)是指一個(gè)離散頻率的正弦波集合,其模擬信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為:x(t)=∑Aisin(hiω1t+θi)式中,Ai是第i個(gè)正弦波的幅值。ω1是基波角頻率。 hi是第i個(gè)正弦波的角頻倍數(shù)。θi是第i個(gè)正弦波的初相角。多頻信號(hào)在現(xiàn)代測(cè)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(guò)調(diào)用Multitone (多頻發(fā)生器)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)若干不同頻率的正弦波集合,在本設(shè)計(jì)中,可以實(shí)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(jìn)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(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí),采樣頻率至少要大于最高信號(hào)頻率的2倍,這是為了滿足采樣定理的要求。通過(guò)調(diào)用Function Waveform Waveform Measurements子模板中的FFT Power Spectrum. VI(FFT功率譜)節(jié)點(diǎn)來(lái)計(jì)算信號(hào)的功率譜密度,實(shí)現(xiàn)對(duì)于多頻信號(hào)的頻域分析。這個(gè)程序作為主程序Case結(jié)構(gòu)的一個(gè)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(gè)程序作為主程序Case結(jié)構(gòu)的一個(gè)分支。為了能夠產(chǎn)生一些非周期信號(hào)或其它測(cè)