【文章內(nèi)容簡介】 VXI、 PXI 和串口總線五種標準體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成 被測輸入信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成 測試軟件是虛擬儀器的主心骨。 NI 公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。 NI 公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析 ，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分。 （ 1）儀器面板控制軟件 。 儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。 （ 2）數(shù)據(jù)分析處理軟件 。 利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強大的函數(shù)庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時 8 間。 （ 3）儀器驅(qū)動軟件 。 虛擬儀器 驅(qū)動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動程序的核心是驅(qū)動程序函數(shù) /VI 集，函數(shù) /VI 是指組成驅(qū)動的模塊化子程序。驅(qū)動程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應(yīng)用函數(shù) /VI 層，它根據(jù)具體測量要求調(diào)用底層的函數(shù)/VI。 （ 4）通用 I/O 接口軟件 。 在虛 擬儀器系統(tǒng)中， I/O 接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。 VXI 總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標準，提出了自底向上的 I/O 接口軟件模型即 VISA。作為通用 I/O 標準， VISA 具有與儀器硬件接口無關(guān)性的特點， 即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程師為帶 GPIB 接口儀器所寫的軟件，也可以于 VXI 系統(tǒng)或具有 RS232接口的設(shè)備上，這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開發(fā)的方式和手段。 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 虛擬儀器是一類軟件化的儀器，核心概念是 軟件就是儀器 ，而應(yīng)用軟件開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計虛擬儀器所必須的軟件工具。目前，較流行的虛擬儀器軟件開發(fā)系統(tǒng)大致可以分為三類： 第一類：圖形化編程語言，代表性的有 LabVIEW,HPVEE 等； 第二類：文本式的編程語言，如 C,Visual C++,LabWindows/CVI。 第三類：零編程開發(fā)系統(tǒng)，具有代表性的式 VMIDS 框架協(xié)議系統(tǒng)圖形化的編程語言，這是我國自己開發(fā)的軟件開發(fā)系統(tǒng)，它具有編程簡單、直觀、開發(fā)效率高的特點。 目前市面上能夠見 到的開發(fā)系統(tǒng)，基本上都可以歸為以上三類之一。這三類各有優(yōu)缺點，也是目前在市面上都存在的原因。誰也取代不了誰。文本式編程語言具有編程靈活、運行速度快等特點，但他需要很深厚的編程功底，需要記憶很繁瑣的文本語言，編程開發(fā)過程不是任何人都可以掌握的，不適合與那些沒有語言功底的工程師和科學(xué)家，而圖形化編程地出現(xiàn)正式彌補著文本變成的缺陷，把枯燥的寫代碼過程變成了把各種圖形控件用連線連接起來的具有趣味性的圖形化編程活動，但也不是不需要編程的，使用圖形化編程語言的人，并不像文本編程者那樣，需要很深厚的編程功底，但也不是說不 用編程，而我國自己開發(fā)的VMIDS 框架協(xié)議開發(fā)系統(tǒng)用戶是不需要編程，就能組建自己所需要的儀器。以下 9 就幾種典型的開發(fā)系統(tǒng)做一簡單的介紹。 （ 1） LabVIEW 是圖形化的儀器編程環(huán)境，提供顯示和控制對象，如表頭、旋鈕、圖表等。內(nèi)置高效的程序編譯器編譯方式運行 32位應(yīng)用程序 ，內(nèi)置代碼評估器。 靈活的程序調(diào)試手段可設(shè)斷點 ，探針，高亮，單步。支持各種數(shù)據(jù)采集與儀器通信應(yīng)用支持 ISA、 EISA、 PCI、 PCMCIA 和 MacintoshNuBus 等各種總線 。功能強大的數(shù)據(jù)處理和分析函數(shù)庫包括數(shù)值函數(shù)、字符串 處理函數(shù)、數(shù)據(jù)運算函數(shù)和文件 I/O 函數(shù)，還包括概率與統(tǒng)計、回歸分析、線性代數(shù)、信號處理、數(shù)字濾波器、窗函數(shù)、三維圖形處理等高級分析函數(shù)。 支持多種系統(tǒng)平臺可在LabVIEW 平臺上調(diào)用其他軟件平臺編譯的模塊。開放式的開發(fā)平臺網(wǎng)絡(luò)功能面向?qū)ο蠹夹g(shù)。 （ 2） LabWindows/CVI 采用事件驅(qū)動與回調(diào)函數(shù)編程，集成化開發(fā)平臺，支持多種總線，支持數(shù)據(jù)處理和分析功能，提供格式化 I/O 庫、 Analysis 庫、Advanced Analysis 庫、 ANSI C 庫等，提供圖形化用戶界面編輯， User Interface庫。支持網(wǎng)絡(luò)和進程間通信功能，支持多種操作系統(tǒng)。 （ 3） Agilent VEE 圖形化的編程，提供顯示和控制模塊 ，如按鈕、圖表、溫度指示器等 。內(nèi)置的程序編譯器，交互式編譯器技術(shù)，豐富的儀器驅(qū)動程序，強大的數(shù)據(jù)分析與處理數(shù)理統(tǒng)計、類型比較、矩陣運算、微積分、信號分析與處理、數(shù)字濾波器等 。靈活的程序調(diào)試手段可設(shè)斷點，單步，分步。支持多種系統(tǒng)平臺，網(wǎng)絡(luò)功能。 （ 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 Win2020/XP、 Sun Solaris 。 基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)的優(yōu)點 根據(jù)上述主要功能的虛擬儀器描述 ,基于虛擬儀器很容易看到自動測試系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點 : （ 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 10 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。 （ 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(xué)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。 虛擬信號發(fā)生器的介紹 信號發(fā)生器的基本原理 本函數(shù)信號發(fā)生器的前面板主要由以下幾個部分構(gòu)成：儀器控制按鈕，輸出頻率控制窗口 (包括頻率顯示單位 )，頻率倍成控制，波形選擇，頻率微調(diào)按鈕，直流偏置，方波占空比調(diào)節(jié)，輸出波形幅度控制按鈕。頻率微調(diào)范圍： O． 1— 1 Hz；直流偏置：一 10— 10V；方波占空比： 0— 100％；輸出波形幅度： 0— 10V。此外還增加了許多修飾性的元件如面板上的壓控輸入、記數(shù)輸入、同步輸出、電壓輸出等。使用這些修飾性的元件的目的是為了增加儀器 的美觀性，并盡量與真實儀器的使用界面相一致。 虛擬信號發(fā)生器的工作原理 通過軟件虛擬信號發(fā)生器的功能，信號由特定的虛擬儀器發(fā)出，再通過波形顯示器表現(xiàn)在大家面前。 虛擬儀器以計算機為核心，功能由用戶定義和設(shè)計，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現(xiàn)。虛擬儀器的關(guān)鍵是用軟件來實現(xiàn)硬件的功能，實現(xiàn) “ 軟件即儀器 ” 。 本文應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)平臺 LabVIEW 開發(fā)了一種多功能虛擬信號發(fā)生器，擴展了信號發(fā)生器的分析和計算能力，降低了儀器的價格，增強了儀器的通用性，實現(xiàn)了波形顯示、存儲、以及多個測量參數(shù)自動 顯示、相位差自動計算等功能。 11 3 LabVIEW 圖形化開發(fā)環(huán)境 LabVIEW 簡介 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編語言。傳統(tǒng)文本編程語音根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向。 LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（ 如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便的創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱 G（ Graphics）代碼。 LabVIEW 的圖像化源代碼在某種程度上類似于數(shù)據(jù)流流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。前面板上的每一個控件對應(yīng)于程序框圖中的一個對象，當(dāng)數(shù)據(jù)“流向”該控件時，控件就會根據(jù)自己的特性以一定的方式顯示數(shù)據(jù)，例如開關(guān)、數(shù)字或圖形。圖 4就是一個 LabVIEW 程序?qū)嵗那懊姘迮c程序框圖，該例模擬了一個溫度監(jiān)測系統(tǒng)。 LabVIEW 程序被稱為 VI（ Virtual Instrument），即虛擬儀器。這是因為它的很多界面控件與操作都模擬了現(xiàn)實世界中的儀器，例如示波器與萬用表等。LabVIEW 的核心概念就是“軟件即是儀器”，即虛擬儀器的概念。 LabVIEW 還包含了大量的工具與函數(shù)用于采集、分析。顯示與存儲等。這些工具都是導(dǎo)向式的工具，用戶只需要一步步按照提示就可以實現(xiàn)與儀器的連接和參數(shù)的設(shè)置。而程序員也不同去記憶這些大量的函數(shù)，因為這函數(shù)都以圖標與名稱的形式存在于一個小小的函數(shù)面板上，當(dāng)需要用到某個函數(shù)時把它從函數(shù)面板 上拖放到程序框圖中就可以了。這一切都是圖形化帶來的好處。 LabVIEW 的圖形環(huán)境 還 內(nèi)置 了 豐富的函數(shù)庫，提供了多種網(wǎng)絡(luò)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) 變得 更加 簡單和 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 其 一 大 特色。 并且 這種技術(shù)是一種開放的技術(shù)，與人們已 經(jīng) 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 的話 ，使用起來更 為 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 來看 ，它是對 WinSock 的高級封裝，允許用戶與各種服務(wù)器 之 12 間 進行交互并在應(yīng)用之間交換信息，比如 LabVIEW 以及 其他 一些不同的數(shù)據(jù)源或目標，源和目標 中 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 進行 讀寫據(jù)， 實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時共享。 圖 4 LabVIEW程序的前面板與程序框圖舉例 LabVIEW 的優(yōu)點 沒有傳統(tǒng)儀器虛擬儀器控制面板 ,但使用計算機強大的圖形環(huán)境 ,使用可視化圖形編程語言和平臺 ,以創(chuàng)建一個圖在計算機屏幕上而不是軟面板的傳統(tǒng)傳統(tǒng)儀器面板。軟實際儀器面板有一個類似的旋鈕、開關(guān)、燈光和其他控制組件。在操作 ,用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板 ,檢查儀表通信和操作。除了上面提到的特性 ,與傳統(tǒng)儀器的編程工具 Visual Basic,Visual c++相比 ,虛擬儀器以及幾個優(yōu)勢。 （ 1） 用戶能根據(jù) 自己的需要的虛擬儀器的靈活性來定義儀器功能，通過不同的功能模塊的組合，可構(gòu)成各種儀