【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托， 實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。下面的框圖反映了常見(jiàn)的虛擬儀器方案。 虛擬儀器的主要特點(diǎn)有： 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。 可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。 用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó) NI 公司的 LabVIEW。 虛擬儀器的起源可以追溯到 20世紀(jì) 70年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。 PC 機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在 Microsoft 公司的 Windows 誕生之前， NI 公司已經(jīng)在 Macintosh 計(jì)算機(jī)上推出了 以前的版本。對(duì)虛擬儀器和 LabVIEW 長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開(kāi)發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。 普通的 PC 有一些不可避免的弱點(diǎn)。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計(jì)算機(jī)化儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向是制定了 VXI 標(biāo)準(zhǔn)，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一 個(gè)插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒(méi)有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的 VXI 機(jī)箱，再與計(jì)算機(jī)相連，就組成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。 VXI 儀器價(jià)格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的 PXI 標(biāo)準(zhǔn)儀器。 虛擬儀器研究的另一個(gè)問(wèn)題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計(jì)算機(jī)的連接。目前使用較多的是 IEEE 488 或 GPIB 協(xié)議。未來(lái)的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。 LabVIEW（ Laboratory Virtual instrument Engineering）是一種圖形 化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP、 ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。 圖形化的程序語(yǔ)言，又稱(chēng)為“Ｇ”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫(xiě)程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù) 人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此， LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶(hù)的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。 LabVIEW 增加的 Express 技術(shù)，簡(jiǎn)化了測(cè)試測(cè)量應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 基于 LABVIEW 的虛擬信號(hào)發(fā)生器 機(jī)電 091 35 號(hào) 袁軍 6 程，其靈活的交互式 VI 易與各種范圍的 I/O 信號(hào)連接，用戶(hù) 甚至 只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)配置應(yīng)用系統(tǒng)，即可完成搭建工作并開(kāi)始運(yùn)行。通過(guò)簡(jiǎn)單地修改 Express VI 的配置，可以快速反復(fù)地修改應(yīng)用 程序以適應(yīng)新的測(cè)試測(cè)量需求。 LabView 軟件是美國(guó) NI 公司研制的具有革命性的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境 ,主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域 ,適用于多種不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)。與傳統(tǒng)程序語(yǔ)言不同 ,LabView 采用強(qiáng)大的圖形化語(yǔ)言編程 ,面向測(cè)試工程師而非專(zhuān)業(yè)程序員 ,編程非常方便 ,人機(jī)交互界面直觀友好 ,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn) [1]?！败浖褪莾x器”反映了虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征。聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡 ,其 A/D 轉(zhuǎn)換功能已經(jīng)成熟 ,而且計(jì)算機(jī)無(wú)需添加額外配件便能完成采集功能 ,具有價(jià)格低廉、采 樣精度高 ,與 LabView 軟件結(jié)合編程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn) ,可以構(gòu)成一個(gè)較高采樣精度、中等采樣頻率、靈活性好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；谝陨?,本文設(shè)計(jì)了種基于 LabView 的聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析及信號(hào)發(fā)生等功能 ,在工程測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中具有廣闊的前景。 LabVIEW 軟件的特點(diǎn) LabVIEW 是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，類(lèi)似于 BASIC 開(kāi)發(fā)環(huán)境；但 LabIEW 與其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，有一個(gè)特別重要的不同點(diǎn)：其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼行；而 LabVIEW 使用圖形化編程語(yǔ)言 G 編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程 序是框圖的形式。 像 C 或 BASIC 一樣， LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫(kù)。 LabVIEW 的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。 LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其通過(guò)程序（子 I）的結(jié)果、單步執(zhí)行等，便于程序的調(diào)試。 LabVIEW 易學(xué)易用，特別適合硬件工程師、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時(shí)間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實(shí)踐中去。 LabVIEW 在包括航空、航天、通信、汽車(chē)、半導(dǎo)體 和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)試和工業(yè)自動(dòng)化，從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用 LabvIEW的成果和開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。 ①. 具有圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫(xiě)任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語(yǔ)言。 ② .提高豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。 ③ .提高傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供獨(dú)具特色的執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫(huà)式運(yùn)行，利用設(shè)計(jì)者觀察到程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷。 ④ .32 位的編譯器生成 32 位的編譯程序， 保證用戶(hù)數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 基于 LABVIEW 的虛擬信號(hào)發(fā)生器 機(jī)電 091 35 號(hào) 袁軍 7 方案的高速運(yùn)行。 ⑤ .囊括了 PCI， GPIB， PXI， XI， RS232/485， USB 等各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂的總線標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。 ⑥ .提供大量與外部代碼或軟件運(yùn)行鏈接的機(jī)制，如 DLL， DDE， ActieX 等。 ⑦ .具有強(qiáng)大的 Inter 功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā)。 在 Labview/ 下 ,虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生波形流程框圖如圖 1 所示 . 圖 1 虛擬信號(hào)發(fā)生器框圖 D/A 轉(zhuǎn)換輸出卡采用了 NI 公司的 PCI6014,設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件在一般情況下都是由硬件設(shè)備或接口板的廠家提供 .虛擬儀器通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊 ,并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控鍵 .虛擬信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生正弦波、方波和三角波以及調(diào)制信號(hào) ,根據(jù)需要 ,可調(diào)節(jié)其中面板上的控鍵 ,改變信號(hào)的頻率、幅度與相位 ,并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ) ,所有信號(hào)發(fā)生的結(jié)果都可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的虛擬面板顯示 .圖2是虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板所要完成的功能 . 圖 2 虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板框圖 LabVIEW 編程 語(yǔ)言 LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境， 具體來(lái)說(shuō)，它是直觀的前面板與流程圖式的編程方法的結(jié)合，是構(gòu)建虛擬儀器的理想工具。 LabVIEW 與儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示部分一起協(xié)調(diào)工作，是簡(jiǎn)化了而又易于使用的基于圖形化的編程語(yǔ)言G的開(kāi)發(fā)環(huán)境。流程圖式的程序設(shè)計(jì)與科技工程人員較為熟悉的數(shù)據(jù)流和方塊圖的概念是一致的，而且由于流程圖與傳統(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 用流程圖方法可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的自我復(fù)制，可以隨時(shí)改變虛擬儀器來(lái)滿足自己的需要。與傳統(tǒng)的編程方式相比，使用 LabVIEW 設(shè)計(jì)虛常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 基于 LABVIEW 的虛擬信號(hào)發(fā)生器 機(jī)電 091 35 號(hào) 袁軍 8 擬儀器，可以提高效率 4～ 10 倍。同時(shí)，利用其模塊化和遞歸方式，用戶(hù)可以在很短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建、設(shè)計(jì)和更新自己的虛擬儀器系統(tǒng)。 被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。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(xiě)，從而可以大大簡(jiǎn)化程序的設(shè)計(jì)。 LabVIEW 與 VC++、 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，用對(duì)話框代替了傳統(tǒng)的程序代碼。 LabVIEW所運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過(guò)程和思維過(guò)程非常相似。用 LabVIEW 設(shè)計(jì)的虛擬儀器可以脫離 LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境，最終用戶(hù)看見(jiàn)的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板。 LabVIEW 包含有專(zhuān)門(mén)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(kāi)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(Virtual Instruments)” 。在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上利用功能庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)產(chǎn)生一個(gè)前面板 。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(lèi)似的界面，可接受用戶(hù)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(lèi)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 CPIB 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)鏈接庫(kù)和用戶(hù)自定義的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)。 LabVIEW 的 CIN 節(jié)點(diǎn)使用戶(hù)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(kāi)放的開(kāi)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(xún)語(yǔ)言 (SQL)、 TCP和 UDP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。此外， LabVIEW還提供了專(zhuān)門(mén)用于程序開(kāi)發(fā)的工具箱，使得用戶(hù)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(guò)程，以及進(jìn)行方便的調(diào)試。 LabVEIW 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 中被連接的對(duì)話框之間的數(shù)據(jù)流控制著程序的執(zhí)行次序，而 不像文本程序受到行順序執(zhí)行的約束。從而可以通過(guò)相互連接功能對(duì)話框快速簡(jiǎn)潔地開(kāi)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(hù)界面一前面板 (front Panel)以及類(lèi)似于源代碼功能的對(duì)話框。前面板接受來(lái)自對(duì)話框的指令。在 VI 的前面板中，控制器模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給 Vl的對(duì)話框；而指示器則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由對(duì)話框獲得 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在對(duì)話框中相應(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 編制對(duì)話框程序時(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?；然后用?dǎo)線連接各功能方框在對(duì)話框中的端口，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 Vl 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工中，稱(chēng)之常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 基于 LABVIEW 的虛擬信號(hào)發(fā)生器 機(jī)電 091 35 號(hào) 袁軍 9 為子 VI，子 VI 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(hù)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。首先設(shè)計(jì)子 VI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(wèn)題的 VI。 歸納起來(lái) LabVIEW 軟件開(kāi)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)者無(wú)需寫(xiě)任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語(yǔ)言。 ② 提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。 ③ 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)行工具，使程序動(dòng)畫(huà)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(kāi)發(fā)更為便捷。 ④32bit 的編譯器編譯生成 32bit 的編譯程序，保證用戶(hù)數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方