【文章內(nèi)容簡介】 用廠商定義的、預(yù)封裝好的軟件和硬件，工程師和科學(xué)家獲得了最大的用戶定義的靈活性。傳統(tǒng)儀器把所有軟件和測量電路封裝在一起，并利用 儀器前面板為用戶提供一組有限的功能。而虛擬儀器系統(tǒng)提供的則是完成測量或控制任務(wù)所需的所有軟件和硬件設(shè)備，功能完全由用戶自定義。此外，利用虛擬儀器計(jì)數(shù)，工程師和科學(xué)家們還可以使用高效且功能強(qiáng)大的軟件來自定義采集、分析、存儲(chǔ)、共享和顯示功能。以下是體現(xiàn)虛擬儀器靈活性的例子。 （ 1） 一個(gè)應(yīng)用，不同的設(shè)備 圖 4 在不同設(shè)備上使用同樣的應(yīng)用程序 資料來源：吉林大學(xué)精品課程 .虛擬儀器原理及應(yīng)用 [DB/OL]. 圖 4 所示的例子中，一位工程師正在實(shí)驗(yàn)室的臺(tái)式計(jì)算機(jī) PCI 總線上使用 NI LabVIEW 和 M 系列 DAQ 設(shè)備開發(fā)一個(gè)應(yīng)用程序，以創(chuàng)建一個(gè)直流（ DC）電壓和溫度測量應(yīng)用。在完成了系統(tǒng)構(gòu)建之后，他需要在一個(gè)生產(chǎn)層 PXI 系統(tǒng)上配置應(yīng)用程序以完成新產(chǎn)品的測試?；蛘撸赡苄枰獞?yīng)用程序具有便攜性，所以選擇了 NI USB DAQ產(chǎn)品來完成任務(wù)。在這個(gè)例子中，無論是何種情況，他都可以在同一個(gè)程序中使用虛擬儀器而無須改變代碼。 （ 2）許多應(yīng)用程序，一個(gè)設(shè)備 圖 5 許多應(yīng)用程序重復(fù)使用硬件 資料來源：吉林大學(xué)精品課程 .虛擬儀器原理及應(yīng)用 [DB/OL]. 圖 5 所示的例子中，一 個(gè)工程師剛剛完成了一個(gè)利用最新的 M 系列 DAQ 設(shè)備和積分編碼器測量電機(jī)位置的項(xiàng)目。他的下一個(gè)項(xiàng)目是監(jiān)視和記錄這個(gè)電機(jī)的功率。即使任務(wù)完全不同，他也可以重用同樣的 M 系列 DAQ 設(shè)備，他所需要做的就是使用虛擬儀器軟件開發(fā)出新的應(yīng)用程序。此外，如果需要的話，項(xiàng)目既可以與一個(gè)單一的應(yīng)用程序結(jié)合，也可以運(yùn)行在一個(gè)單一的 M 系列 DAQ 設(shè)備上。 虛擬儀器可與傳統(tǒng)儀器完全兼容，無一例外。虛擬儀器軟件通常提供了與常用普通儀器總線（如 GPIB、串行總線和以太網(wǎng)）相連接的函數(shù)庫。除了提供庫之外， 200多家儀器廠商也為 NI 儀器驅(qū)動(dòng)庫提 供了 4000 余種儀器驅(qū)動(dòng)。儀器驅(qū)動(dòng)提供了一套函數(shù)和儀器接口，每一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)都專為儀器某一特定的模型而設(shè)計(jì)，從而為它獨(dú)特的性能提供接口。 自動(dòng)測試工業(yè)中一個(gè)基本的趨勢就是向基于軟件的測試系統(tǒng)的重大轉(zhuǎn)變。例如，美國國防部（ DoD）是世界上最大的自動(dòng)測試設(shè)備（ ATE）客戶之一。為了降低測試系統(tǒng)的成本并提高重用率， DoD 通過海軍的 NxTest 計(jì)劃已經(jīng)確定：將來的 ATE 要使用建立在模塊化硬件和可重復(fù)配置的軟件基礎(chǔ)上的體系結(jié)構(gòu)，稱為綜合性儀器。采用綜合性儀器代表了將來軍用 ATE 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的重大發(fā)展，并且反映出可重 復(fù)配置的軟件處于將來系統(tǒng)的核心地位這一基本轉(zhuǎn)變?；谲浖臏y試系統(tǒng)的成功應(yīng)用，例如綜合性儀器，需要有對(duì)硬件平臺(tái)和市場上軟件工具的理解，以及對(duì)系統(tǒng)級(jí)體系結(jié)構(gòu)和儀器級(jí)體系結(jié)構(gòu)之間區(qū)別的理解。 綜合性儀器執(zhí)行團(tuán)體將綜合性儀器定義為 “ 一個(gè)可重復(fù)配置的系統(tǒng)，它通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口連接一系列基本硬件和軟件組件，從而發(fā)生信號(hào)或者使用數(shù)值處理技術(shù)進(jìn)行測量 ” 。這與虛擬儀器的許多性質(zhì)是相同的，虛擬儀器是 “ 一個(gè)軟件定義的系統(tǒng)，其中基于用戶需要的軟件定義了通用測量硬件的功能 ” 。兩種定義享有共同的性質(zhì)，即運(yùn)行于商用硬件之上的可自定義功 能的儀器。通過將測量功能轉(zhuǎn)向用戶可接觸并可重復(fù)配置的硬件，那些采用這種體系結(jié)構(gòu)的儀器從具有更大靈活性和可重復(fù)配 置功能的系統(tǒng)中受益，而且這些系統(tǒng)反過來又提高了性能并降低了成本。 虛擬儀器（ virtual instrumention）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(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)語言是美國 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)測控系統(tǒng)在國防、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長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。目前 LabVIEW的最新版本為 LabVIEW2020， LabVIEW 2020 為多線程功能添加了更多特性， 這種特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、 LabVIEW RealTime工具對(duì)嵌入式平臺(tái)開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計(jì)的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的首選。 利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的３２位編譯器。像許多重要的軟件一樣， LabVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、Macintosh 的多種版本。 它主要的方便就是，一個(gè)硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器儀表的功 能，非常方便，是相當(dāng)于軟件即硬件。 LabVIEW 概述 LabVIEW 簡介 LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（ NI）公司研制開發(fā)的，類似于 C 和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G 編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 與 C 和 BASIC 一樣， LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。 LabVIEW 的函數(shù)庫包括數(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)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子 VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。 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（ Front Panel）和相當(dāng)于源代碼功能的框圖程序（ Diagram）。前面板接受來自框圖程序的指令。在VI 的前面板中，控件（ Controls）模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給 VI 的框圖程序；而指示器（ Indicators）則是模擬了儀器的輸出裝置并顯示由 框圖程序獲得或產(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 便在框圖程序中相應(yīng)的產(chǎn)生了一個(gè)終端（ Terminals），這個(gè)從屬于控件或指示器的終端不能隨意的被刪除，只有刪除它對(duì)應(yīng)的控件 或指示器時(shí)它才會(huì)隨之一起被刪除。 用 LabVIEW 編制框圖程序時(shí)，不必受常規(guī)程序設(shè)計(jì)語法細(xì)節(jié)的限制。首先，從函數(shù)面板（ Function Palette）中選擇需要的函數(shù)節(jié)點(diǎn)（ Function Node），將之置于框圖上適當(dāng)?shù)奈恢?；然后用連線（ Wires）連接各函數(shù)節(jié)點(diǎn)在框圖程序中的端口（ Port），用來在函數(shù)節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。這些函數(shù)節(jié)點(diǎn)包括了簡單的計(jì)算函數(shù)、高級(jí)的采集和分析 VI 以及用來存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的文件輸入輸出函數(shù)和網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。 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（ Top Level）程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。一個(gè) VI 用在其它 VI 中，稱之為 subVI， subVI 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；為了區(qū)分各個(gè)subVI，它們的圖標(biāo)是可編輯的。 LabVIEW 依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計(jì)的概念。用戶可以把一個(gè)應(yīng)用任務(wù)分解成為一 系列的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)還可以分解成許多更低一級(jí)的子任務(wù)，直到把一個(gè)復(fù)雜的問題分解成為許多子任務(wù)的組合。首先設(shè)計(jì) subVI完成每個(gè)子任務(wù)，然后將之逐步 組合成為能夠解決最終問題的 VI。 圖形化的程序設(shè)計(jì)編程簡單、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試和控制領(lǐng)域內(nèi)最有前途的發(fā)展方向。 LabvIEW 的意義 對(duì)于新產(chǎn)品開發(fā)，為了依靠新產(chǎn)品特別是高端產(chǎn)品的高附加值來獲取高利潤，采用低成本、高時(shí)效性和高穩(wěn)定性的測試系統(tǒng)開發(fā)新機(jī)型、新技術(shù)就顯得非常必要。采用美國 NI 公司的 LabVIEW 圖形開發(fā)軟件，利用 PXI 高速穩(wěn)定的采集卡以及簡單的接口電路完成各項(xiàng)參數(shù)的測量，其優(yōu)勢非常明顯。這套系統(tǒng)組成簡單、性能可靠、開發(fā)周期短，這些特點(diǎn)對(duì)于開發(fā)新產(chǎn)品，驗(yàn)證和測試控制邏輯，加快 溫度 測試和研發(fā)速度，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本都有著重要的意義。 解決方案 LabVIEW 自 1986 年正式推出，至今已發(fā)展到以最新版本 為核心，包括控制與仿真、高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)過程控制、模糊控制和 PID 控制等眾多軟件包，可運(yùn)行于現(xiàn)今所有 Windows 系統(tǒng)、 Linux,Macintosh,Sun 和 HPUX 等多種平臺(tái)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)環(huán)境。其已被廣泛應(yīng)用于包括航空航天、工業(yè)自動(dòng)化、通信、汽車、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍內(nèi)的眾多領(lǐng)域，其概括如下 : LabVIEW 應(yīng)用于測試與測量 LabVIEW 已成為測試與測量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過 GPIB,VXI,PLC、串行設(shè)備和插卡式數(shù)據(jù)采集板卡可以構(gòu)成實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它提供了工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫，同時(shí)還支持通過 Inter,ActiveX,DE 、和 SQL 等交互式通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開發(fā)工具使復(fù)雜 的測試測量任務(wù)變得簡單易行 . LabVIEW 應(yīng)用于過程控制和工業(yè)自動(dòng)化 LabVIEW 強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)、圖形顯示能力和便捷的快速程序設(shè)計(jì)為過程控制和工業(yè)自動(dòng)化提供了優(yōu)秀的解決方案 .同時(shí)由于 NI 公司提供有全系列的基于 PC 的多功能板卡，其與 LabVIEW 在底層即實(shí)現(xiàn)了軟、硬件的無逢連接，節(jié)約了系統(tǒng)的構(gòu)建時(shí)間并增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。 LabVIEW 應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究與自動(dòng)化 LabVIEW 為科學(xué)家和工程師提供了功能強(qiáng)大的高技數(shù)學(xué)分析庫，包括統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號(hào)生成算法、時(shí)域和頻域分析等眾多科學(xué)領(lǐng)域。在聯(lián)合 時(shí)域分析、小波和數(shù)字濾波器等高級(jí)或特殊分析場合， LabV 工 EW 提供有專門的附加軟件包。 軟件的特點(diǎn) Labview 是一種圖形化得程序語言，使用這種語言編輯時(shí)，基本上不用寫程序代碼，取而代之的是流程圖。 Labview 盡可能地利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的的術(shù)語、圖標(biāo)和概念。因此， labview 是一個(gè)面向最終用戶的工具，它可以增強(qiáng)用戶構(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)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。 Labview 是通過圖形符號(hào)來描述程序的行為，它消除了令人煩惱的語法規(guī)則，減輕了用戶編程的負(fù)擔(dān)，可以把效率提高數(shù)十倍，其主要特點(diǎn)可歸納為如下幾點(diǎn)： （ 1）具有圖形化的 編程方式，是真正面向科學(xué)家和工程師的語言。 （ 2） 32bit 的編譯器編譯生成的程序可保證數(shù)據(jù)采集、測試方案的高速