【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。虛擬儀器從概念的提出到目前技術(shù)的日趨成熟，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)的革命。大致說來(lái)，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個(gè)階段，而這三個(gè)階段又可以說是同步進(jìn)行的。 第一階段，利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能。由于GPIB總線標(biāo)準(zhǔn)的確立，計(jì)算機(jī)和外界通信成為可能，只需要把傳統(tǒng)儀器通過GPIB和RS232同計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，用戶就可以用計(jì)算機(jī)控制儀器。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能價(jià)格比的不斷上升，用計(jì)算機(jī)控制測(cè)控儀器成為一種趨勢(shì)。這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線前進(jìn)。 第二階段，開放式的儀器構(gòu)成。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術(shù)進(jìn)步：一是插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡 ( plugin PCDAQ )；二是VXI儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立。這些新的技術(shù)使儀器的構(gòu)成得以開放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶定義和供應(yīng)商定義儀器功能的區(qū)別。第三階段，虛擬儀器框架得到了廣泛認(rèn)同和采用。軟件領(lǐng)域面向?qū)ο蠹夹g(shù)把任何用戶構(gòu)建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來(lái)。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件領(lǐng)域以產(chǎn)生，幾個(gè)虛擬儀器平臺(tái)已經(jīng)得到認(rèn)可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工具。發(fā)展到這一階段，人們也認(rèn)識(shí)到了虛擬儀器軟件框架才是數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)一起一樣，虛擬儀器同樣被劃分為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果表達(dá)3大功能模塊，如圖31所示。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測(cè)試能力結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了儀器的功能運(yùn)作。 圖31虛擬儀器功能模塊 虛擬儀器用各種圖表控件來(lái)虛擬傳統(tǒng)儀器面板上的各種器件。有各種開關(guān)圖表來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器電源的通斷；有各種按鈕圖標(biāo)來(lái)設(shè)置被測(cè)信號(hào)的“放大倍數(shù)”、“通道”等參數(shù)；由各種顯示控件以數(shù)值或波形的方式顯示測(cè)量或分析結(jié)果；由計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)和鍵盤操作來(lái)模擬傳感器面板上的時(shí)間操作；用圖形化的語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。 虛擬儀器由硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。下邊將從硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)介紹虛擬儀器的工作原理及具體構(gòu)成。 虛擬儀器的組成如圖32所示圖32虛擬儀器的組成 虛擬儀器的硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)和I/0接口設(shè)備組成，計(jì)算機(jī)是硬件平臺(tái)的核心，一般是工作站，也可用普通的PC。I/O接口設(shè)備負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、調(diào)整、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。常用的I/O接口設(shè)備有以下五種：（1） PCDAQ接口。 PCDAQ接口采用計(jì)算機(jī)本身的PCI總線或ISA總線，將數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），包括信號(hào)調(diào)整電路，插入計(jì)算機(jī)主板的空槽中即可。（2） GPIB接口。GPIB接口采用GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線連接儀器與計(jì)算機(jī)。（3） VXI接口。VXI接口采用VXI標(biāo)準(zhǔn)總線連接儀器與計(jì)算機(jī)。（4） PXI接口。PXI接口采用PXI標(biāo)準(zhǔn)總線連接儀器與計(jì)算機(jī)。（5） 串行接口。串行接口采用Serial標(biāo)準(zhǔn)總線連接儀器與計(jì)算機(jī)。以上5種接口中PCDAQ接口是最基本、最常用的接口方式。虛擬儀器軟件將可選硬件（如DAQ、GPIB、RS23VXI、PXI）和可以重復(fù)使用的源碼庫(kù)函數(shù)等軟件結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)，源碼庫(kù)函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。當(dāng)用戶的測(cè)試要求變化時(shí)，可以方便地由用戶自己來(lái)增減軟件模塊，以滿足現(xiàn)有系統(tǒng)的測(cè)試要求。虛擬儀器軟件包括應(yīng)用程序和I/O接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用程序又由實(shí)現(xiàn)虛擬儀器前面板功能的軟件程序和定義測(cè)試功能流程圖的軟件程序兩部分構(gòu)成。I/O接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定外部硬件設(shè)備的控制。G語(yǔ)言是一種圖形化的程序語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是框圖程序或流程圖。他盡可能利用技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖表和改變，因此，LabVIEW是一個(gè)面向終端用戶的工具。太及可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建工程系統(tǒng)的能力，又提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集的便捷途徑。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)功能時(shí)，可以大大提高工作效率。G語(yǔ)言是一種通過編程語(yǔ)言，具有同樣數(shù)據(jù)庫(kù)。他和常規(guī)的文本式編程語(yǔ)言一樣，定義了數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用等規(guī)則。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，并且還包括各種常用的程序調(diào)試工具，如支持?jǐn)帱c(diǎn)設(shè)置、單步調(diào)試、動(dòng)態(tài)顯示程序執(zhí)行流程、數(shù)據(jù)變化監(jiān)視等功能。G語(yǔ)言具有較好的模塊化性能。G語(yǔ)言編寫的程序被稱為VI，有交互式用戶接口、數(shù)據(jù)流程圖和圖標(biāo)連接端口構(gòu)成。一個(gè)VI既可以作為獨(dú)立程序，也可以作為其他程序的子程序。VI作為子程序是被稱為SubVI。VI和SubVI之間的參數(shù)傳遞由圖標(biāo) 連接端口來(lái)實(shí)現(xiàn)。獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器，例如示波器和波形發(fā)生器，性能強(qiáng)大，但是價(jià)格昂貴，且被廠家限定了功能，只能完成一件或幾件具體的工作，因此，用戶通常都不能夠?qū)ζ浼右詳U(kuò)展或自定義其功能。儀器的旋鈕和開關(guān)、內(nèi)置電路及用戶所能使用的功能對(duì)這臺(tái)儀器來(lái)說都是固定的。另外,開發(fā)這些儀器還必須要用專門的技術(shù)和高成本的元部件，從而使它們身價(jià)頗高且很不容易更新。我們不妨把虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器加以比較，看看各自的特點(diǎn)，比較結(jié)果如表3－1所示。表3－1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器關(guān)鍵是硬件關(guān)鍵是軟件開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用高開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用低技術(shù)更新周期長(zhǎng)技術(shù)更新周期短價(jià)格高價(jià)格低，并且可重用性與可配置性強(qiáng)廠商定義儀器功能用戶定義功能系統(tǒng)封閉、固定系統(tǒng)開放、靈活,與計(jì)算機(jī)的進(jìn)步同步不易與其他設(shè)備連接與其他設(shè)備極易相連從表3－1中可見,傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器最重要的區(qū)別在于：虛擬儀器的功能由用戶使用時(shí)自己定義，而傳統(tǒng)儀器的功能是由廠商事先定義好的。從這一意義上講，那些功能固定的插卡式計(jì)算機(jī)儀器不能稱作虛擬儀器。而且，沒有面向科技與工程人員的圖形化開發(fā)平臺(tái)就難以涉及虛擬儀器。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。 LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW (laboratory virtual instrument engineering wokbench——實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))的概念,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和儀器系統(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)化了而又更易于使用的基于圖形化編程語(yǔ)言G的開發(fā)環(huán)境。前面板是一個(gè)傳統(tǒng)的儀器概念,而軟件前面板其實(shí)是自動(dòng)化的拓展,因?yàn)樗鼈儽３至藗鹘y(tǒng)直觀的視覺和感覺效果。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,并且,不像硬件前面板,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),用戶能夠很容易地從一個(gè)單一前面板控制多臺(tái),并把整個(gè)系統(tǒng)作為一臺(tái)虛擬儀器來(lái)看待。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,采用前面板、流程圖、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),用戶還能夠重用虛擬儀器,可以隨時(shí)改變虛擬儀器來(lái)滿足自己的需要。LabVIEW集成了很多儀器硬件庫(kù),如GPIB/VXI/PXI/基于計(jì)算機(jī)的儀器、RS232/485協(xié)議、插入式數(shù)據(jù)采集、模擬/數(shù)字/計(jì)數(shù)器Ｉ/Ｏ、信號(hào)調(diào)理、分布式數(shù)據(jù)采集、圖像獲取和機(jī)器視覺、運(yùn)動(dòng)控制、PLC/數(shù)據(jù)日志等。與傳統(tǒng)的編程方式相比,使用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器,可以提高效率4～10倍。同時(shí),利用其模塊化和遞歸方式,用戶可以在很短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建、設(shè)計(jì)和更改自己的虛擬儀器系統(tǒng)。 LabVIEW應(yīng)用程序構(gòu)成所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器（VI），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標(biāo)/連結(jié)器(icon/connector)三部分。前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對(duì)象（indicator）。圖33所示是一個(gè)虛擬示波器的前面板。顯然，并非簡(jiǎn)單地畫兩個(gè)控件就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之配套的流程圖。 圖33虛擬示波器的前面板流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對(duì)VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。圖33是與圖34對(duì)應(yīng)的流程圖。 圖34程序框圖如果將VI與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無(wú)幾。VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè)VI可以作為子程序，這里稱為子VI（subVI），被其他VI調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。 用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器的步驟LabVIEW編程一般要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟。 （1）總體設(shè)計(jì)：根據(jù)用戶需求，進(jìn)行VI總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定面板布局與程序流程，并保證所使用的虛擬儀器硬件在LabVIEW函數(shù)庫(kù)中有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。（2）前面板設(shè)計(jì)：在LabVIEW的前面板編輯窗口內(nèi)，利用工具模板和控件模板進(jìn)行VI前面板的設(shè)計(jì)。（3）方框圖編程：在LabVIEW的方框圖編輯窗口內(nèi)，利用工具模板和函數(shù)模板進(jìn)行方框圖編程。（4）程序調(diào)試：?jiǎn)螕羟懊姘寰庉嫶翱诨蚍娇驁D編輯窗口工具條中的運(yùn)行按鈕，執(zhí)行VI程序；同時(shí)可利用LabVIEW工具模板中的斷點(diǎn)工具和探針工具調(diào)試縮編程序。 虛擬儀器技術(shù)經(jīng)