【文章內(nèi)容簡介】 有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認的權威。虛擬儀器從概念的提出到目前技術的日趨成熟，體現(xiàn)了計算機技術對傳統(tǒng)工業(yè)的革命。大致說來，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個階段，而這三個階段又可以說是同步進行的。 第一階段，利用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能。由于GPIB總線標準的確立，計算機和外界通信成為可能，只需要把傳統(tǒng)儀器通過GPIB和RS232同計算機連接起來，用戶就可以用計算機控制儀器。隨著計算機系統(tǒng)性能價格比的不斷上升，用計算機控制測控儀器成為一種趨勢。這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線前進。 第二階段，開放式的儀器構成。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術進步：一是插入式計算機數(shù)據(jù)處理卡 ( plugin PCDAQ )；二是VXI儀器總線標準的確立。這些新的技術使儀器的構成得以開放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶定義和供應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同和采用。軟件領域面向?qū)ο蠹夹g把任何用戶構建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來。許多行業(yè)標準在硬件和軟件領域以產(chǎn)生，幾個虛擬儀器平臺已經(jīng)得到認可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標準工具。發(fā)展到這一階段，人們也認識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)實現(xiàn)自動化的關鍵。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、結果表達3大功能模塊，如圖31所示。虛擬儀器以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測試能力結合起來，實現(xiàn)了儀器的功能運作。 圖31虛擬儀器功能模塊 虛擬儀器用各種圖表控件來虛擬傳統(tǒng)儀器面板上的各種器件。有各種開關圖表來實現(xiàn)儀器電源的通斷；有各種按鈕圖標來設置被測信號的“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量或分析結果；由計算機的鼠標和鍵盤操作來模擬傳感器面板上的時間操作；用圖形化的語言編程，實現(xiàn)各種信號的測量和數(shù)據(jù)分析。 虛擬儀器由硬件平臺和應用軟件兩大部分構成。下邊將從硬件和軟件兩個方面來介紹虛擬儀器的工作原理及具體構成。 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由計算機和I/0接口設備組成，計算機是硬件平臺的核心，一般是工作站，也可用普通的PC。I/O接口設備負責信號的采集、調(diào)整、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。常用的I/O接口設備有以下五種：（1） PCDAQ接口。 PCDAQ接口采用計算機本身的PCI總線或ISA總線，將數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），包括信號調(diào)整電路，插入計算機主板的空槽中即可。（2） GPIB接口。GPIB接口采用GPIB標準總線連接儀器與計算機。（3） VXI接口。VXI接口采用VXI標準總線連接儀器與計算機。（4） PXI接口。PXI接口采用PXI標準總線連接儀器與計算機。（5） 串行接口。串行接口采用Serial標準總線連接儀器與計算機。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）和可以重復使用的源碼庫函數(shù)等軟件結合起來，實現(xiàn)模塊間的通信、定時與觸發(fā)，源碼庫函數(shù)為用戶構造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。當用戶的測試要求變化時，可以方便地由用戶自己來增減軟件模塊，以滿足現(xiàn)有系統(tǒng)的測試要求。虛擬儀器軟件包括應用程序和I/O接口設備驅(qū)動程序。應用程序又由實現(xiàn)虛擬儀器前面板功能的軟件程序和定義測試功能流程圖的軟件程序兩部分構成。I/O接口設備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對特定外部硬件設備的控制。G語言是一種圖形化的程序語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是框圖程序或流程圖。他盡可能利用技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖表和改變，因此，LabVIEW是一個面向終端用戶的工具。太及可以增強用戶構建工程系統(tǒng)的能力，又提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)功能時，可以大大提高工作效率。G語言是一種通過編程語言，具有同樣數(shù)據(jù)庫。他和常規(guī)的文本式編程語言一樣，定義了數(shù)據(jù)類型、結構類型和模塊調(diào)用等規(guī)則。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32位編譯器，并且還包括各種常用的程序調(diào)試工具，如支持斷點設置、單步調(diào)試、動態(tài)顯示程序執(zhí)行流程、數(shù)據(jù)變化監(jiān)視等功能。G語言具有較好的模塊化性能。G語言編寫的程序被稱為VI，有交互式用戶接口、數(shù)據(jù)流程圖和圖標連接端口構成。一個VI既可以作為獨立程序，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 連接端口來實現(xiàn)。獨立的傳統(tǒng)儀器，例如示波器和波形發(fā)生器，性能強大，但是價格昂貴，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展或自定義其功能。儀器的旋鈕和開關、內(nèi)置電路及用戶所能使用的功能對這臺儀器來說都是固定的。另外,開發(fā)這些儀器還必須要用專門的技術和高成本的元部件，從而使它們身價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，比較結果如表3－1所示。表3－1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器關鍵是硬件關鍵是軟件開發(fā)與維護的費用高開發(fā)與維護的費用低技術更新周期長技術更新周期短價格高價格低，并且可重用性與可配置性強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,與計算機的進步同步不易與其他設備連接與其他設備極易相連從表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算機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)平臺就難以涉及虛擬儀器。普通的PC有一些不可避免的弱點。用它構建的虛擬儀器或計算機測試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計算機化儀器的一個重要發(fā)展方向是制定了VXI標準，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個插卡，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算機屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標準的VXI機箱，再與計算機相連，就組成了一個測試系統(tǒng)。VXI儀器價格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的PXI標準儀器。 LabVIEW簡介LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering wokbench——實驗室虛擬儀器工程平臺)的概念,是直觀的前面板與流程圖式的編程方法的結合,是構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, 是簡化了而又更易于使用的基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境。前面板是一個傳統(tǒng)的儀器概念,而軟件前面板其實是自動化的拓展,因為它們保持了傳統(tǒng)直觀的視覺和感覺效果。同時,軟件前面板創(chuàng)建了一個真正的接口,無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于一個應用場合很重要的參數(shù),用戶能夠很容易地從一個單一前面板控制多臺,并把整個系統(tǒng)作為一臺虛擬儀器來看待。流程圖式的程序設計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)程序設計語言的語法細節(jié)無關,構建和測試程序就可以少費時間。使用流程圖方法可以實現(xiàn)內(nèi)部的自我復制,采用前面板、流程圖、圖標等,用戶就對整個系統(tǒng)實現(xiàn)圖形化描述,同時,用戶還能夠重用虛擬儀器,可以隨時改變虛擬儀器來滿足自己的需要。LabVIEW集成了很多儀器硬件庫,如GPIB/VXI/PXI/基于計算機的儀器、RS232/485協(xié)議、插入式數(shù)據(jù)采集、模擬/數(shù)字/計數(shù)器Ｉ/Ｏ、信號調(diào)理、分布式數(shù)據(jù)采集、圖像獲取和機器視覺、運動控制、PLC/數(shù)據(jù)日志等。與傳統(tǒng)的編程方式相比,使用LabVIEW設計虛擬儀器,可以提高效率4～10倍。同時,利用其模塊化和遞歸方式,用戶可以在很短的時間內(nèi)構建、設計和更改自己的虛擬儀器系統(tǒng)。 LabVIEW應用程序構成所有的LabVIEW應用程序，即虛擬儀器（VI），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標/連結器(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象，具體表現(xiàn)有開關、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對象（indicator）。圖33所示是一個虛擬示波器的前面板。顯然，并非簡單地畫兩個控件就可以運行，在前面板后還有一個與之配套的流程圖。 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)、結構和連線等。圖33是與圖34對應的流程圖。 圖34程序框圖如果將VI與標準儀器相比較，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于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標準儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標準儀器面板，而且其功能也與標準儀器相差無幾。VI具有層次化和結構化的特征。一個VI可以作為子程序，這里稱為子VI（subVI），被其他VI調(diào)用。圖標與連接器在這里相當于圖形化的參數(shù)。 用LabVIEW設計虛擬儀器的步驟LabVIEW編程一般要經(jīng)過以下幾個步驟。 （1）總體設計：根據(jù)用戶需求，進行VI總體結構設計，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)庫中有相應的驅(qū)動程序。（2）前面板設計：在LabVIEW的前面板編輯窗口內(nèi)，利用工具模板和控件模板進行VI前面板的設計。（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)模板進行方框圖編程。（4）程序調(diào)試：單擊前面板編輯窗口或方框圖編輯窗口工具條中的運行按鈕，執(zhí)行VI程序；同時可利用LabVIEW工具模板中的斷點工具和探針工具調(diào)試縮編程序。 虛擬儀器技術經(jīng)