【文章內(nèi)容簡介】 迎 電子技術(shù)的飛速發(fā)展及助于 PC 機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立圖形化的“虛擬的”儀器面板，完成對儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示。這種與 PC機結(jié)合構(gòu)成的，包含實際儀器使用與操作信息軟件的儀器， 稱為“虛擬儀器”。 1986 年，美國 NI 公司功能強大的應(yīng)用軟件，低成本的硬件，它們在一起共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。 VXI 體積將會更小，甚至可以移植到被測試的設(shè)備或者電路中去，并且具有自我診斷，自我校準(zhǔn)和自我感知的能力。 1986 年 10 月，美國 NI 公司推出了圖形化虛擬儀器專用開發(fā)平臺 LabVIEW,它采用了獨特的圖形化編程方式，編程過程簡單方便，是目前最受歡迎的虛擬儀器主流開發(fā)平臺。在軟件上，為了兼顧其它高級語言開發(fā)者的習(xí)慣， NI 還推出了 LabWindows\ 等交互式開發(fā)平 臺。 所謂虛擬儀器測試功能。 虛擬儀器是基于計算機的及操作系統(tǒng)為依托，實現(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”二字主要包含兩方面的含義： 第一，虛擬儀器的面板是虛擬的： 虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的。如由各種開關(guān)，按鍵，顯示器等實驗儀器電源的通，斷；被測信號“輸入通道”，“放大倍數(shù)”等參數(shù)設(shè)置；測量結(jié)果的“數(shù)值顯示”，“波形顯示”瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 等。 第二，虛擬儀器測量功能是由軟件編程來實現(xiàn)的： 在以 PC 機為核心組成的 硬件實現(xiàn)了測試技術(shù)與計算機技術(shù)深層次的結(jié)合。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的不同 虛擬儀器由用戶定義，而傳統(tǒng)儀器則功能固定且由廠商定義。每一個虛擬儀器系統(tǒng)都由兩部分組成 —— 軟件和硬件。對于當(dāng)前的測量任務(wù)，虛擬儀器系統(tǒng)的價格與具有相似功能的傳統(tǒng)儀器相差無幾，甚至比它少很多倍。而且，由于虛擬儀器在測量任務(wù)需要改變時具有更大的靈活性，因而隨著時間的流逝，節(jié)省的成本也不斷累計。 不使用廠商定義的、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，利用虛擬儀器計數(shù)，工程師和科學(xué)家們還可以使用高效且功能強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、共享和顯示功能。 這里有一些體現(xiàn)虛擬儀器靈活性的例子： (1) 一個應(yīng)用，不同的設(shè)備 在這個例子中， 一位工程師正在實驗室的臺式計算機 PCI 總線上使用 NI LabVIEW 和 M 系列 DAQ 設(shè)備開發(fā)一個應(yīng)用程序，以創(chuàng)建一個直流（ 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?，他可能需要應(yīng)用程序具有便攜性，所以他選擇了 NI USB DAQ 產(chǎn)品來完成任務(wù)。在這個例子中，無論是何種選擇，在這三種情況下，他都可以僅在同一個程序中使用虛擬儀器而無需改變代碼。 (2) 許多應(yīng)用程序，一個設(shè)備 假設(shè)有另外一個工程師，剛剛完成了一個利用最新的 M 系列 DAQ 設(shè)備和積分編碼器測量電機位置的項目。他的下一個項目是監(jiān)視和記錄這個電機的功率。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，項目既可以與一個單瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 一的應(yīng)用程序結(jié)合也可以運行在一個單一的 M 系列 DAQ 設(shè)備。 虛擬儀器的組成 虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺（簡稱硬件平臺）和應(yīng)用軟件兩大部分組成。 虛擬儀器的硬件平臺 構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺有兩大部分： ：一般為一臺 PC 機或者工作站，它是硬件平臺的核心。虛擬儀器使用的個人計算機中，微處理器和總線成為最重要的因素。 其中，微處理器和其它控制系統(tǒng)中，總線技術(shù)的發(fā)展和采集結(jié)合在一起。 ＼Ｏ接口設(shè)備：主要完成被測信號的采 集，放大，模＼數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)＼模轉(zhuǎn)換和信號輸出控制等?？筛鶕?jù)不同的總線情況采用不同的Ｉ＼Ｏ接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ）， GPIB 總線儀器， VXI 總線儀器模塊，串口儀器等，虛擬儀器構(gòu)成方式有五種類型 — DAQ 系統(tǒng)：以數(shù)據(jù)采集板，信號調(diào)理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。采用計算機本身的總線 PCI 或 ISA，故將數(shù)據(jù)采集卡版（ DAQ）插入計算機空槽中即可。 PC— DAQ\PCI 插片式虛擬屏蔽，散熱條件差等。但 PC— DAQ\PCI 插卡式虛擬儀器在五種虛擬儀器系統(tǒng)中，是虛擬儀器最廉價最基 本的構(gòu)成形式。 系統(tǒng)：以 GPIB 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 GPIB 總線虛擬儀器測一個 GPIB 總線虛擬儀器測試系統(tǒng)，也可以作為獨立的單臺儀器使用。 系統(tǒng)：以 VXI 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 VXI 總線系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，系列化，模塊化的的顯著優(yōu)點，它集測量，計算，通信功能于一體，是國際上 20 世紀的一項高新科技。它不僅繼承了GPIB 智能儀器和ＶＭＩ總線的特點，還具有高速，模塊化，易于使用等優(yōu)勢。VXI 總線系統(tǒng)可簡化為 資源管理器和組態(tài)寄存器兩種結(jié)構(gòu)。 瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 系統(tǒng)：以 PXI 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計算機為儀器儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 PXI 的重要特性之一是維用的基本功能而不是完整的 PXI 特性。 ：以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 RS— 232 總線是早期總線，尤其是 IEEE1394 總線，它是一種高速串行總線，由它構(gòu)建的虛擬儀器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸速度已經(jīng)達到 100mb/s. 無論上述哪種 VI 系統(tǒng)，都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計算機相結(jié)合。其中， PC— DAQ 測量系統(tǒng)是 構(gòu)成 VI 的最基本的方式，也是最廉價的方式。 虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 虛擬儀器軟件由兩大部分組成，即應(yīng)用程序和 I/O 接口儀器驅(qū)動程序。 （它包含兩個方面的程序） ； 。 ：這類程序用來完成特定外部硬件設(shè)備的擴展，驅(qū)動與通信。 輸入 /輸出（ I/O） 接口軟件軟件中心。在 VPP 系統(tǒng)規(guī)范中，詳細規(guī)定了虛擬儀器系統(tǒng)輸入 /輸出（ I/O）接口軟件定義為 VISA 軟件。 儀器驅(qū)動程序是連接上層應(yīng)用軟件與 底層輸入 /輸出（ I/O）軟件的紐帶和橋梁。 在過去，用戶只能見到儀器源程序也容易理解。這樣，用戶就可以修改儀器驅(qū)動程序，可以對儀器功能進行擴展，將儀器使用的主動權(quán)真正交給了用戶。 開發(fā)虛擬儀器，必須有合適的軟件開發(fā)平臺，目前已經(jīng)有多種虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺，大體可分為兩類： ： al Basic,Labwindows/CVI 等 ： LabVIEW ,HPVEE 等 這些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。 瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 14 虛擬儀 器的分類 虛擬儀器可以按接口總線可分為 數(shù)據(jù)采集插卡式 (DAQ)虛擬儀器、 RS232／RS422 虛擬儀器、并行接口虛擬儀器、 VXI 虛擬儀器、 PXI 虛擬儀器、 USB 虛擬儀器、 GPm 虛擬儀器和最新的 IEEEl394 接口虛擬儀器 。 虛擬儀器的功能及特點 虛擬儀器的功能 虛擬儀器的基本功能主要由以下三點： 這項功能主要是由虛擬儀器總線接口的儀器，如 GPIB， VXI， PXI， STD， PCI總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。 虛擬儀器充分利用了計算， 統(tǒng)計處理，數(shù)值計算，信號分析，數(shù)據(jù)壓縮，模式識別等數(shù)字信號處理。 虛擬儀器最常見的應(yīng)用是取代傳統(tǒng)的臺式儀器。隨著插入式數(shù)據(jù)采集板速率的提高和觸發(fā)技術(shù)的改進，插入式數(shù)據(jù)采集板技術(shù)使臺式儀器獲得了新生。 虛擬儀器的特點 虛擬儀器技術(shù)就是基于 PC 技術(shù)的，用戶自定義的測試和測量解決方案，其四大優(yōu)勢在于：性能強性價比高，擴展性強，開發(fā)時間短，以及出色的集成功能。 以軟件為主的測量系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換器放置在 PC 機中，就能以高達每秒 100mb的速度將數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁 盤。 另外，由于傳送的信號大多是數(shù)字信號，數(shù)據(jù)的處理幾乎是軟件實現(xiàn)的，從而大大降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響。 瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 15 虛擬儀器的硬軟件具有開入一個通用儀器模塊或更換一個儀器模塊，而不必購買一個全新的系統(tǒng)，大大有利于測試系統(tǒng)的功能擴展。 虛擬儀器改變了傳統(tǒng)儀器的功能，故虛擬儀器可作為許多儀器設(shè)備來使用。 在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上地配置，創(chuàng)建，部署和維護高性能，低成本的測量和控制解決方案。 另外，由于充分利用，完善了數(shù)據(jù)的傳輸，交換等性能，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活和簡單，增強了數(shù)據(jù)處理能力 。 虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷的趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，但是這些不同設(shè)備間的連接和集成總需要耗費大量的時間，并不是輕易可以完成的。虛擬儀器軟件平臺為大部分 I/O 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，例如數(shù)據(jù)采集，視覺，分布式 I/O 等等，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。 虛擬儀器開發(fā)工具簡介 虛擬儀器開發(fā)工具 軟件在現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)構(gòu)成與開發(fā)費用中所占的比例越來越大， 測試軟件編程對廣大測試工程師和科學(xué)家編程能力的要求越來越高，帶來的負擔(dān)也越來越重。使用一套效率高，功能強的測試編程軟件開發(fā)工具，不斷可以節(jié)省工程師在程序編碼和調(diào)試中的時間和精力，還可以提高軟件的生成和維護效益。虛擬儀器的開發(fā)工具比較廣泛，目前比較流行的軟件開發(fā)技術(shù)是面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)和圖形編程技術(shù)，兩者在虛擬儀器開發(fā)中都有應(yīng)用?？梢暬幊陶Z言VisualC++,Visual Basic 均可以作為開發(fā)虛擬儀器的配套軟件，但相比較于圖形編程語言來說，編程難度較大，開發(fā)周期較長且不易進行修改，升級和維護等 。而圖 形編程語言在這方面具有無可比擬的優(yōu)勢，它簡單易學(xué)開發(fā)周期短，開發(fā)出的應(yīng)用程序界面美觀，功能強大。目前，最具有代表性的是美國 NI 公司的瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 16 LabWindows/CVI， LabView 和惠普公司的 HP VEE。 LabWindows/CVI 是一個完全的標(biāo)準(zhǔn) C 的開發(fā)環(huán)境，用于開發(fā)虛擬儀器應(yīng)用系統(tǒng)，它以 C 語言為基礎(chǔ)，提供內(nèi)置式函數(shù)庫用于數(shù)據(jù)采集，分析和顯示任務(wù)，它還提供簡單的托放式用戶界面編輯器以及自動代碼生成工具。利用這些功能，可以在將代碼加入到某項目之前，先對其進行互動式的測試，還可以利用LabWindows/CVI 定義和建立用戶界面，生成和運行 ActiveX 組件，及開發(fā)多線程應(yīng)用。作為交互式的集成開發(fā)環(huán)境， LabWindows/CVI 是熟悉 C 語言的開發(fā)人員編寫檢測，數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控程序的理想工具。 HP— VEE是惠普公司開發(fā)的用于儀器控制和信號分析的圖形化編程環(huán)境。 HP— VEE提供了豐富的函數(shù)模塊以及大量的儀器驅(qū)動程序。 HP— VEE簡單易用，編程時只需根據(jù)測試流程用鼠標(biāo)將各模塊連接起來即可，而無需接觸更底層的編程。在儀器控制方面 ， HPVEE提供了直觀的儀器軟面板 (Instrument Panel)和靈活的直接輸入 輸出 (Direct I／ O)方式，從而用戶在編程時可以將更多注意力放在測量的定義、程序的結(jié)構(gòu)、儀器的使用等方面。作為一種面向?qū)嶋H測試人員的、靈活方便、功能強大的編程環(huán)境， HPVEE己被廣泛用于各種測試領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景 。 LabView是美國 NI公司的創(chuàng)新產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣，發(fā)展最快，功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境 。 LabVIEW的產(chǎn)生來源于 NI公司的創(chuàng)始人杰姆特魯查德博士的一個創(chuàng)新設(shè)想能否像為財務(wù)人員設(shè)計的電子表格軟件一樣，為廣大測試工程師和科學(xué)家開發(fā)一個基于數(shù)據(jù)流圖來設(shè)計程序的軟件工具 。 20世紀 80年代中期，特魯查德博士領(lǐng)導(dǎo)的一個小組經(jīng)過幾年研究，首先提出測試軟件有多層虛擬儀器 (Virtual Instrument，Ⅵ )構(gòu)成的新概念。二個Ⅵ可以由更底層的多個Ⅵ組成，就像真實儀器由印制電路板組成，而印制電路板又由集成電路 Ic組成一樣。底層Ⅵ代表了最基本的計算、 I／ O操作與界面設(shè)計功能，各層Ⅵ都有相同的結(jié)構(gòu)形式。虛擬儀器模型的另一個主要特征是每個Ⅵ都有用戶接口組件。虛擬儀器模型：圖形界面和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流程圖編程是 LabVIEW的三大核心技術(shù) 1181，1990年結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流程圖和虛擬儀器面板還獲 得了兩項美國專利。 LabVIEW本身是一個功能比較完善的軟件開發(fā)環(huán)境，它是作為替代常規(guī)的 BASIC或 C語言來設(shè)計的，并不僅僅是一個軟件開發(fā)環(huán)境。作為編寫應(yīng)用程序的語言，除了編程方式不同外， LabVIEW具備編程語言的所有特性，因此被稱為圖形化編程語言，亦稱 G瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 17 語言 t19。 LabView采用圖形化語言編程，以方框圖的形式編制程序，應(yīng)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，這使得編程過程和思維過程極為相似。 LabView提供了大量函數(shù)和子程序支持的任務(wù)，也提供了一些專用程序如 GPIB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。 LabView還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點，動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)傳輸過程，以便進行方便的調(diào)試。同時，Ｌ abView可調(diào)用 Windows動態(tài)鏈接庫和用戶自定義的動態(tài)連接庫中的函數(shù)，以解決 LabView對某些非 NI公司支持的硬件在使用過程中的驅(qū)動問題 。 LabVIEW的 CIN節(jié)點使用戶可以使用由其它語言編譯的程序模塊，使 LabVIEW成為一個完全開放式的開發(fā)平臺。此外， LabVIEW還直接支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換 (DDE)、結(jié)構(gòu)化查詢語言 (SQL)、 TCP和 UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等 。 labview 的主要功能 Ｌ abView 是虛擬儀器必不可缺的一部分，因為它為用戶提供了一個簡單易用的程序開發(fā)環(huán)境，并且特別考慮了工程師和科學(xué)家的需要而專門設(shè)計。ＬabView 為工程師和科學(xué)家們提供的最有力的特性就是圖形化的編程環(huán)境，你可以在電腦屏幕上創(chuàng)建一個圖形化的用戶界面，即可設(shè)計出完全符合自己的要求的虛擬儀器，可以輕松完成以下任務(wù)：數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)分析；數(shù)據(jù)顯示。 1. Ｌ abView 用于數(shù)據(jù)采集 憑借 NI LabView,可以從數(shù)千種儀器， 數(shù)據(jù)采集和測量設(shè)備上快速采集數(shù)據(jù)。NI LabView 是一個開放式的開發(fā)環(huán)境，專為簡化與各種測量硬件連接而設(shè)計。借助 NI LabView 的一些交互式