【文章內容簡介】 、網絡技術的高度發(fā)展及其在電子測量技術與儀器上的應用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領域以及新的儀器結構不斷出現(xiàn)，在許多方面已經突破的傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用已經發(fā)生了質的變化。在這種背景下，八十年代末美國率先研制成功虛擬儀器（ Virtual Instrument，簡稱 VI） 。虛擬儀器技術是當今計算機輔助測試領域的一項重要技術，它推動著傳統(tǒng)儀器朝著數 字化、智能化、模塊化、網絡化的方向發(fā)展。虛擬儀器，它是現(xiàn)代計算機技術、通信技術和測量技術相結合的產物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是未來儀器產業(yè)發(fā)展的一個重要方向。 虛擬儀器的概念 [7]，是美國國家儀器公司 （ National Instruments Corp 以下簡 NI公司 ） 于 1986 年提出的。 NI 公司同時也提出了“軟件即儀器”的概念，打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無法改變的局面。隨著現(xiàn)代軟件和硬件技術的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化已經成為研究的方向。虛擬儀器，它既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于 其他傳統(tǒng)儀器，它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計算機的先進技術，使儀器的測試和測量及自動化工業(yè)系統(tǒng)的測試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。 虛擬儀器的概念 虛擬儀器是指通過應用程序將計算機、軟件的功能模塊和儀器硬件結合起來，用戶可以通過友好的圖形界面 （ 通常叫做虛擬前面板，簡稱前面板 ） 來操作這臺計算機就像在操作自己定義、自己設計的一臺個人儀器一樣，從而完成對被測信號的采集、分析、判斷、顯示、數據存儲等。虛擬儀器通過軟件對數據的分析處理、表內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 達以及圖形化用戶接口，把計算機資源 （ 如微處理器、顯示器等 ） 和儀器硬件 （ 如A/D、 D/A、 數字 I/O、定時器、信號調理等 ） 的測量能力、控制能力結合在一起。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，而使用者是在操作具有測試軟件的電子計算機進行測量。 虛擬儀器技術的實質 [8]是充分利用最新的計算機技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關鍵，當基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。用戶可以根據自己的需要，設計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應用要求。利用計算機豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數據的分析、處理、表達、傳遞、儲存等方面的限制，達到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。 虛擬儀器的構成 虛擬儀器從構成 [8]要素上講，由計算機、應用軟件和儀器硬件等構成；從構成方式上講，則由以 DAQ 板 卡 和信號調理為儀器硬件而組成的 PCDAQ 測試系統(tǒng)，或以 GPIB， VXI， Serial 和 Field bus 等標準總線儀器為硬件組成的 GPIB 系統(tǒng)、 VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)等多種形式。虛擬儀器的構成如圖 所示。 顯 示 器信 號 分 析 及 處 理數 據 發(fā)生 器A / D 轉換 器D / A 轉換 器信 號 調理 器信 號 調理 器信 號 調理 器各 類 接 口人 機 接 口信 號 輸 入 信 號 輸 出 圖 虛擬儀器的構成 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 目前，虛擬儀器的構成方式有以下幾種： （ 1） PCDAQ 插卡式的 VI 這種方式用數據采集卡 配以計算機平臺和虛擬儀器軟件，便可構成各種數據采集和虛擬儀器系統(tǒng)。它充分利用了計算機的總線、機箱、電源以及軟件的便利，其關鍵在于 A/D 轉換技術。這種方式受 PC 機機箱、總線限制，存在電源功率不足，機箱內噪聲電平較高、無屏蔽，插槽數目不多、尺寸較小等缺點。但因插卡式儀器價格便宜，因此其用途廣泛，特別適合于工業(yè)測控現(xiàn)場、各種實驗室和教學部門使用。 （ 2）并行口式的 VI 最新發(fā)展的可連接到計算機并行口的測試裝置，其硬件集成在一個采集盒里或探頭上，軟件裝在計算機上，可以完成各種 VI 功能。它的最大好處是可以與筆記本計算 機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式 PC 相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。 （ 3） GPIB 總線方式的 VI GPIB(General Purpose Interface Bus)技術是 IEEE488標準的 VI早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量由獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展。典型的GPIB 系統(tǒng)由一臺 PC 機，一塊 GPIB 接口卡和若干臺 GP1B 儀器通過 GPIB 電纜連接而成。在標準情況下，一塊 GPIB 接口卡可帶多達 14 臺的儀器，電纜長度可達20m。 GPIB 測試系統(tǒng)的結構和命令簡單，造價較低，主要市場在臺 式儀器市場。適用于精確度要求高，但對計算機速率要求和總線控制實時性要求不高的場合應用。 （ 4） VXI 總線方式的 VI VXI 總線是 VMEbus eXtension for Instrumentation 的縮寫，是高速計算機總線VME 在 VI 領域的擴展，有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的 RFI/EMI 屏蔽。內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 由于它的標準開放，且具有結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，得到了廣泛的應用。經過多年的發(fā)展， VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢，適用于組 建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合，但 VXI 總線要求有專用機箱、零槽管理器及嵌入式控制器造價比較高。 （ 5） PXI 總線方式的 VI PXI 總線是 PCI eXtension for Instrumentation 的縮寫，是 PCI 在 VI 領域的擴展。這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在 PCI總線內核技術上增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的，具有多板同步觸發(fā)、精確定時的星形觸發(fā)、相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴展性等優(yōu)點，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。 （ 6）網絡接口方式的 VI 盡管 Inter 技術最 初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設備連接在一起，不過 NI 等公司己經開發(fā)了通過 Web 瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設備的產品，使人們可以通過 Inter 操作儀器設備。根據虛擬儀器的特性，能夠方便的將虛擬儀器組成計算機網絡，利用網絡技術將分散在不同地理位置不同功能的設備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網絡上得以共享，減少了設備重復投資。現(xiàn)在，有關MCN(Measurement and Control Networks)方面的標準正在積極進行，并取得了一定進展。由此可見，網絡化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景。 （ 7） USB 接口方式的 VI Universal Serial Bus(USB)因為其在 PC 機上的廣泛使用、即插即用的易用性和 高達 480Mbits/s 的傳輸速率，逐漸的成為儀器控制的主流總線技術。 USB接口被廣泛應用，也使得工程師可以很方便的將基于 USB 的測量儀器連接到整個系統(tǒng)中。但是 USB 在儀器控制方面亦有一些缺點，比如 USB 的傳輸線沒有工業(yè)標準內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，可能造成數據的丟失；此外， USB 對傳輸線的距離也有一定的限制。 無論哪種 VI 系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺式微機或工作站 等各種計算機平臺加上應用軟件而構成的。 由于 USB 的接口方式比較簡單，通用性強，具有熱插拔、即插即用、傳輸速度快等特點，因而采用 接口。 虛擬儀器的特點 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的特點在于： （ 1） 打破了傳統(tǒng)儀器的“萬能”功能概念，將信號的分析、顯示、存儲、打印和其它管理集中交由計算機來處理，充分利用計算機技術，完善了數據的傳輸、交換等性能，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡單。 （ 2） 強調“軟件就是儀器”的新概念，軟件在儀器中充當了以往由硬件甚至整機實現(xiàn)的角色，減少了許多隨時間可能漂移、需要定 期校準的分立式模擬硬件，加上標準化總線的使用，使系統(tǒng)的測量精度、測量速度和可重復性都大大提高。 （ 3）儀器由用戶自己定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過軟件修改、增減，可方便地同外設、網絡及其它應用設備連接。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式。 （ 4）鑒于虛擬儀器的開放性和功能軟件的模塊化，用戶可以將儀器的設計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標準，使資源的可重復利用率提高，系統(tǒng)組建時間縮短，功能易于擴展，管理規(guī)范，維護和開發(fā)的費用降低。虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴大虛擬儀器的功能，在測量結果 的數據處理、表達模式及其變換方面發(fā)布了各種軟件，建立了數據處理的高級分析庫和開發(fā)工具庫 （ 例如測量結果的譜分析、快速傅立葉內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 變換、各種數字濾波器、卷積處理和相關函數處理、微積分、峰值和波形發(fā)生、噪聲發(fā)生、回歸分析、數值運算、時域和頻域分析等 ） ，使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復雜自動測試系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。 下表是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較。 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 軟件使得開發(fā)與維護費用低 開發(fā)與維護費用高 關鍵是軟件 關鍵是硬件 價格低，可重復用，可重配置性強 價格昂貴 用戶定義儀器功能 廠商定義儀器功能 技術更新周期短（ 1~2 年） 技術更新周期長（ 5~10 年） 開放，靈活， 與計算機同步發(fā)展 封閉，固定 與網絡及外設互聯(lián)方便 功能固定，互聯(lián)有限 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 LabVIEW 虛擬儀器開發(fā)軟件的比較選擇 在給定計算機必要的儀器硬件之后，構成和使用虛擬儀器的關鍵在于軟件。軟件為用戶提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。正確選擇軟件對程序開發(fā)和設計起著非常重要的作用。 對于虛擬儀器應用軟件的編寫，大致可分為兩種方式。 （ 1） 通用編 程軟件進行編寫。主要有 Microsoft公司的 Visual Basic與 VisualC++，Borland 公司的 Delphi， Sybase 公司的 PowerBuilder。 （ 2） 用專業(yè)圖形化編程軟件進行開發(fā)。如 HP 公司的 HPVEE 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） Nl 公司的 LabVIEW 和 LabWindows/CVI 等。 在虛擬儀器系統(tǒng)的設計中必須考慮以下因素：開發(fā)成本低、執(zhí)行效率佳、程序彈性大、易于擴展。 LabVIEW 是一個功能比較完整的軟件開發(fā)環(huán)境，但它是為代替常規(guī)的 BASIC和 C 語言而設計的，它具有圖形化編程語言 （ 簡稱 G 語言 Graph Language） 的特點，即用方框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。 G 語言是一種適合應用于任何編程任務，具有擴展函數庫的通用編程環(huán)境。和 BASIC 及 C 語言一樣， G 語言也定義了數據類型、結構類型和模塊調用語法規(guī)則等編程語言的基本要素，同時 G 語言豐富的擴展函數庫還為用戶編程提供極大的方便。 G 語言與傳統(tǒng)高級編程語言最大的差別在于編程方式一般高級語言采用文本編程，而 G 語言采用圖形化編程語言。 G 語言是LabV1EW 的核心，熟練掌握 G 語言的編程要素和語法規(guī)則，是開發(fā) LabVIEW 應用程序的最重要的基礎。 LabVIEW 是 帶有可以產生最佳編碼的編譯器的圖形化開發(fā)環(huán)境 ， 運行速度等同于編好的 C 或 C++程序。 LabVIEW 具有模塊化特性，有利于程序的可重用性。LabVIEW 將軟件的界面設計與功能設計獨立開來，修改人機界面無需對整個程序進行調整， LabVIEW 是利用數據流框圖接收指令，使程序簡單明了 ， 充分發(fā)揮了 G語言的優(yōu)點，這就大大簡短了虛擬儀器的開發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復雜過程。而通用的編程軟件需利用組件技術實現(xiàn)軟面板的設計，這使程序設計變得非常麻煩。因此相比之下，本論文選擇使用 G 語言的圖形化編程軟件 LabVIEW。 LabVIEW 簡介 LabVIEW 是實驗室虛擬儀器工程平臺 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是美國 NI 公司的創(chuàng)新軟件產品，也是目前應用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。 LabVIEW 的特點在于：它使用圖形化編程語內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 言在流程圖中創(chuàng)建源程序，運行方便，編程簡單易懂。 LabVIEW 作為開發(fā)環(huán)境所具有的優(yōu)點總結如下所述 [8]： （ 1）圖形化編程，降低了對使用者編程經驗的要求； （ 2）采用面向對象的方法和概念，有利于軟件的開發(fā)和 再利用； （ 3）對象、框圖及其構成的虛擬儀器在 Windows， Windows XP， UNIX 等多平臺之間和各種 PC 機及工作站間兼容，便于軟件移植； （ 4）支持 550 多種標準總線設備及數據采集卡，如串行接口 、 GPIB、 VXI 等； （ 5）具有豐富的庫函數和例子，對