【文章內(nèi)容簡介】 變計(jì)、稱重傳感器、稱重顯示器生產(chǎn)技術(shù) ）進(jìn)入我國，這對電子秤的進(jìn)一步普及和提高必將產(chǎn)生積極的、巨大的影響。 本章小結(jié) 本章介紹了電子秤的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其分類，還有電子秤的現(xiàn)狀等。 電子秤的系統(tǒng)由 由壓力傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成 。 電子秤屬于日用衡器，為勞動密集型產(chǎn)品。電子秤產(chǎn)品總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化 ； 其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高 ； 其功能趨向是稱重量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能 ； 其應(yīng)用性能趨向上綜合性和組合性。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 9 第三章 虛擬儀 器和 LabVIEW 簡介 虛擬儀器的起源可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代，那時計(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。 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，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。 虛擬儀器 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。 虛擬儀器是微電 子、通信、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。自從 1785 年庫內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 侖發(fā)明靜電扭秤 ， 1834 年哈里斯提出靜電電表結(jié)構(gòu)以來 ， 電測儀表和電子儀器隨相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步、儀器儀表元器件質(zhì)量的提高和測量理論方法的改進(jìn)得到飛速發(fā)展。有一種較普遍地說法將測量儀器的發(fā)展分為五個階段，如圖 所示 。 電 子 儀 器模 擬 儀 器 1 9 世 紀(jì)2 0 世 紀(jì)數(shù) 字 儀 器 五 十 年 代七 十 年 代九 十 年 代智 能 儀 器虛 擬 儀 器 圖 測量儀器的發(fā)展 虛擬儀器的發(fā)展 史 從十九世紀(jì)初到二十世紀(jì)末，測量儀器經(jīng)歷了模擬儀器、電子儀器、數(shù)字儀器、智能儀器等階段，發(fā)展到現(xiàn)在的虛擬儀器。模擬儀器主要有模 擬式電壓表、電流表等，這些儀表解決了當(dāng)時對某些量的測量的需求。從二十世紀(jì)初到五十年代左右，測量儀器的材料性能得到改善，出現(xiàn)了電子管，同時，測量理論和方法與電子技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了以記錄儀和示波器為代表的電子儀表。五十年代以后，隨著晶體管和集成電路的出現(xiàn)以及應(yīng)用電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)成功地應(yīng)用到測量儀器。這時，電子、控內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 制、集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)開始融為一體，成為測量儀器的主要特征。七十年代初，第一片微處理器問世，微計(jì)算機(jī)技術(shù)從此發(fā)展迅猛，在其影響下，測量儀器呈現(xiàn)出新的活力并取得了長足進(jìn)步。伴隨微電子技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及在電工電子測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測量儀器也不斷進(jìn)步和發(fā)展，出現(xiàn)了智能儀器。智能儀器是將微機(jī)置于儀器內(nèi)部，使儀器具有控制、存儲、運(yùn)算、邏輯判斷及自動操作等智能特點(diǎn)，并在測量準(zhǔn)確度、靈敏度、可靠性、自動化程度、運(yùn)用能力及解決測量技術(shù)問題深度和廣度等方面都有明顯的進(jìn)步。這種內(nèi)置微處理器的儀器，既能進(jìn)行自動測試又能完成數(shù)據(jù)處理，可取代部分的腦力勞動。隨著電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器的智能水平不斷提高。 但是，在數(shù)字化儀器、智能儀器階段基本上沒有擺脫傳統(tǒng)儀器那種獨(dú)立使用、手 動操作的模式，難以勝任更復(fù)雜、多任務(wù)的測量需求。為解決這樣的問題，總線式儀器與系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。人們發(fā)明制造出 CAMAC、 RS232C 和 GPIB（即 IEEE0488）等多種儀器通訊接口總線，用于將多臺智能儀器連在一起，以構(gòu)成更復(fù)雜的測試系統(tǒng)。但在復(fù)雜的總線式儀器系統(tǒng)中還有許多重復(fù)的部件或功能單元，如鍵盤、 CRT、存儲器等。在這種背景下， 1982 年，美國西北儀器公司總裁德 伯克提出了微機(jī)化儀器的概念，也就是人們現(xiàn)在常提到的卡式儀器?？ㄊ絻x器是虛擬儀器的雛形，是將傳統(tǒng)獨(dú)立式儀器的測量電路部分與接口部分集合在一起 制成儀器功能卡，將其插入微機(jī)的內(nèi)部插槽或外部插件箱中形成的儀器。 1997 年美國國家儀器公司 （ 簡稱 NI 公司 ） 推出了一種新的儀器總線標(biāo)準(zhǔn) PXI 總線標(biāo)準(zhǔn)。制定 PXI 規(guī)范的目的是為了將 PC 的性能價格比優(yōu)勢和 PCI 總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展結(jié)合起來，以期形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。相對 VXI 儀器，按 PXI總線標(biāo)準(zhǔn)制成的 PXI 儀器具有成本低、便于組成便攜式測試系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。這些以 PC 為核心、由測量功能軟件支持，具有虛擬控制面板、必要儀器硬件和通信能力的 PC 儀器內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12 或 VXI 儀器就是虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得用戶可 以自己定義儀器，靈活地設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的實(shí)際需求。隨著虛擬儀器軟件開發(fā)平臺及硬件的發(fā)展 ，基于虛擬儀器的儀器系統(tǒng)的開發(fā)周期 縮 短，費(fèi)用 降 低，測量速度、準(zhǔn)確度及可復(fù)用性提高，且更便于相應(yīng)儀器系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展。 現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)物 。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 新的測試?yán)碚?、 測試方法、測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn) ,在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念 ， 電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化 。 在此背景下 ， 1986 年美國國家儀器公司 （ National instruments,NI）提出了虛擬儀器 （ Virtual instrument,VI） 的概念。盡管迄今為止虛擬儀器還沒有一個統(tǒng)一的定義 ， 但是一般認(rèn)為 ： 虛擬儀器是在 PC 基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測試儀器系統(tǒng)和傳統(tǒng)儀器相比 ， 虛擬儀器具有巨大的優(yōu)越性。 電測量理論和技術(shù)的不斷發(fā)展、測量領(lǐng)域和測量觀念的不斷拓展，給測量儀器儀表提出了更高的要求。儀器是測量的工具，測量的本質(zhì)是利用儀器儀表獲得定量認(rèn)知的過程，測量的實(shí)現(xiàn)離不開儀器儀表，測量技術(shù)的發(fā)展過程，也就是儀器儀表的 發(fā)展過程。因而，為適應(yīng)測量技術(shù)發(fā)展的需要，儀器儀表技術(shù)也 不斷地進(jìn)步和提高，虛擬儀器就是為了適應(yīng)測量技術(shù)發(fā)展的需要而產(chǎn)生并發(fā)展起來的。 虛擬儀器的夠成如圖 所示。 虛擬儀器的主要特點(diǎn) 虛擬儀器的主要特點(diǎn) ： 1. 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。 2. 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。 3. 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內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 13 的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和 數(shù)字信號處理。 P C D A QG P I B 儀 器串 口 儀 器V X I 模 塊P X I 莫 塊計(jì) 算 機(jī)被 測 信 號 圖 虛擬儀器的構(gòu)成方式 虛擬儀器的現(xiàn)狀 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(biāo)準(zhǔn) 。 虛擬儀器研究的另一個問題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計(jì)算機(jī)的連接。目前使用較多的是 IEEE 488 或 GPIB 協(xié)議 ， 未來的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。 虛擬儀器的發(fā)展方向 隨著計(jì)算機(jī)、通信、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)時代的到來和信息化要求的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器領(lǐng)域中是虛擬儀器發(fā)展的大趨勢。在國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念目前還沒有一個比較明確的提法，也沒有一個被測量界廣泛接受的定義。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 14 其一般特征是將虛擬儀器、外部設(shè)備、被測試點(diǎn)以及數(shù)據(jù)庫等資源納入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源共享，共同完成測試任務(wù)。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可在任何地點(diǎn)、任意時刻獲取數(shù)據(jù)信息的愿望成為現(xiàn)實(shí)。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也適合異地或遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、報(bào)警等。與以 PC 為核心的虛擬儀器相比，網(wǎng)絡(luò)化將對虛擬儀器的發(fā)展產(chǎn)生一次革命，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器是儀器發(fā)展史上的一次革命。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將由單臺虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的三大功能 （ 數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析及圖形化顯示 )分開處理，分別使用獨(dú)立的基本硬件模塊實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的兩大功能，以網(wǎng)線相連接，實(shí)現(xiàn)信息資源的共享。 當(dāng) 1983 年 NI 公司的開拓者們決定開始著手開發(fā)一款測量軟件的時候，誰也沒 有想到由 Jeff Kodosky 領(lǐng)導(dǎo)的這群年輕人會在 3 年后推出一款劃時代的創(chuàng)新產(chǎn)品。今天，在 推出后的 20 年后，該技術(shù)依然保持著創(chuàng)新的發(fā)展歷程。 2020 年， NI 公司推出了 20 周年紀(jì)念版 ，并第一次同步推出了包括界面、菜單、函數(shù)庫、幫助文檔等在內(nèi)的全中文軟件環(huán)境的中文版 LabVIEW。而在不久前上海舉行的一年一度的 NIDays 上， LabVIEW 之父也令我們看到了虛擬儀器技術(shù)的未來發(fā)展藍(lán)圖。 LabVIEW 語言 LabVIEW（ Laboratory Virtual instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP、 ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。 圖形化的程序語言，又稱為 “ G” 語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程 序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 15 圖標(biāo)和概念，因此， LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(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，可以大大提高工作效率。 利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的 32 位編譯器。像許多重要的軟件一樣， LabVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh 的多種版本準(zhǔn)儀器。 LabVIEW 使用的優(yōu)勢 選擇 LabVIEW 開發(fā)測試和測量應(yīng)用程序的一大決定性因素是其開發(fā)速度。通常，使用 LabVIEW 開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的速度比使用其他編程語言快 410 倍。這驚人速度背后的原因在于 LabVIEW 易用易學(xué)他所提供的工具是創(chuàng)建測試和測量應(yīng)用變得更為輕松。 LabVIEW 的具體優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 提供了豐富的圖形控件，并采用圖形化的編程方法，徹底把工程師們從復(fù)雜苦澀的文本編程工作中解放出來。 2. 內(nèi)建的編譯器在用戶編寫程序的同時就在后臺自動完成了編譯。因此用戶在編寫程序的過程 中如果有語法錯誤，他會被立即顯示出來。 3. 由于采用數(shù)據(jù)流模型，它實(shí)現(xiàn)了自動的多線程，從而能從分離用處理器尤其是多處理器的處理功能。 4. 通過 DLL、 CIN 節(jié)點(diǎn)、 ActiveX、 NET 或 MATLAB 腳本節(jié)點(diǎn)扥技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn) LabVIEW 與其它編程語言混合編程。 5. 通過應(yīng)用程序生成器可以從輕松的發(fā)布 EXE、動態(tài)鏈接庫或裝包。 6. LabVIEW 提供了大量的驅(qū)動與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接。 7. LabVIEW 內(nèi)建了 600 多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。 8. NI 同時提供了 豐富的附加模塊，用于擴(kuò)展在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如實(shí)時模塊、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 16 PDA 模塊、 FPGA 模塊、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊。機(jī)器視覺模塊與觸