【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Instrument)是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能化模塊硬件結(jié)合起來，用戶可以通過 友好的圖形界面來操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，好像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)試對(duì)象的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能 。因?yàn)樘摂M儀器是以計(jì)算機(jī)為核心、在 Windows等操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行的，所以它具有一機(jī)多功能的特點(diǎn)，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)軟件，當(dāng)作多種儀器使用，具有多功能的儀器系統(tǒng)稱之為虛擬儀器系統(tǒng) 。 虛擬儀器與傳 統(tǒng)儀器的比較 如表 2l 所示，虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器無法比擬的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，因而必將成為未來儀器發(fā)展的趨勢(shì)。 比較項(xiàng)目 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 靈活性 開放性、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保 持同步發(fā)展 封閉性、儀器間 相互配合較 差 升級(jí)的自由度 關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級(jí)方便， 通過 網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序即可 關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本較 高，且升級(jí)必須上門服務(wù) 性能價(jià)格比 價(jià)格低廉，儀器間 資源可重復(fù)利 用，利用率高 價(jià)格昂貴，儀器間 一般無法 相互利用 儀器功能 用戶可定義儀器功能 只有廠家能定義儀器功能 與外設(shè)互連 可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接 功能單一，只能連接有限的 獨(dú)立設(shè)備 開發(fā)維護(hù)費(fèi)用 開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低 開發(fā)與維護(hù)開銷高 人機(jī)界面 人機(jī)界面友好 人機(jī)界面一般 技術(shù)更新周期 技術(shù)更新周期短 (12年 ) 技術(shù)更新周期長(zhǎng) (510年 ) 虛擬 儀器測(cè)試系統(tǒng)的組成 虛擬儀器 (Virtual Instrument)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(gè)重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計(jì)算表 21虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 虛擬儀器與 labVIEW 介紹 8 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，虛擬儀器主要是指這種方式 [4]。 虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，如圖 21所示的數(shù)據(jù)采集與控制、 數(shù)據(jù)分 析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。 對(duì)于傳統(tǒng)儀器，這三個(gè)部分幾乎均由硬件完成；對(duì)于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成。后兩部分主 要由軟件實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計(jì)日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)工作量大大減小。 圖 22 給出了經(jīng)典虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成，通常虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、 信號(hào)調(diào)理及信號(hào)采集部件(如外置或內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡、圖形圖像采集卡及攝像機(jī)及其用于輔助測(cè)量并能 與計(jì)算 機(jī)通訊的常規(guī)儀器等 )、通用計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā) 語言 (如 LabVIEW)編寫而成，并可通過 Inter 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。 采集與控制 插入式數(shù)據(jù)采集板 GPIB 儀器 VXI/PXI 儀器 RS232 儀器 數(shù)據(jù)分析和處理 數(shù)字信號(hào)處理 數(shù)字濾波 統(tǒng)計(jì)分析 數(shù)值分析 結(jié)果顯示 網(wǎng)絡(luò)通信 硬盤拷貝輸出 文件 I/O 圖形用戶接口 圖 21 虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 虛擬儀器與 labVIEW 介紹 9 虛擬儀器 I／ 0 接口設(shè)備 I／ 0 接口設(shè)備主要用來完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換?？筛鶕?jù)實(shí)際情況采用不同的 I／ 0接 El硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡／板 (DAQ)、 GPIB 總線儀器、 VXl 總線儀器、串口儀器、 USB 等。虛擬 儀器的構(gòu)成主要有五種類型 [4]，如圖 23 所示。 圖 22 經(jīng)典的虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 虛擬儀器與 labVIEW 介紹 10 1． DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線 (如 ISA、PCI、 USB 等 )的內(nèi)置功 能插卡。其中 USB 是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點(diǎn)，它更加充分地利用計(jì)算 機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性 ：利用 DAQ 卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。在性能上，隨著 A／D轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù) 和信號(hào)調(diào)理技術(shù)的發(fā)展， DAQ 卡的采樣速率已達(dá) 1GB／ S，精 度高達(dá) 24位，通道數(shù)高達(dá) 64 個(gè)，并具有數(shù)字 I／ O，模擬 I／ O和計(jì)數(shù) 器／定時(shí)器等通道。各儀器廠家生產(chǎn)了大量的 DAQ 卡功能模塊供用戶選擇，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、任意波形發(fā)生器等。在計(jì)算機(jī)上掛接多個(gè)DAQ 功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以 構(gòu)成一臺(tái)具有多功能的測(cè)試儀器。這種基于計(jì)算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì)，又能滿足測(cè)量需求的多樣性。對(duì)我國大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性能價(jià)格比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案。 2． GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口總線，是計(jì)算機(jī)和儀器間的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。 GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國際工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn) IEEE 488． 1和 IEEE ，它是最早的儀器總線，目前多 數(shù)儀器都配備了遵循 IEEE488 的GPIB 接 口 。典型的 GPIB 測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺(tái) GPIB 儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。每臺(tái) GPIB 儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī) 控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對(duì)計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動(dòng)?；?GPIB 總線結(jié)構(gòu)的接口 卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于 500kb／ s， 不適合與對(duì)系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。 3． VXI (VMEbus eXtension for Instrumentation)是 VME 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展， 1993 年 VXl 總線 1． 4 版本被批準(zhǔn)為 IEEE ll55 標(biāo)準(zhǔn)，成為開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。儀器專用總線在吸收 IEEE488 的成功經(jīng)驗(yàn)基 礎(chǔ)上，增加了 l0MHz 時(shí)鐘線，圖 23 虛擬儀器構(gòu)成方式 計(jì)算機(jī) PCDAQ GPIB 儀器 串口儀器 VXI 模塊 PXI 模塊 被測(cè)信號(hào) 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 虛擬儀器與 labVIEW 介紹 11 模擬和數(shù)字混合總線，星形總線等高速總線，定時(shí)關(guān)系嚴(yán)格，兼有計(jì)算 機(jī)總線和儀器總線的優(yōu)點(diǎn)。 4． PXI (PCI extension for Instrumentation)是 Compact PCI 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是 Nl 公司于 1997 年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是 Compact PCI 結(jié)構(gòu)和 Microsoft Windows 軟 件。 PXl 是在 PCI 內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。 PXl增加了用于多板同步的觸發(fā)總 線和10MHz 參考時(shí)鐘、用于精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等， 來滿足實(shí)驗(yàn)和測(cè)量用戶的要求。 PXl 兼容 Compact PCI 機(jī)械規(guī)范，并增加了空氣冷卻裝置、環(huán)境測(cè)試 (溫 度、濕度、振動(dòng)和沖擊實(shí)驗(yàn) )等要求。這樣可保證多廠商產(chǎn)品 的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。 5．串口系統(tǒng)：串口系統(tǒng)是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器精簡(jiǎn)平臺(tái)組成的虛擬測(cè)試系統(tǒng) [5]。 RS232 總線是早期采用的通用串行總線，將帶有 RS232總線接 口 的儀器作為 I／ 0接 口 設(shè)備，通過 RS232串口總線與計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測(cè)試系統(tǒng)。 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 24 所示。用戶．采用各種編程軟件來開發(fā)自 己所需要的應(yīng)用軟件。以美國 Nl 公司的軟件產(chǎn)品 LabVIEW和 LabWindow／ CVI 為代表的虛擬儀器專用 開發(fā)平臺(tái)是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺(tái)提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè)計(jì)工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序模塊，大大簡(jiǎn)化了虛擬儀器的設(shè)計(jì)工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化，和各種硬件儀器驅(qū)動(dòng)軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。 用戶界面 數(shù)據(jù)處理 硬件驅(qū)動(dòng)程序 圖 24 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 虛擬儀器與 labVIEW 介紹 12 虛擬儀器的開發(fā)軟件 （ 1） 虛擬儀器的開發(fā)語言 虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標(biāo)準(zhǔn) C， Visual C++， Visual Basic 等通用程序開發(fā)語言。但直接由這 些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當(dāng)難度的。除了要花大量時(shí)間進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)外，還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和底層控制程序．這些工作對(duì)于那些不熟悉這方面知識(shí)的工程設(shè)計(jì)人員來說，要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中 有影響的開發(fā)軟件有： Nl 公司的 LabVIEW,LabWindows／ CVI。 LabVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。 LabWindows／ CVI 是為熟悉 C語言的開發(fā)人 員準(zhǔn)備的，是在 Windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSIC 開發(fā)環(huán)境。除此以外還有 HP 公司的 HP． VEE， HP． TIG開發(fā)平臺(tái)，美國 Tektronix 公司的 Ez． Test， Tek— TNS 平臺(tái)軟件，這些都是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器 開發(fā)軟件平臺(tái)。其中 LabVIEW 圖形化軟件開發(fā)系統(tǒng)是用工程人員所熟悉的術(shù)語和圖形化符號(hào)代替常規(guī)的文本語言編程 , 界面友好 , 操作簡(jiǎn)便 , 可大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期 , 深受專業(yè)人員的青睞。在此 , 虛擬溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)采用 NI公司的 LabVIEW 進(jìn)行。 本課題所采用的圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) — LabVIEW 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(gè)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、 VXl、 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)，是一個(gè)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更加形象化。 傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)者必須寫出執(zhí)行的語句。 而 LabVIEW 是基于數(shù)據(jù) 流的工作方式，同時(shí)是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計(jì)者不必掌握大量的編程語言和程序設(shè)計(jì)技巧便可設(shè)計(jì)出虛擬儀器系統(tǒng) [3]。 目前，在以 PC 機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)試和工控軟件中， LabVIEW 的市場(chǎng)普及率僅 次于 C++／ C語言。 LabVIEW 具有一系列無與倫比的優(yōu)點(diǎn)：首先， LabVIEW 作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運(yùn)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非常相似：同時(shí)， LabVIEW 提供了豐富的 VI 庫和儀器面板素材庫，近 600 種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序 (可擴(kuò)充 )如 GPIB設(shè)備控制、 VXl 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(chǔ)：并且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(diǎn)，調(diào)試過東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 虛擬儀器與 labVIEW 介紹 13 程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程 ，更加便于程序的調(diào)試。因此， LabVIEW 受到越來越多工程師、科學(xué)家的普遍青睞。 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。像許多通用的軟件 一樣， LabVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh的多種版本。 基于 LabVIEW 平臺(tái)的虛擬儀器程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 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。 1．前面板：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