【文章內容簡介】 Instrument)是指通過應用程序將計算機與功能化模塊硬件結合起來，用戶可以通過 友好的圖形界面來操作這臺計算機，好像在操作自己定義、自己設計的一臺單個儀器一樣，從而完成對被測試對象的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能 。因為虛擬儀器是以計算機為核心、在 Windows等操作系統(tǒng)平臺上運行的，所以它具有一機多功能的特點，可以同時運行多個軟件，當作多種儀器使用，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)儀器無法比擬的強大優(yōu)勢，因而必將成為未來儀器發(fā)展的趨勢。 比較項目 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 靈活性 開放性、靈活，可與計算機技術保 持同步發(fā)展 封閉性、儀器間 相互配合較 差 升級的自由度 關鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級方便， 通過 網(wǎng)絡下載升級程序即可 關鍵是硬件，升級成本較 高，且升級必須上門服務 性能價格比 價格低廉，儀器間 資源可重復利 用，利用率高 價格昂貴，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 與外設互連 可以與網(wǎng)絡及周邊設備方便連接 功能單一，只能連接有限的 獨立設備 開發(fā)維護費用 開發(fā)與維護費用降至最低 開發(fā)與維護開銷高 人機界面 人機界面友好 人機界面一般 技術更新周期 技術更新周期短 (12年 ) 技術更新周期長 (510年 ) 虛擬 儀器測試系統(tǒng)的組成 虛擬儀器 (Virtual Instrument)是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的 一個重要方向。這種結合基本有兩種方式，一種是將計算表 21虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 虛擬儀器與 labVIEW 介紹 8 機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，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算機。以通用的計算機硬件及操作系統(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 [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、結果顯示三部分組成。 對于傳統(tǒng)儀器，這三個部分幾乎均由硬件完成；對于虛擬儀器，前一部分由硬件構成。后兩部分主 要由軟件實現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設計日趨模塊化、標準化，設計工作量大大減小。 圖 22 給出了經(jīng)典虛擬儀器測試系統(tǒng)的構成，通常虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、 信號調理及信號采集部件(如外置或內置數(shù)據(jù)采集卡、圖形圖像采集卡及攝像機及其用于輔助測量并能 與計算 機通訊的常規(guī)儀器等 )、通用計算機、打印機等構成。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 實現(xiàn)網(wǎng)絡擴展。 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)字信號處理 數(shù)字濾波 統(tǒng)計分析 數(shù)值分析 結果顯示 網(wǎng)絡通信 硬盤拷貝輸出 文件 I/O 圖形用戶接口 圖 21 虛擬儀器的內部功能劃分 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 虛擬儀器與 labVIEW 介紹 9 虛擬儀器 I／ 0 接口設備 I／ 0 接口設備主要用來完成被測輸入信號的采集、放大、模數(shù)轉換。可根據(jù)實際情況采用不同的 I／ 0接 El硬件設備，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)構成 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（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算機標準總線 (如 ISA、PCI、 USB 等 )的內置功 能插卡。其中 USB 是最新技術的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點，它更加充分地利用計算 機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性 ：利用 DAQ 卡可方便快速地構建虛擬儀器系統(tǒng)。在性能上，隨著 A／D轉換技術，濾波技術 和信號調理技術的發(fā)展， DAQ 卡的采樣速率已達 1GB／ S，精 度高達 24位，通道數(shù)高達 64 個，并具有數(shù)字 I／ O，模擬 I／ O和計數(shù) 器／定時器等通道。各儀器廠家生產了大量的 DAQ 卡功能模塊供用戶選擇，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、 動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在計算機上掛接多個DAQ 功能模塊，配合相應的軟件，就可以 構成一臺具有多功能的測試儀器。這種基于計算機的儀器，既具有高檔儀器的測量品質，又能滿足測量需求的多樣性。對我國大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性能價格比，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，是計算機和儀器間的標準通信協(xié)議。 GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國際工業(yè) 標準 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 測試系統(tǒng)包括一臺計算機，一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺 GPIB 儀器軟件及相應的傳感模塊硬件。每臺 GPIB 儀器有單獨的地址，由計算機 控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機的控制軟件作相應的改動。基于 GPIB 總線結構的接口 卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于 500kb／ s， 不適合與對系統(tǒng)速度要求較高的應用。 3． VXI (VMEbus eXtension for Instrumentation)是 VME 總線在儀器領域的擴展， 1993 年 VXl 總線 1． 4 版本被批準為 IEEE ll55 標準，成為開放式工業(yè)標準。儀器專用總線在吸收 IEEE488 的成功經(jīng)驗基 礎上，增加了 l0MHz 時鐘線，圖 23 虛擬儀器構成方式 計算機 PCDAQ GPIB 儀器 串口儀器 VXI 模塊 PXI 模塊 被測信號 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（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，定時關系嚴格，兼有計算 機總線和儀器總線的優(yōu)點。 4． PXI (PCI extension for Instrumentation)是 Compact PCI 總線在儀器領域的擴展，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 結構和 Microsoft Windows 軟 件。 PXl 是在 PCI 內核技術上增加了成熟的技術規(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 參考時鐘、用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等， 來滿足實驗和測量用戶的要求。 PXl 兼容 Compact PCI 機械規(guī)范，并增加了空氣冷卻裝置、環(huán)境測試 (溫 度、濕度、振動和沖擊實驗 )等要求。這樣可保證多廠商產品 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 標準總線儀器與計算機為儀器精簡平臺組成的虛擬測試系統(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 設備，通過 RS232串口總線與計算機組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構成方式之一，主要適用于速度較低的測試系統(tǒng)。 虛擬儀器的軟件結構 虛擬儀器技術的核心是軟件，其軟件基本結構如圖 24 所示。用戶．采用各種編程軟件來開發(fā)自 己所需要的應用軟件。以美國 Nl 公司的軟件產品 LabVIEW和 LabWindow／ CVI 為代表的虛擬儀器專用 開發(fā)平臺是當前流行的集成化開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺提供了強大的儀器軟面板設計工具和各種數(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動程序模塊，大大簡化了虛擬儀器的設計工作。隨著軟件技術的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復用化，和各種硬件儀器驅動軟件的模塊化、標準化，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 硬件驅動程序 圖 24 虛擬儀器軟件結構 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（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：標準 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)，是有相當難度的。除了要花大量時間進行測試系統(tǒng)面板設計外，還要編制大量的設備驅動程序和底層控制程序．這些工作對于那些不熟悉這方面知識的工程設計人員來說，要花費大量時間和精力，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，是非常實用的開發(fā)軟件。 LabWindows／ CVI 是為熟悉 C語言的開發(fā)人 員準備的，是在 Windows 環(huán)境下的標準 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，美國 Tektronix 公司的 Ez． Test， Tek— TNS 平臺軟件，這些都是國際上公認的優(yōu)秀的虛擬儀器 開發(fā)軟件平臺。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語和圖形化符號代替常規(guī)的文本語言編程 , 界面友好 , 操作簡便 , 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)的設計平臺采用 NI公司的 LabVIEW 進行。 本課題所采用的圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺 — 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、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(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。它還內置了便于應用 TCP／ IP、 ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)，是一個功能強大且靈活的軟件。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計思路，設計者必須寫出執(zhí)行的語句。 而 LabVIEW 是基于數(shù)據(jù) 流的工作方式，同時是基于圖形化的編程，這使得設計者不必掌握大量的編程語言和程序設計技巧便可設計出虛擬儀器系統(tǒng) [3]。 目前，在以 PC 機為基礎的測試和工控軟件中， LabVIEW 的市場普及率僅 次于 C++／ C語言。 LabVIEW 具有一系列無與倫比的優(yōu)點：首先， LabVIEW 作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運用的設 備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似：同時， LabVIEW 提供了豐富的 VI 庫和儀器面板素材庫，近 600 種設備的驅動程序 (可擴充 )如 GPIB設備控制、 VXl 總線控制、串行口設備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲：并且LabVIEW 還提供了專門用于程序 開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設置斷點，調試過東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（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 ，更加便于程序的調試。因此， LabVIEW 受到越來越多工程師、科學家的普遍青睞。 利用 LabVIEW，可 產生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的 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 平臺的虛擬儀器程序設計結構和特點 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。 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象