【文章內(nèi)容簡介】 為現(xiàn)代測試系統(tǒng)發(fā)展的主流。虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計算機強大的圖形環(huán)境，在計算機屏幕上建立圖形化的虛擬面板來代替常規(guī)的儀器控制面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其它控制部件。用戶通過鼠標或鍵盤操作虛擬面板，檢驗儀器的通信和操作。在系統(tǒng)集成后，對被測對象進行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲、顯示，組建自己所需要的儀器。用戶不必要編寫測試文本程序，即可進行測試、測量，實 現(xiàn)了測試和自動化、智能化，體現(xiàn)了“軟件就是儀器”。如今，隨著電測技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，儀器技術(shù)必將沿著虛擬儀器方向發(fā)展。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 5 虛擬儀器的特點 虛擬儀器是計算機技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。在虛擬儀器中計算機處于核心地位，計算機軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊密的結(jié)合，形成了一個有機整體，使得儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計觀點等都發(fā)生了突破性的變化。從構(gòu)成和功能上來說，虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計算機，配上相應(yīng)的硬件和專業(yè)軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新型的 儀器 ； 從形式上來說，虛擬儀器面板 (即軟面板 )，可以有效地提高儀器的使用效率。虛擬儀器特點可以歸結(jié)為以下四個方面 ： (l)豐富和增強了傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器將信號分析，顯示，存儲，打印和其他管理集中交由計算機來處理，充分利用了計算機的強大的數(shù)據(jù)處理，傳輸和發(fā)布能力，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡單。 (2)突出“軟件就是儀器’的概念。傳統(tǒng)儀器的某些硬件在虛擬儀器中被軟件代替，由于減 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 總線的使用，使儀器的測量精度、測量速度和可重復(fù)性都大大提高。 (3)儀器由 用戶自己定義。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫，可以很方便地修改儀器功能和面板，設(shè)計儀器的通信、定時和觸發(fā)功能，實現(xiàn)與外設(shè)，網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用的連接，給用戶一個充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。 (4)開放的工業(yè)標準。虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標準，因此用戶可以將儀器的設(shè)計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標準，使資源的可重復(fù)利用率提高，功能易于擴展，管理規(guī)范，生產(chǎn)，維護和開發(fā)費用降低。 (5)便于構(gòu)成復(fù)雜的測試系統(tǒng)，經(jīng)濟性好。虛擬儀器既可以作為測試儀器獨立使用，又可以通過告訴計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜的 分布式測試系統(tǒng)，進行遠程測試、監(jiān)控與故障診斷。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還 可以大大節(jié)約儀器的購買和維護費用。 虛擬儀器的組成 虛擬儀器 (VI)一般由通用計算機 (PC 機 )、數(shù)據(jù)采集卡及軟件系統(tǒng)組成。它充分利用PC 機豐富的軟硬件資源快速建立數(shù)據(jù)采集應(yīng)用系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集卡從外界采集各種信號，對信號進行實時存儲、實時顯示及離線分析。這是一個由通用儀器硬件平臺 (由計算機和數(shù)據(jù)采集卡組成，簡稱硬件平臺 )和應(yīng)用軟件組成的復(fù)雜系統(tǒng)。 (l)通用儀器硬件平臺 。 虛擬儀器的硬件平臺 由 一臺通用計算機和 I/O 接口設(shè)備構(gòu)成。其中， I/O 接口設(shè)內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 6 備完成被測信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換等?？梢愿鶕?jù)實際的情況采用不同的 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、 PXI 總線儀器、串口儀器等。虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有五類。① PC 一 DAQ 系統(tǒng) ： 是以數(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 PCI 計算機本身的總線，故將數(shù)采卡 (DAQ)插入計算機的空槽中即可。② GPIB 系統(tǒng) 了： 以 GPIB 標準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) 。③ VXI 系統(tǒng) :以 VXI 標準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)。④ PXI 系統(tǒng) :以 PXI 標準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)。⑤串口系統(tǒng) :以 Serial標準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)。無論上述那種 Vl 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， PCDAQ 系統(tǒng)是構(gòu)成Vl 的最基本的方式，也是最廉價的方式。 (2)虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺 。 虛擬儀器的核心是軟件，軟件開發(fā)平臺的水平在很大程度上代表了虛擬儀器的水平。虛擬儀器軟件由兩大部 分構(gòu)成 ： 應(yīng)用程序和 1/0 接口儀器驅(qū)動程序。隨著計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，各種專用儀器開發(fā)系統(tǒng)的功能也越來越強大和完善。以美國 Nl 公司的軟件產(chǎn)品LabVIEW 和 LabWindows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當前流行的集成開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺提供了強大的儀器軟面板設(shè)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驅(qū)動程序模塊，大大地簡化了虛擬儀器設(shè)計工作。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，對各種硬件儀器的驅(qū)動軟件模塊化、標準化，將使 虛擬儀器軟件開發(fā)變得更加方 便。 虛擬儀器的開發(fā)平臺 — LabVIEW LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，它是由美國 NI 公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。它把復(fù)雜的語言編程簡化成用圖形編程的方式，為編程的調(diào)試提供了簡單方便的環(huán)境，同時集成了大量的生成圖形界面的模塊，豐富的數(shù)值分析與處理功能。 LabVIEW 是一個帶有擴展功能庫和子程序庫的通用程序設(shè)計系統(tǒng)。其開發(fā)環(huán)境下提供的應(yīng)用程序有 180 多種，除了具備其它語言所提供的常規(guī)函數(shù)功能和上述的生成圖形界面的大 量模板外，內(nèi)部還包 括許多特殊的功能庫函數(shù)和開發(fā)工具庫以及多種 設(shè)備驅(qū)動功能。 LabVIEW 作為一種強大的虛擬儀器開發(fā)平臺，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它集成了 GPIB， VXI，內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 7 PXI， RS232和 RS485協(xié)議以及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP，ActiveX 等軟件標準的庫函數(shù)。 LabVIEW 的程序包括前面板 (FrontPanel)、流程圖(BlockDiagram)以及圖標 /連接器三部分。 LabVIEW 簡化了虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)過程，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試周期，它讓用戶從煩瑣的計算機代碼 編寫中解放出來，把大部分精力投入系統(tǒng)設(shè)計和分析當中，而不再拘泥于程序細節(jié)。 LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具，它可以增強用戶構(gòu)建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率，其主要特點可歸納為如下幾點 ： (l)簡單的方案 。 即使沒有多少編程經(jīng)驗，仍可以方便的使用 LabVIEW，因為它使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機界面，提供大量的儀器面板中的控制對象。此外， LabVIEW 按其易用的方式將復(fù)雜的任務(wù)包裝起來， 從而 使 復(fù)雜任務(wù)得到簡化。先進的 ActiveX 技術(shù)融合了簡單的拖動編程方法，儀器控制和數(shù)據(jù)采集在開發(fā)向?qū)У囊龑?dǎo)下變得十分簡單，使用戶十分容易地開發(fā)自己的儀器，并將其立即投入使用。 (2)靈活的儀器將 LabVIEW 與一般的數(shù)據(jù)采集及儀器加以組合，可以設(shè)計出靈活的虛擬儀器，并可以隨時將儀器系統(tǒng)移植到最適用的平臺上使用。 (3)方便的程序調(diào)試具有一些專用程序開發(fā)箱，可以在源代碼中設(shè)置斷點，單步執(zhí)行源代碼，高亮顯示，連線上設(shè)置探針，動態(tài)執(zhí)行程序，觀察程序運行過程中數(shù)據(jù)流的變化。 (4)完整的開發(fā)環(huán)境 LabVIEW 軟件包中包 含了功能強大的數(shù)據(jù)采集、分析和表達的能力，使用戶可以在該平臺上實現(xiàn)一個完整的解決方案。另外，它還有一個多線程和用于最大限度提高系統(tǒng)性能的優(yōu)化圖形編輯器。這樣，不僅簡化了開發(fā)過程，而且可生成按編譯速度執(zhí)行的可復(fù)用代碼。此外， LabVIEW 還可以生成在沒有 LabviEw 編程環(huán)境的目標機器上運行可執(zhí)行的代碼。 (5)快速開發(fā)的 LabVIEW 為用戶提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。通過儀器驅(qū)動程序可以與大多數(shù)儀器進行通訊。用戶不必學習各種儀器的低級編程協(xié)議，從而簡化了儀器的控制，縮短了開發(fā)時間，提高了生產(chǎn)效 率。 (6)開放的平臺提供的 DLL 接口和 CIN 接口節(jié)點，使用戶能在它的平臺上使用其它應(yīng)用軟件編譯的模塊，能調(diào)用 C 語言程序、 Matlab 程序及已存在的 DLL 庫函數(shù)，是一個開放的平臺。 LabVIEW 的程序構(gòu)成 LabVIEW 的程序由前面板 (frontpanel)和流程圖 (bloekdiagram)兩部分組成，整個程序內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 8 是基于多線程的設(shè)計，前面板和流程圖各占用一個線程。前面板是 LabVIEW 程序的圖形用戶接口，此接口集成了用戶輸入，并顯示程序的輸出，相當于傳統(tǒng)儀器的面板。前面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其它的控 制 (controls)與顯示對象 (indieators)。流程圖包括虛擬儀器程序的圖形化源代碼。在流程圖中對 VI 進行編程，以控制和操作定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖包括內(nèi)置于 LabVIEW VI 庫中的函數(shù) (functions)和結(jié)構(gòu)(stoctures)，還包括與前面板上的控制對象、顯示對象對應(yīng)的連線端子 (terminals)。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，最直觀的區(qū)別就是與用戶進行交互的面板。傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，容易導(dǎo)致許多識別與 操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡潔化，從而提高操作的準確性和便捷性。同時，虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受“標準件”和“加工工藝”的限制，他們是由編程來實現(xiàn)的，設(shè)計者可以根據(jù)用戶的認知要求和操作要求，設(shè)計儀器面板。 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 開發(fā)和維護費用低 開發(fā)和維護開銷大 技術(shù)更新時間短（ 12 年） 技術(shù)更新周期長（ 510 年） 軟件是關(guān)鍵，系 統(tǒng)性能升級方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級程序即可 硬件是關(guān)鍵，升級成本高 價格低廉，儀器資源可重復(fù)利用率高 價格 較昂貴，儀器資源重復(fù)利用率低 用戶可自定義儀器功能，并且可以根據(jù)實際情況更改 只有廠商能定義儀器功能，一旦定義好以后就難以更改 可通過網(wǎng)絡(luò)連接其他儀器，實現(xiàn)資源共享或協(xié)同工作 功能一般比較單一，只能連接有限的獨立設(shè)備 開放性好、比較靈活，可與計算機技術(shù)保持步發(fā)展 開放性差，利用新技術(shù)為自己服務(wù)的速率低 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 9 從表可以看出與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有絕對的優(yōu)勢。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具有的特點的 根本原因在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件”。虛擬儀器在性價比、靈活性以及用戶使用方便方面，具有傳統(tǒng)儀器不可比擬的優(yōu)勢。以一臺高性能儀器為例，用戶可以裝配一臺裝有基于硬件和軟件部分的個人計算機系統(tǒng)，為專門的應(yīng)用軟件設(shè)計虛擬儀器。硬件部分可以是插入式主板、外圍儀器，或者兩者的結(jié)合。在任何一種情況下，軟件界面可按照用戶的需求進行設(shè)計，以使用戶操作方便和快捷。用戶可以通過虛擬儀器來簡化一臺復(fù)雜的獨立儀器的操作，虛擬儀器也可以只作為集中控制儀器的一個部分，只實現(xiàn)其中的一部分功能，其使用是相當靈活的。如今， 許多插卡式的數(shù)據(jù)采 集主板同時還設(shè)置了技術(shù)先進的直接存儲器存取 時以及兼容于多種主板的觸發(fā)功能，增強了主板之間的同步性和信號結(jié) 合性。這些技術(shù)上的進步，再加上操作系統(tǒng)功能和計算機體系結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展，己經(jīng)使得個人電腦具有并行處理的能力，從而可以成為更加先進的儀器和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的平臺。然而，技術(shù)的進步是以復(fù)雜性的提高為代價的，比起使用具有類似功能的一臺獨立儀器，用戶必須具備更多有關(guān)硬件方面的知識。虛擬儀器軟件對于將這些技術(shù)尖端的硬件組成變成實際可用的儀器系統(tǒng)是必不可缺的。 虛擬儀器的應(yīng)用 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶自己定 義儀器系統(tǒng)功能，且定義的功能也比較靈活，也很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測量、檢測、計量、測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號校正器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可以檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機參數(shù)、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù) ； 它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習慣，用戶不經(jīng)培訓即可迅速掌握 操作規(guī)程 ； 它集成方便不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動測量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)作為計算機技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣泛。從總體上而言，虛擬儀器是測量測試領(lǐng)域的一個創(chuàng)新概念，改變了人們對儀器的傳統(tǒng)觀念，適應(yīng)了現(xiàn)代測試技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢。虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用方式多種多樣，下面主要針對虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)自動化，儀器制造和實驗室方面的應(yīng)用前景和效益進行分析。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明 書（畢業(yè)論文） 10 工業(yè)自動化 。 我國工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，工業(yè)自動化程度遠不能滿足市場經(jīng)濟快速發(fā)展的要求。制約工業(yè)