【文章內(nèi)容簡介】 儀器由廠商制 造，具有固定不變的操作面板，采用固化了的系統(tǒng)軟件，采用固定不變的硬件電子線路和專用的接口器件，而且功能固定，其海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 系統(tǒng)封閉，擴(kuò)展性能差，用戶只能用單臺儀器完成單一的或固定的測試工作。 虛擬儀器 是一個全新的儀器概念，它通過選取基本的測試硬件模塊，利用軟件構(gòu)造出不針對具體測試對象的儀器 。例如：它可以是示波器，也可以是信號發(fā)生器，或者同時是具有兩種功能的儀器。人們可以通過鼠標(biāo)或者鍵盤操作虛擬儀器面板上的各種旋鈕、開關(guān)和按鍵選用儀器上的功能，設(shè)置參數(shù)，啟動停止儀器的工作。虛擬儀器完全是由用戶自定義的，通過不同的軟件就可 以實現(xiàn)使用不同功能的儀器。 虛擬儀器的分類 虛擬 儀器隨著計算機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，一般可分為五 種類型。 PC總線 —— 插卡型虛擬儀器 這種方式借助于插入計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如 LABVIEW 相結(jié)合。 美國 NI 公司的 LABVIEW 是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自己組建各種儀器。 LABVIEW/cvi 是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言 Visual C++, Visual Basic, LABVIEW/cvi 構(gòu)成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及 軟件的便利。但是受 PC 機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無屏蔽等缺點。另外， ISA 總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰， PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。 并行口式虛擬儀器 最新發(fā)展的一系列可連接到計算機(jī)并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計算機(jī)上，通常可以完成各種測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生7 器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國 LINK公 司的 DSO2XXX系列虛擬儀器 ,它們的最大好處是可以與筆記本計算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式 PC 機(jī)相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實驗室應(yīng)用。 GPIB 總線方式的虛擬儀器 GPIB 技術(shù)是 IEEE488 標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量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(jī)、一塊 GPIB 接口卡和若干臺 BPIB 形式的儀器通過 GPIB 電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊 GPIB 接口可帶多達(dá) 14 臺儀器 ，電纜長度可達(dá) 40 米。 GPIB 技術(shù)可用計算機(jī)實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。 GPIB 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要應(yīng)用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機(jī)高速傳輸狀況時應(yīng)用。 VXI 總線方式虛擬儀器 VXI 總線是一種高速計算機(jī)總線 VME 總線在 VI 領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得 到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展， VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建 VXI 總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。 PXI 總線方式虛擬儀器 海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 PXI 總線方式是 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。 PXI 的高度可擴(kuò)展性。 PXI 具有 8 個擴(kuò)展槽，而臺式 PCI 系統(tǒng)只有 34 個擴(kuò)展槽，通過使用 PCI— PCI 橋接器，可擴(kuò)展到 256個擴(kuò)展槽，臺式 PC的性能價格比和 PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。 虛擬儀器的發(fā)展方向 虛擬儀器是基于計算機(jī)的測試儀器，因此計算機(jī)及相關(guān)技術(shù)發(fā)展必然會促進(jìn)虛擬儀器的發(fā)展。按計算機(jī)總線形式，虛擬儀器的發(fā)展主要有兩個方向：一是遵循 GPIBVSIPXI 總線方式，適合大型高精度集成系統(tǒng)；二是遵循 PC 插卡 并口卡 串口 USB 方式，適合普及型的廉價系統(tǒng)。建立虛擬的儀器系統(tǒng)可以根據(jù)不同的需要選擇不同的方式，這將使虛擬儀器具有較大的發(fā)展空間，并且 廉價的串口 USB 方式將成為今后各大院校建立虛擬實驗室的選擇。 各大院校在今后都需要建立虛擬實驗室，這樣可以更好、更快捷、更方便的完成各種教學(xué)任務(wù)，并且還可以在網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)登錄虛擬實驗室，在網(wǎng)絡(luò)上完成相關(guān)的實驗。虛擬實驗室將成為今后各大院校教學(xué)實驗室的主流。 本課題研究的意義 本文利用 LABVIEW 軟件技術(shù)平臺對實驗儀器進(jìn)行虛擬的構(gòu)建，在計算機(jī)上仿真儀器的功能， 用計算機(jī)來完成相關(guān)的實驗， 對 于 經(jīng)費緊張的實驗室和教學(xué)任務(wù)重的實驗室 在以后構(gòu)建虛擬實驗室 有著重要意義。 9 本課題的主要工作和本文的主要內(nèi)容 本課題的主要工作是了解虛擬儀器的特點、現(xiàn)狀和實現(xiàn)方法，探索虛擬儀器的發(fā)展方向，在 LABVIEW 平臺中設(shè)計 出常用的函數(shù) 信號發(fā)生器 ：正弦波信號發(fā)生器，鋸齒波信號發(fā)生器，三角波信號發(fā)生器，方波信號發(fā)生器。 海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第二章 虛擬儀器開發(fā)軟件選擇 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺應(yīng)有的功能 軟件是虛擬儀器技術(shù)的關(guān)鍵 ， 但是，一方面眾多的測試工作者并非人人都是匯編、 VB、 VC 等語言的熟練程序員，也不可能都很了解軟件所控制的那些軟件的細(xì)節(jié)。另一方面，又應(yīng)讓微機(jī)盡可能多的去取代原由傳 統(tǒng)儀器硬件去完成的工作，以最優(yōu)的方式去控制硬件。因此，與一般的軟件平臺相比，虛擬儀器軟件開發(fā)平臺應(yīng)具有以下的功能 ： 便于編程 包括 “ 寫 ” 程序，查錯和調(diào)試程序。 內(nèi)置豐富的函數(shù)庫，且方便開發(fā)者調(diào)用 函數(shù)庫應(yīng)覆蓋時域、頻域、幅值域所有成熟的數(shù)字處理方法，及與測試分析相關(guān)的各種工程運算方法。 強(qiáng)有力的人機(jī)界面 應(yīng)提供各類儀器面板的各種功能元件，如表頭旋紐、按鈕、圖表、圖形框以至裝飾物等，以供開發(fā)者快捷組成圖、文、聲、色并茂，方便操作、控制、觀察的儀器 “ 軟 ” 面板。 方便快 捷的通信 包括對 ADC 插卡及標(biāo)準(zhǔn)接口總線（ RS23 GPIB 等）的通訊編程，調(diào)用各類可程控儀器驅(qū)動程序的編程。 提供盡可能多的常規(guī)測試虛擬儀器范例 如示波器、信號發(fā)生器、譜分析儀等，供用戶直接或稍加修改后使用。 11 此外，作為基于 PC 的軟件開發(fā)平臺，它應(yīng)盡可能多的利用 PC 的各種技術(shù)，并能隨 PC 的發(fā)展而同步發(fā)展，例如。支持 PC 的多種操作系統(tǒng)，能調(diào)用其它開發(fā)平臺（ VB、 VC 等）開發(fā)的應(yīng)用軟件，生成的數(shù)據(jù)能被通用的字處理軟件、電子表格及圖形處理軟件、通用數(shù)據(jù)庫調(diào)用等等。 虛擬儀器開發(fā)環(huán) 境 進(jìn)行虛擬儀器的開發(fā)，通常可以采用兩種編程方法進(jìn)行軟件編程。一種是傳統(tǒng)的方法，才有高級語言如 VC++， VB， DELPHI 等編寫儀器軟件；另一種是采用面向儀器的測控過程的圖形化編程方法，如 NI 公司的 LABVIEW 或 HP 公司的VEE 編程或者是 LABWINDOWS/CVI 等。本設(shè)計采用 NI 公司的 LABVIEW 進(jìn)行開發(fā)。 LABVIEW 介紹 LABVIEW是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (實驗室虛擬儀器集成開發(fā)環(huán)境 )的簡稱，是有美 國國家儀器公司 (National instruments, IN)創(chuàng)立的一個功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析應(yīng)用開發(fā)工具。LABVIEW 是基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，可以在不同操作系統(tǒng)下保持兼容，為數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示提供集成的開發(fā)工具，而且還可以通過 DDE 和TCP/TP 實現(xiàn)共享，節(jié)約了 80%的程序開發(fā)時間，而速度幾乎不受影響。事實上，LABVIEW 已經(jīng)成為圖形化編程語言的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 LABVIEW 不同于基于文本的的編程語言（如 Fortran 和 C），他是一種圖形編程語言 通常稱為 G 語言，其編程過程就是 同過圖形符號描述程序的運行。 NI LABVIEW 使用已獲取專利的數(shù)據(jù)流編程模式，他能是用戶從基于文本程序語言的循序結(jié)構(gòu)中解脫出來，他的執(zhí)行循序是由節(jié)點間的數(shù)據(jù)而不是由文本行的循序決定的。并且， LABVIEW海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 是唯一具有編譯器的圖形化程序環(huán)境，所生成的的優(yōu)化代碼的執(zhí)行速率可以和 C語言媲美。 LABVIEW 是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它為設(shè)計者提供了一個便捷、輕松的設(shè)計環(huán)境，利用它設(shè)計者可以象搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并任意構(gòu)造自己的儀器面板， 而無需進(jìn)行任何繁瑣的計算機(jī)程序代碼的編寫，從而可以大大簡化程序的設(shè)計。 LABVIEW 與 VC++, Visual Basic, LabWindows/CVI 等編程語言不同，后者采用的是基于文本語言的程序代碼，而 LABVIEW 則是使用圖形化程序設(shè)計語言 G，用對話框代替了傳統(tǒng)的程序代碼。 LABVIEW 所運用的設(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。用 LABVIEW 設(shè)計的虛擬儀器可以脫離 LABVIEW 開發(fā)環(huán)境，最終用戶看一見的是和實際的硬件儀器相似的操作面板。 LABVIEW 包含有專門用于設(shè)計數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的功能庫和開發(fā)工具庫。 LABVIEW 的程序設(shè)計實質(zhì)上就是設(shè)計一個個的“虛擬儀器”，即“ VIs(Virtual Instruments) 。在計算機(jī)顯示屏幕上利用功能庫和開發(fā)工具庫產(chǎn)生一個前面板 (front panel )； 在后臺則利用圖形化編程語言編制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有與傳統(tǒng)儀器類似的界面，可接受用戶的鼠標(biāo)指令。一般來說，每一個 VI 都可以作為其它