【文章內容簡介】 第一章主要介紹了虛擬儀器開發(fā)的背景和發(fā)展狀況，說明了本課題的背景、意義以及本文的主要工作。 第二章詳細敘述了虛擬儀器的概念、組成與應用，同時介紹了開發(fā)軟件 LabVIEW 的起源、特點、程序的設計流程。 第三章主要確定了系統(tǒng)方案的實現(xiàn)。 第四章主要確定了系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法，包括 系統(tǒng)中的各個模塊設計過程。 第五章結論主要回顧了論文的主要工作以及有待解決的問題。 三江學院畢業(yè)設計 (論文 ) 4 第二章 虛擬儀器與 LabVIEW 虛擬儀器簡介 虛擬儀器概念 隨著電子技術的發(fā)展，電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、分立組件式儀器、集成式儀器、數(shù)字化儀器、帶 GPIB 接口的智能化儀器到全部可編程虛擬儀器的發(fā)展歷程。近些年來，計算機科學和微電子技術，以及網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展和普及，有力地推動了多年來發(fā)展相對緩慢的儀器技術的革新和進步。與此同時，儀器的遠程控制、實驗信息的遠程獲取和傳輸也越來越重 要，于是一種新型的，基于計算機技術所形成的儀器種類 一虛擬儀器 (Virtual Instrument. VI)技術出現(xiàn)。它不僅被廣泛地應用在科學研究領域，而且使得新型遠程教育模式的實現(xiàn)成為可能。 虛擬儀器技術將計算機應用于測試儀器之中 .利用良好的虛擬儀器軟件平臺 .充分發(fā)揮計算機強大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的圖形顯示功能 .在屏幕上虛擬出與傳統(tǒng)儀器相似的顯示面板 .用戶通過鍵盤和鼠標操縱面板上的虛擬開關、旋鈕、按鍵等 .控制儀器的運行、了解儀器的狀態(tài)、讀取打印測試結果。虛擬儀器以特定的軟件支持取代相應的電子線 路 .充分利用計算機硬件資源 .完成傳統(tǒng)儀器硬件的部分以至于全部功能。虛擬儀器技術是傳統(tǒng)儀器功能和外形的模塊化和軟件化。 虛擬儀器主要包含兩方面的含義 :虛擬儀器的面板是虛擬的 。虛擬儀器測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)的。它的主要特點有 : (1)用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫，可以修改儀器功能和面板，設計儀器功能，實現(xiàn)與外設、網(wǎng)絡及其它連接。 (2)虛擬儀器盡可能采用通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件，突出了“軟件就是儀器”的新概念。 (3)虛擬儀器充分利用了計算機強大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和發(fā)布功能，可以創(chuàng)造出功能強的的儀器，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡單，便于構成復雜的測試系統(tǒng)。 (4)虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標準，用戶可以將儀器的設計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標準，使得功能更易于擴展，生產(chǎn)、維護和開發(fā)費用降低。 三江學院畢業(yè)設計 (論文 ) 5 虛擬儀器系統(tǒng)組成 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和應用軟件兩大部分構成 : (1)虛擬儀器的硬件平臺 ①計算機 它一般為一臺 PC 機或者工作站，是硬 件平臺的核心。 ② I/O 接口設備 I/O 接口設備主要完成被測輸入信號的采集、放大、模 /數(shù)轉換。不同的總線有其相應的 I/O 接口硬設備，如利用 PC 機總線的數(shù)據(jù)采集卡 /板 (簡稱為數(shù)采卡 /板， DAQ),GPIB總線儀器、 VX 工總線儀器模塊、串口總線儀器等。虛擬儀器的構成方式主要有 5 種類型，如圖 所示 : 圖 虛擬儀器構成方式 PCDAQ 系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)采用 PCI 或計算機本身的工 SA 總線，將數(shù)據(jù)采集卡 /板 (DAQ)插入計算機的空槽中即可。 GPIB 系統(tǒng)是以 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)。 VXI 系統(tǒng)是以 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)。 PXl 系統(tǒng)是以 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)。 三江學院畢業(yè)設計 (論文 ) 6 串口系統(tǒng)是以 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)。 (2)虛擬儀器的軟件 ①文本式編程語言 :如 Visual C++, Visual Basic, LabWINDOWS/CVI 等 ； ②圖形化編程語言 :如 LabVIEW, HPVEE 等 ； ③實現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程序 ； ④定義測試功能的流程圖軟件程序。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較，具有許多優(yōu)點，如 圖 表 所示 : 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 通過比較發(fā)現(xiàn)，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價格比、可操作性等方 面都具有明顯的技術優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為 ： (1)智能化程度高，處理能力強。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件 水平。用戶完全可以根據(jù)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。 (2)復用性強，系統(tǒng)費用低。應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數(shù)字采樣器，可設計出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計數(shù)器等四種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、系統(tǒng)費用更低。通過與計算機網(wǎng)絡連接，還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。 (3)可操作性強。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用 可以設計不同的操作顯三江學院畢業(yè)設計 (論文 ) 7 示接口。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡發(fā)送。測量完后還可打印，顯示所需的報表曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高。 虛擬儀器在實驗室中的應用 電子儀器與測試實驗室是高等工科院校必備的教學實驗條件。為了提供一定的實 驗規(guī)模，保證每個學生得到實際動手能力的訓練，傳統(tǒng)的教學實驗室一般需購置大量 的基礎測量儀器，如示波器、萬用表、信號源等，投資大、技術更新快、維護困難 ； 另外，像數(shù)字示波器、頻譜分析 儀和邏輯分析儀等中高檔儀器存在價格昂貴等方面的 困難，實驗室只能有少數(shù)儀器，不能滿足實際教學需求。虛擬儀器解決了實驗室在這 方面的難題。利用虛擬儀器技術，可以設計出與實際儀器在原理、功能和操作等方面 完全一樣的全軟件虛擬儀器。利用這些虛擬儀器，學生在計算機上可以學習、掌握儀 器原理、功能與操作，并通過儀器與儀器，儀器與電路的相互配合，完成實際測試過 程，達到與用實際儀器教學相同的效果。虛擬儀器的應用從根本上改變了傳統(tǒng)教學方 法，降低實驗室建設與管理成本，實現(xiàn)遠程實驗教學具有重要參考價值。通過這種實 驗方式，可以培養(yǎng)學生的求知興趣和創(chuàng)新能力。 LabVIEW 簡介 LabVIEW 是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是美國國家儀器公司 (NATIONAL INSTRUMENTS,簡稱 NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品。 數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動測試是實驗室研究和工業(yè)自動化領域廣泛存在的實際任務。在 20 世紀 80 年代個人計算機出現(xiàn)之前，幾乎所有擁有程控儀器的實驗室都采用貴重的儀器控制器測 試系 統(tǒng)，這些功能單一、價格昂貴的儀器控制器通過一個集成通信口來控制 IEEE488 總線儀器 (GPIB 程控儀器 )。后來隨著 PC 的出現(xiàn)，工程師和科學家們找到了一種通過性能價格比高的通用 PC 控制臺式儀器的方法，由此 NI 公司也應運而生。 I,abVIEW 的概念雛形來源于 NI 公司的特魯查德和柯德斯凱 20 世紀 70 年代末期在ARL (Applied Research Laboratory，應用研究實驗室 )完成的一個大型測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于測試美國海軍的聲吶探測器。通過幾年的時間，柯德斯凱把從該測試系統(tǒng)得到三江學院畢業(yè)設計 (論文 ) 8 的啟 示發(fā)展到測試系統(tǒng)軟件由多層虛擬儀器 (Virtual Instruments，簡稱 VI)構成的新概念。一個 VI 可以由更低層的多個 VI 組成，就像真實儀器由印制電路板組成，而印制電路板又由集成電路 (IC)組成一樣。底層 VI 代表了最基本的軟件功能一計算與輸入 /輸出操作。虛擬儀器模型的另一個主要特征是每一個 VI 都有一個用戶接口組件 (VI 前面板 )。同時，在分析比較了 幾 種框圖編程方法的優(yōu)劣后，柯德斯凱決定采用數(shù)據(jù)流程圖作為編程工具?？碌滤箘P領導的開發(fā)小組于 1986 年 5 月推出 LabVIEW Beta 測試版，又經(jīng)過幾個月的反 饋修改，于 1986 年 10 月正式發(fā)布了 LabVIEW1. 0 版。 1988 年的 LabVIEW2. 0 采用了面向對象編程技術。 1992 年 8 月 LabVIEW 2. 5 實現(xiàn)了從 Macintosh 平臺到 Windows平 臺的移植，從 LabVIEW 版本開始， LabVIEW 作為一個完整優(yōu)異的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境得到了工業(yè)界和學術界的認可，并開始迅速占領市場，贏得了廣大用戶的青睞。 它的基本特點是： (1)具有良好的用戶接口其用戶接口類似于傳統(tǒng)儀器的面板，包括按鈕、旋鈕、圖形顯示組件、控制組件等。通過鼠標 和鍵盤向程序輸入數(shù)據(jù)，操作結果由軟件在計算機屏幕上生成。 (2)編程方式簡單、直觀采用圖形語 言 (G