【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第一章主要介紹了虛擬儀器開發(fā)的背景和發(fā)展?fàn)顩r，說(shuō)明了本課題的背景、意義以及本文的主要工作。 第二章詳細(xì)敘述了虛擬儀器的概念、組成與應(yīng)用，同時(shí)介紹了開發(fā)軟件 LabVIEW 的起源、特點(diǎn)、程序的設(shè)計(jì)流程。 第三章主要確定了系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)。 第四章主要確定了系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法，包括 系統(tǒng)中的各個(gè)模塊設(shè)計(jì)過(guò)程。 第五章結(jié)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 第二章 虛擬儀器與 LabVIEW 虛擬儀器簡(jiǎn)介 虛擬儀器概念 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子測(cè)量?jī)x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(lái)，計(jì)算機(jī)科學(xué)和微電子技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，有力地推動(dòng)了多年來(lái)發(fā)展相對(duì)緩慢的儀器技術(shù)的革新和進(jìn)步。與此同時(shí)，儀器的遠(yuǎn)程控制、實(shí)驗(yàn)信息的遠(yuǎn)程獲取和傳輸也越來(lái)越重 要，于是一種新型的，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)所形成的儀器種類 一虛擬儀器 (Virtual Instrument. VI)技術(shù)出現(xiàn)。它不僅被廣泛地應(yīng)用在科學(xué)研究領(lǐng)域，而且使得新型遠(yuǎn)程教育模式的實(shí)現(xiàn)成為可能。 虛擬儀器技術(shù)將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于測(cè)試儀器之中 .利用良好的虛擬儀器軟件平臺(tái) .充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)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(guò)鍵盤和鼠標(biāo)操縱面板上的虛擬開關(guān)、旋鈕、按鍵等 .控制儀器的運(yùn)行、了解儀器的狀態(tài)、讀取打印測(cè)試結(jié)果。虛擬儀器以特定的軟件支持取代相應(yīng)的電子線 路 .充分利用計(jì)算機(jī)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(shù)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(cè)量功能是通過(guò)對(duì)圖形化軟件流程圖的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它的主要特點(diǎn)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(guò)提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫(kù)，可以修改儀器功能和面板，設(shè)計(jì)儀器功能，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)強(qiáng)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(qiáng)的的儀器，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡(jiǎn)單，便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)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(biāo)準(zhǔn)，用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使得功能更易于擴(kuò)展，生產(chǎn)、維護(hù)和開發(fā)費(fèi)用降低。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成 : (1)虛擬儀器的硬件平臺(tái) ①計(jì)算機(jī) 它一般為一臺(tái) PC 機(jī)或者工作站，是硬 件平臺(tái)的核心。 ② I/O 接口設(shè)備 I/O 接口設(shè)備主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。不同的總線有其相應(yīng)的 I/O 接口硬設(shè)備，如利用 PC 機(jī)總線的數(shù)據(jù)采集卡 /板 (簡(jiǎn)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(gòu)成方式主要有 5 種類型，如圖 所示 : 圖 虛擬儀器構(gòu)成方式 PCDAQ 系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)采用 PCI 或計(jì)算機(jī)本身的工 SA 總線，將數(shù)據(jù)采集卡 /板 (DAQ)插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可。 GPIB 系統(tǒng)是以 GPIB 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。 VXI 系統(tǒng)是以 VXI 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。 PXl 系統(tǒng)是以 PXI 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 串口系統(tǒng)是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。 (2)虛擬儀器的軟件 ①文本式編程語(yǔ)言 :如 Visual C++, Visual Basic, LabWINDOWS/CVI 等 ； ②圖形化編程語(yǔ)言 :如 LabVIEW, HPVEE 等 ； ③實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程序 ； ④定義測(cè)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(diǎn)，如 圖 表 所示 : 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價(jià)格比、可操作性等方 面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為 ： (1)智能化程度高，處理能力強(qiáng)。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(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。 (2)復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低。應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等四種儀器。這樣形成的測(cè)試儀器系統(tǒng)功能更靈活、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過(guò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。 (3)可操作性強(qiáng)。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對(duì)不同應(yīng)用 可以設(shè)計(jì)不同的操作顯三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 示接口。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解，測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可打印，顯示所需的報(bào)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(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用 電子儀器與測(cè)試實(shí)驗(yàn)室是高等工科院校必備的教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件。為了提供一定的實(shí) 驗(yàn)規(guī)模，保證每個(gè)學(xué)生得到實(shí)際動(dòng)手能力的訓(xùn)練，傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般需購(gòu)置大量 的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，如示波器、萬(wàn)用表、信號(hào)源等，投資大、技術(shù)更新快、維護(hù)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(jià)格昂貴等方面的 困難，實(shí)驗(yàn)室只能有少數(shù)儀器，不能滿足實(shí)際教學(xué)需求。虛擬儀器解決了實(shí)驗(yàn)室在這 方面的難題。利用虛擬儀器技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出與實(shí)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(xué)生在計(jì)算機(jī)上可以學(xué)習(xí)、掌握儀 器原理、功能與操作，并通過(guò)儀器與儀器，儀器與電路的相互配合，完成實(shí)際測(cè)試過(guò) 程，達(dá)到與用實(shí)際儀器教學(xué)相同的效果。虛擬儀器的應(yīng)用從根本上改變了傳統(tǒng)教學(xué)方 法，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理成本，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要參考價(jià)值。通過(guò)這種實(shí) 驗(yàn)方式，可以培養(yǎng)學(xué)生的求知興趣和創(chuàng)新能力。 LabVIEW 簡(jiǎn)介 LabVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司 (NATIONAL INSTRUMENTS,簡(jiǎn)稱 NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品。 數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過(guò)程監(jiān)控和自動(dòng)測(cè)試是實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛存在的實(shí)際任務(wù)。在 20 世紀(jì) 80 年代個(gè)人計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，幾乎所有擁有程控儀器的實(shí)驗(yàn)室都采用貴重的儀器控制器測(cè) 試系 統(tǒng)，這些功能單一、價(jià)格昂貴的儀器控制器通過(guò)一個(gè)集成通信口來(lái)控制 IEEE488 總線儀器 (GPIB 程控儀器 )。后來(lái)隨著 PC 的出現(xiàn)，工程師和科學(xué)家們找到了一種通過(guò)性能價(jià)格比高的通用 PC 控制臺(tái)式儀器的方法，由此 NI 公司也應(yīng)運(yùn)而生。 I,abVIEW 的概念雛形來(lái)源于 NI 公司的特魯查德和柯德斯凱 20 世紀(jì) 70 年代末期在ARL (Applied Research Laboratory，應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室 )完成的一個(gè)大型測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于測(cè)試美國(guó)海軍的聲吶探測(cè)器。通過(guò)幾年的時(shí)間，柯德斯凱把從該測(cè)試系統(tǒng)得到三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 的啟 示發(fā)展到測(cè)試系統(tǒng)軟件由多層虛擬儀器 (Virtual Instruments，簡(jiǎn)稱 VI)構(gòu)成的新概念。一個(gè) VI 可以由更低層的多個(gè) VI 組成，就像真實(shí)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(jì)算與輸入 /輸出操作。虛擬儀器模型的另一個(gè)主要特征是每一個(gè) VI 都有一個(gè)用戶接口組件 (VI 前面板 )。同時(shí)，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。柯德斯凱領(lǐng)導(dǎo)的開發(fā)小組于 1986 年 5 月推出 LabVIEW Beta 測(cè)試版，又經(jīng)過(guò)幾個(gè)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?qū)ο缶幊碳夹g(shù)。 1992 年 8 月 LabVIEW 2. 5 實(shí)現(xiàn)了從 Macintosh 平臺(tái)到 Windows平 臺(tái)的移植，從 LabVIEW 版本開始， LabVIEW 作為一個(gè)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(xué)術(shù)界的認(rèn)可，并開始迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，贏得了廣大用戶的青睞。 它的基本特點(diǎn)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(guò)鼠標(biāo) 和鍵盤向程序輸入數(shù)據(jù)，操作結(jié)果由軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成。 (2)編程方式簡(jiǎn)單、直觀采用圖形語(yǔ) 言 (G