【正文】 和虛擬儀器庫的思想。同時(shí)也對(duì)于將來系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。設(shè)計(jì)者可把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 分為多個(gè)子系統(tǒng) ， 每一個(gè)都可完成一定的功能。在設(shè)計(jì)大型自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)一步完成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是相當(dāng)有難度的。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來 很大 的方便。 （ 2） 設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行過程清晰而且直觀。在 許多情況下 ， 使用 VI 可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)儀器 ， 不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板 ， 而且其功能也與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾 [14]。流程圖中包括前面板上的控件連線端子 ， 還有一些前面板上沒有 ， 但編程必須有的東西 ， 例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。 2） 流程 圖： 流程 圖提供 VI 的圖形化源程序。 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(duì)象 ， 具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 10 象。像許多通用的軟件一樣， LABVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh OS等多種版本 [12]。因此 ， LABVIEW 受到越來越多工程師 和 科學(xué)家的青睞。 目前 ， 在以 PC 機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)試和工控軟件中 ， LABVIEW 的市場(chǎng)普及率僅次于C++/C 語言。 傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計(jì)思路 ， 設(shè)計(jì)者必須寫出執(zhí)行的語句。它還內(nèi)置了便于應(yīng) 用 TCP/PI、 ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù) ，是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) —— 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(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受 ， 視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabWindows/CVI 是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的 ， 是在 Windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC 開發(fā)環(huán)境。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： NI 公司的 LABVIEW 和浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 9 LabWindows/CVI。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng) ， 是有相當(dāng)難度的 ， 除了要花大量時(shí)間進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)外 ， 還要編制 大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和底層控制程序。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 以及 各種硬件儀器驅(qū)動(dòng)軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化 ， 虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。以美國(guó) NI 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(tái)是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具。 虛擬儀器 的軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件 ， 其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。 5）串口系統(tǒng)是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器精簡(jiǎn)平臺(tái)組成的虛擬測(cè)試系統(tǒng) [10]。 PXI 是在 PCI 內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。 4） PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是 Compact PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展 ，浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 8 是 NI 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。 3） VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是 VME 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展 ，上個(gè)世紀(jì) 1993 年 VXI 總線 版本被批準(zhǔn)為 IEEE1155 標(biāo)準(zhǔn) ， 成為開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換 ， 只需對(duì)計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動(dòng)。典型的GPIB 測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī) ， 一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺(tái) GPBI 儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。 2） GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口總線 ， 是計(jì)算機(jī)和儀器的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議 。這種基于計(jì)算機(jī)的儀器 ， 既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì) ， 又能滿足測(cè)量需求的多樣性。各儀器廠家生產(chǎn)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(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、任意波形發(fā)生器等。其中 USB 是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡 ， 具有精度高 ， 可攜性好等優(yōu)點(diǎn) ， 它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源 ， 大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性；利用 DAQ 卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型 ， 如圖 所示。 虛擬儀器 I/O 接口設(shè)備 I/O 接口設(shè)備主要用來完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。 通常虛擬儀器 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、信號(hào)調(diào)理及信號(hào)采集部件、通用計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等構(gòu)成。 對(duì)于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩部分主要由軟件實(shí)現(xiàn)。如圖 所示。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī) ， 以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托 ， 實(shí)現(xiàn)各種儀器功能 ， 虛擬儀器主要是指這種方式 [9]。這種結(jié)合基本有兩種方式 ， 一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器 ， 其典型的例子就是智能化儀器。 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 6 虛擬儀器系統(tǒng)的組成 虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。 近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。 7）可方便地存貯和交換測(cè)試數(shù)據(jù) ， 測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。 5）虛擬儀器開放、靈活 ， 與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展 ， 與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。 3） 儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義 ， 不是事先由廠家定義的。同時(shí) ， 虛擬儀器的面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標(biāo)準(zhǔn)元件和加工工藝的限制 ， 由編程來實(shí)現(xiàn) ， 設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設(shè)計(jì)儀器面板。虛擬儀器與之不同 ， 它可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。 1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè) ， 上面布置了種類繁多的顯示和操作元件。 在高速度、高帶寬和專業(yè)測(cè)試領(lǐng)域 ，獨(dú)立儀器具有無可替代的優(yōu)勢(shì)。它功能強(qiáng)大 ， 可實(shí)現(xiàn) 示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部功能 ， 配以專用探頭和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù) ， 如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、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(fēng)格簡(jiǎn)約 ， 符合 傳 統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣 ， 用戶經(jīng)簡(jiǎn)單 培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。 虛 擬 儀 器 開 發(fā) 者虛 擬 儀 器 軟 件 面 板虛 擬 儀 器 軟 件 開 發(fā) 平 臺(tái)底 層 驅(qū) 動(dòng) 程 序硬 件 模 塊虛 擬 儀 器 開 發(fā) 者操 作 系 統(tǒng) 圖 虛擬儀器開發(fā)框圖 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 5 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng) ， 且功能靈活 ， 很容易構(gòu)建 ， 所以應(yīng)用面極為廣泛。由于 VI 的模塊化、開放性和靈活性 ， 以及 軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn) ， 當(dāng)用戶的測(cè)試要求變化時(shí)可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊 ， 或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要求。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一 ， 有了這一點(diǎn) ， 儀器的開發(fā)和換代時(shí)間將大大縮短。 虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x器為基礎(chǔ) ， 將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上 ， 直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源 ，將計(jì) 算機(jī)硬件和測(cè)量?jī)x器等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源有機(jī)的結(jié)合起來。 虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是 “ 軟件即是儀器 ”。所謂虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái) ， 它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器 ， 如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等 ， 可集成于自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中 ， 可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)采集卡的物理通道 進(jìn)行設(shè)計(jì) ， 從 LABVIEW 設(shè)計(jì)的程序中產(chǎn)生 的模擬 （數(shù)字） 輸入 ， 經(jīng)過信號(hào) 調(diào)節(jié) 后 ， 由數(shù)據(jù)采集卡采集 并輸出信號(hào) 。 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 章 3 課題的主要任務(wù) 信號(hào)源的波形有正弦波、方波、三角波、鋸齒波、 PWM(Pulse Width Modulation)波 等不同種類。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展 ， 使它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強(qiáng)和擴(kuò)大。由于計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷改進(jìn) ， 使虛擬儀器的價(jià)格更為大眾化 ， 用戶不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價(jià)格 ，進(jìn)一步降低了使用成本 ， 減少了系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用 [4]。 由于虛擬儀器的功能和性能已被不斷提高 ， 如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。 作為一種以計(jì)算機(jī)軟件為核心的新型儀器系統(tǒng) ， 虛擬儀器具有功能強(qiáng)、測(cè)試精度高、測(cè)試速度快、自動(dòng)化程度高、人機(jī)界面優(yōu)異、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) ， 通常被認(rèn)為是第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的同義語 [3]。在此背景下 ， 1986 年美國(guó)國(guó)家儀器公司 (National Instruments， NI)提出了虛擬儀器 (Virtual Instrument， VI)的概念。 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)物。再次 ， 按其產(chǎn)生頻率的方法又可分 為諧振法和合成法兩種。首先 ， 信號(hào)發(fā)生器可以分通用和專用兩大類 ， 專用信號(hào)發(fā)生器主要為了某種特殊的測(cè)量目的而研制的 ， 如電視信號(hào)發(fā)生器、脈沖編碼信號(hào)發(fā)生器等 ， 這種發(fā)生器的特性是受測(cè)量對(duì)象的要求所制約的。 其基本原理如圖 所示。軟件控制波形的一個(gè)最大缺點(diǎn)就是輸出波形的頻率低 ， 這主要是由 CPU 的工作速度決定的 ， 如果想提高頻率可以改進(jìn)軟件程序減少其執(zhí)行周期時(shí)間