【正文】 嵌入式系統(tǒng)的儀器。在計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。正是由于 LabVIEW 的出現(xiàn)開創(chuàng)了儀器研究的新方法—— 虛擬儀器。后來 NI 公司不斷推出基于各種操作系統(tǒng)的 LabVIEW 版本。 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench 的縮寫，即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，是美國 NI 公司（ National Instrument Company）推出的一種基于 G 語言（ Graphics Language，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功能。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式。 NI 公司宣稱“ The Software is the Instrument”，即“軟件就是儀器” [1]。 2 虛擬儀器及 LabVIEW 的簡介 2． 1 概述 由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量儀器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。 LabVIEW 作為虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的杰出代表，在我國由于引進(jìn)的時(shí)間不長，了解和熟悉它的人還不多，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被認(rèn)識(shí)和推廣應(yīng)用。據(jù)專家預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)初我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1995 年我國進(jìn)口 電子測(cè)量儀器 73。虛擬儀器賴以生存的 PC 計(jì)算機(jī)近幾年正以迅猛的勢(shì)頭席卷全國，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1． 在通用硬件平臺(tái)確定后，有軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能； 2． 儀器的功能是用戶 根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由生產(chǎn)廠家定義好的； 3． 儀器性能的改進(jìn)和功能的擴(kuò)展只需進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)更新，而不需要購買新的儀器；‘ 4． 研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短，且成本低廉； 5． 虛擬儀器具有開放性和靈活性，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)。而且，在、現(xiàn)在化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強(qiáng)、精度高、自動(dòng)化程度高，而且要求測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好的人機(jī)界面。 傳統(tǒng)儀器下的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，已嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際的需要。LabVIEW 的 CIN 節(jié)點(diǎn)使用戶可以使用由其它語言，如 ANSIC，編譯的基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 程序模塊，使 LabVIEW 成為一個(gè)完全開放式的開發(fā)平臺(tái)。 LabVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點(diǎn)，動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，以便進(jìn)行方便的調(diào)試。 LabVIEW 采用圖形化語言編程，以方框圖的形式編制程序，運(yùn)用的設(shè)備圖表與科學(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。 1998 年 NI 公司推出 了基于 Windows 95 /Windows 的最新版本 和它的姐妹軟件包LabWindow/CVI 。 1986 年，美國國家儀器公司（ National Instruments）開發(fā)研制出基于蘋果公司的Macintosh 微機(jī)的最早版本。 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench 的縮寫。 Tectronix 公司目前生產(chǎn)約 80 多種型號(hào)的虛擬儀器，此外還有 NI 公司、 Keithely 公司， Iotech 公司等。 93 億美元、占整個(gè)儀器銷售額 73 億的 4%。此后?；?LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 虛擬儀器可廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對(duì) 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步將產(chǎn)生不可估量的影響。 1． 2 虛擬儀器及 LabVIEW 的 發(fā)展 在這種背景下， 20 世紀(jì) 80 年代末美國率先研制成功虛擬儀器（ Virtual VI）。電子測(cè)量儀器的 功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。隨著電子技術(shù)和微處理技術(shù)的發(fā)展和普及， 20 世紀(jì) 80 年代以微處理器為核心的第四代儀器 智能式儀器迅速發(fā)展和普及。當(dāng) 20世紀(jì) 50 年代出現(xiàn)電子管， 60 年代出現(xiàn)晶體 管時(shí)不我待，便產(chǎn)生了以電子管或晶體管為基礎(chǔ)的第二代測(cè)量儀器 分立元件測(cè)試儀器。測(cè)量儀器發(fā)展至今，大體經(jīng)歷了四代發(fā)展歷程。 測(cè)試技術(shù)與科學(xué)研究、工程師工程實(shí)踐密切相關(guān)。在電路設(shè)計(jì)和鼓掌查詢時(shí)，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)對(duì)各種實(shí)際典型電路進(jìn)行分析和測(cè)量，充分利用虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)電 路系統(tǒng)的能力和實(shí)際操作能力。利用當(dāng)今先進(jìn)的 Electronic Workbench、 PSPICE 等電子電路設(shè)計(jì)軟件以及一些自動(dòng)設(shè)計(jì)的軟件，完成電子電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和可編程邏輯器件的實(shí)驗(yàn)以及印刷電路板的設(shè)計(jì)。 EDA 技術(shù)借助計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量大、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評(píng)估、 設(shè)計(jì)校驗(yàn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式，它通常是由個(gè)人計(jì)算機(jī)、模塊化的功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成，使計(jì)算機(jī)成為一個(gè)具有各種測(cè)量功能的數(shù)字化測(cè)量平臺(tái)。數(shù)學(xué)化測(cè)量平臺(tái)逐漸成為測(cè)量儀器的基礎(chǔ)。本文的課題背景知識(shí)包括：數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、工程測(cè)試技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺(tái)等?；?LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 課題背景 本文所講的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)、電子測(cè)量技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)高速發(fā)展，而傳統(tǒng)儀器下的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)已嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際需要的背景下，利用美國 NI 公司的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) LabVIEW 自行設(shè)計(jì)開發(fā)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。它可用于信號(hào)的采集、分析、存儲(chǔ)和讀取，以及電工、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 1． 1 虛擬儀器在教學(xué)上的運(yùn)用前景 隨著低成本高性能的計(jì)算機(jī) 資源普及運(yùn)用。在 20 世紀(jì) 80 年代末美國研制成功虛擬儀器，代表了儀器發(fā)展的一種方向。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板 ，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功能。EDA 成為集成電路、印刷電路板、電子整機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)手段。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上完成電路設(shè)計(jì)計(jì)算、電路模擬和印刷電路板設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)實(shí)際制作。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，以微機(jī)為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測(cè)試平臺(tái)，代替常規(guī)化儀器儀表，不但滿足電工、電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，而且可將這批微機(jī) 時(shí)間較長的缺點(diǎn)得到改善，而且在經(jīng)濟(jì)性上也變得合理，從而用數(shù)學(xué)方法處理信號(hào)的范圍越來越大，這中趨勢(shì)仍在繼續(xù)基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 發(fā)展?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試技術(shù)的發(fā)展反過來又促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的提高。 第一代模擬儀器是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的模擬儀表。 20 世紀(jì) 70年代集成電路的出現(xiàn)，誕生了以集成電路芯片為基礎(chǔ)的第三代儀器 數(shù)字式儀器。由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)和儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破傳統(tǒng)儀器的概念。測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的深層次結(jié)合正引起測(cè)試儀器 領(lǐng)域里的一場(chǎng)革命，一種全新的儀器結(jié)構(gòu)概念 虛擬儀器，它的出現(xiàn)使人類的測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)元。所謂虛擬儀器就是利用通用計(jì)算機(jī)為核心，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件結(jié)構(gòu)平臺(tái)，由用戶設(shè)計(jì)、定義虛擬儀器面板，測(cè)試功能由軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，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(jià)的新型儀器。 虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。國際上從 1988年陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)有五家制造商推出 30 種產(chǎn)品 。虛擬儀器 產(chǎn)品每年成倍增加，到 1994 年底，虛擬儀器制造廠已達(dá) 95 家共生產(chǎn) 1000 多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達(dá) 2。美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國，生產(chǎn)虛擬儀器的主要廠家有 HP 公司目前生產(chǎn) 100 多種型號(hào)的虛擬儀器。 虛擬儀器的軟件開發(fā)環(huán)境目前大致有兩類：一類是文本式 的編程語言，如 Borland C, Visual C++,LabWindow/CVI 等； 另一類是圖形化編程語言，具代表性的有 LabVIEW,HPVEE 等。它是一個(gè)工程軟件包。在此之后，該公司不斷推出基于各種操作系統(tǒng)的 LabVIEW 版本。正是由于 LabVIEW 的出現(xiàn)開創(chuàng)了上文 提到的虛擬儀器研究新方法。 LabVIEW 提供提供了大量的函數(shù)和子程序支持用戶的任務(wù)，也提供了一些專用程序如 GPIB 設(shè)備控制、VXI 總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲(chǔ)。同時(shí)， LabVIEW 可調(diào)用 Windows 動(dòng)態(tài)連接庫和用戶自定義的動(dòng)態(tài)連接庫中的函數(shù)，以解決LabVIEW 對(duì)某些非 NI 公司支持的硬件在使用過程中的驅(qū)動(dòng)問題。此外，LabVIEW 還直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（ DDE）、結(jié)構(gòu)化查詢語言（ SQL）、TCP 和 UDP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 等。 其根本原因在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容依附于課程設(shè)立，基本處于割裂狀態(tài)，儀器設(shè)備不可能實(shí)現(xiàn)資源共享，在科學(xué)技術(shù)以摩爾定律發(fā)展的今天，高校不可能支付巨額的儀器設(shè)備更新資金。虛擬儀器正可以實(shí)現(xiàn)這些要求。 目前，我國正處于科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，對(duì)儀器設(shè)備的需求將更加強(qiáng)勁。 虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場(chǎng)容量巨大。 5 萬臺(tái)，價(jià)值 32 億美元。發(fā)達(dá)國家雖然在此領(lǐng)域比我國起步早，但差距并不是很大，我們應(yīng)當(dāng)充分把握時(shí)機(jī)，取長補(bǔ)短，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將我國的虛擬儀器產(chǎn)業(yè)水平逐漸向先進(jìn)國家靠攏。本文基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 就 LabVIEW 在開發(fā)虛擬儀器過程中的應(yīng)用做初步的探討，愿其中成功的經(jīng)驗(yàn)、失敗的教訓(xùn)對(duì)于應(yīng)用此軟件的讀者來說有所幫助。在這種背景下，美國國家儀器公司（ National Instruments）在 20 世紀(jì) 80 年代最早提出虛擬儀器（ Virtual Instrument）的概念，同時(shí)推出了用于虛擬儀器開發(fā)的工程軟件包 LabVIEW。虛擬儀器利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件，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(jià)的新型儀器。它通常是由個(gè)人計(jì)算機(jī)、模塊化的功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成，使計(jì)算機(jī)成為一個(gè)具有各種測(cè)量功能的數(shù)字化測(cè)量平臺(tái)。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步將產(chǎn)生不可估量的影響，同時(shí)對(duì)改善高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備，提高教學(xué)質(zhì)量也是一個(gè)福音。最初它是基于蘋果公 司的 Macintosh 微機(jī)的。 2021 年 NI 公司推出了 LabVIEW7 Express，目前已經(jīng)有了 。 2． 2 虛擬儀器技術(shù) 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2． 2． 1 虛擬儀器的定義 虛擬儀器（ Virtual Instrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。虛擬儀器主要是指這種方式。 虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分組成。虛擬儀