【正文】 方法又可分為諧振法和合成法兩種。 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。在此背景下， 1986 年美國國家儀器公司 (National Instruments， NI)提出了虛擬儀器 (Virtual Instrument， VI)的概念。 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]。 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。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]。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。 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。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)。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)量儀器，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)。 虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”。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)量儀器為基礎(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)量儀器等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源有機(jī)的結(jié)合起來。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。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。 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 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。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)格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使 用習(xí)慣，用戶經(jīng)簡單培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。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)。 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。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。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。 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。 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)。 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。 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。 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。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。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]。如圖 所示 。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)。 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。 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。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型，如圖 所示。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)。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。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。 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。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。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)。 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)。 4） PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是 Compact PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展， 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。 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。 5）串口系統(tǒng)是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器精簡平臺(tái)組成的虛擬測(cè)試系統(tǒng) [10]。 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。以美國 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。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。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。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 9 LabWindows/CVI。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。 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。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。 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。 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。因此， LABVIEW 受到越來越多工程師和科學(xué)家的青睞。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]。 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) 10 象。 2）流程圖：流程圖提供 VI 的圖形化源程序。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。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]。 （ 2） 設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行過程清晰而且直觀。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來很大的方便。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。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。同時(shí)也對(duì)于將來系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。 （ 3） 便于實(shí)現(xiàn)“測(cè)試集成”和虛擬儀器庫的思想。 虛擬儀器的發(fā)展方向 虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢(shì)在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)換靈活，它 已廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、機(jī)械工程、建筑工程、鐵路交通、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。測(cè)控儀器將會(huì)向高