【正文】 刻的變化。 虛擬儀器技術(shù)概述 虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司（ National Instruments）最先提出的 [4][5]。虛擬儀 器是智能儀器之后的新一代測量儀器。該技術(shù)把儀器分為計算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。 畢業(yè)論文 虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢 虛擬儀器是基于計算機(jī)的功能化硬件模塊和計算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心 [，如圖 所示，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關(guān)。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件（如 GPIB，VXI， RS232， DAQ 板）和可重復(fù)用庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。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)用戶的測試要求變化時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 臺底 層 驅(qū) 動 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 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢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特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號、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，用戶不經(jīng)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)測試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。 1） 傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，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，它可以通過在幾個分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。同時，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)計者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設(shè)計儀器面板。 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 便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 開發(fā)維護(hù)費(fèi)用低 開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高 技術(shù)更新周期短（ ～ 1 年） 技術(shù)更新周期短（ 5～ 10 年） 軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵 價格低 價格昂貴 開放、靈活與計算機(jī)同步，可重復(fù)用和重配置 固定 可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器 只可連有限的設(shè)備 自動化、智能化、多功能、遠(yuǎn)距離傳輸 功能單一，操作不便 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。在當(dāng)前流行的 C/S/D網(wǎng)絡(luò)模式下，利用嵌入式技術(shù)（包括數(shù)據(jù)庫嵌入和網(wǎng)絡(luò)模塊的嵌入）可以充分利用有效資源，提高測試效率。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日 趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。以通用的計算機(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。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計 日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計工作量大大減小。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言（如 LabVIEW）編寫而成，并可通過 Inter 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展?？筛鶕?jù)實(shí)際情況采用不同的 I/O 接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡 /板 (DAQ)、 GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器、串口儀器、 USB 等。 畢業(yè)論文 被 測 信 號P C D A QG P I B 儀 器串 口 儀 器V X I 模 塊P X I 模 塊計 算 機(jī) 圖 虛擬儀器構(gòu)成方式 1） DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡是指基于計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線 (如 ISA、 PCI、 USB等 )的內(nèi)置功能插卡。在性能上，隨著 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展， DAQ 卡的采樣速率已達(dá) 1GB/s，精度高達(dá) 24 位，通道數(shù)高達(dá) 64 個，并具有數(shù)字I/O，模擬 I/O 和計數(shù)器 /定時器等通道。在計算機(jī)上掛接多個 DAQ 功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有多功能的測試儀器。對我國大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性能價格比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案 。 GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 和 ，它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配備了遵循 IEEE488 的 GPIB 接口。每臺 GPIB 儀器有單獨(dú)的地址，由計算機(jī)控制操作?；?GPIB 總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于 500kb/s，不適合與對系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。儀器專用總線在吸收 IEEE488 的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了 10MHz 時鐘線，模擬和數(shù)字混合總線，星形總線等高速總線，定時關(guān)系嚴(yán)格，兼有計算機(jī)總線和儀器總線的優(yōu)點(diǎn)。其核心是 Compact PCI 結(jié)構(gòu)和 Microsoft Windows 軟件。 PXI 增加了用于多個板卡同步的觸發(fā)總線和 10MHz 參考時鐘、用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，來滿足實(shí)驗(yàn)和測量用戶的要求。這樣可保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。 RS232 總線是早期采用的通用串行總線，將帶有 RS232 標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器作為 I/O接口設(shè)備，通過 RS232 串口總線與計算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測試系統(tǒng)。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。這些軟件開發(fā)平臺提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè)計工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動程序模塊，簡化了虛擬儀器的設(shè)計工作。 硬 件 驅(qū) 動 程 序數(shù) 據(jù) 處 理用 戶 界 面 圖 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的開發(fā)軟件 1 虛擬儀器的開發(fā)語言 虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標(biāo)準(zhǔn) C， Visual C++ ， Visual Basic 等通用程序開發(fā)語言。除了要花大量時間進(jìn)行測試系統(tǒng)面板設(shè)計外，還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動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，畢業(yè)論文 其中有影響的開發(fā)軟件有： NI 公司的 LabVIEW， 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。 2 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺 —— 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)計思路，設(shè)計者必須寫出執(zhí)行的語句。 目前，在以 PC 機(jī)為基礎(chǔ)的測試和工控軟件中， LabVIEW 的市場普及率僅次于 C++/C 語言。因此， LabVIEW 受到越來越多工程師、科學(xué)家的普遍青睞。像許多通用的軟件一樣， LabVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh OS 等多種版本。 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象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。 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。 ② 設(shè)計的思路和運(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)定帶來諸多的方便。在設(shè)計大型自動檢測系統(tǒng)時一步完成一個復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計是相當(dāng)有難度的。設(shè)計者可把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可完成一定的功能。同時也對于將來系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。 ③ 便于實(shí)現(xiàn)“測試集成”和虛擬儀器庫的思想。它是計算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。實(shí)際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。 在通用微機(jī)系統(tǒng)里，含有一塊非常重要的采集卡 —— DAQ 數(shù)據(jù)采集卡 ,它是完成采集系畢業(yè)論文 統(tǒng)的不可或缺的部分。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?采集 板卡初始 化，板卡上和內(nèi)存中的 Buffer 是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。 1 緩沖（ Buffers） 這里的緩沖指的是 PC 內(nèi)存的一個區(qū)域（不是 數(shù)據(jù)采集卡 上的 FIFO 緩沖），它用來臨時存放數(shù)據(jù)。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到 Buffer，你就可以先將它們快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。如果你的卡有 DMA 性 能，模擬輸入操作就有一個通向計算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意