【正文】 圖 13 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器發(fā)展歷程虛擬儀器的起源可以追朔到20世紀(jì)70年代，那時計算機(jī)測控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。對虛擬儀器和LabVIEW長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。大致說來，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個階段，而這三個階段又可以說是同步進(jìn)行的。由于GPIB總線標(biāo)準(zhǔn)的確立，計算機(jī)和外界通信成為可能，只需要把傳統(tǒng)儀器通過GPIB和RS232同計算機(jī)連接起來，用戶就可以用計算機(jī)控制儀器。這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線前進(jìn)。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術(shù)進(jìn)步：一是插入式計算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡 ( plugin PCDAQ )；二是VXI儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立。第三階段，虛擬儀器框架得到了廣泛認(rèn)同和采用。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件領(lǐng)域以產(chǎn)生，幾個虛擬儀器平臺已經(jīng)得到認(rèn)可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工具。 虛擬儀器的開發(fā)軟件 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺——LabVIEWLabVIEW(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)界和研究實驗室所接受，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。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi構(gòu)成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。儀器軟件裝在計算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實驗室應(yīng)用。它的出現(xiàn)使電子測量獨(dú)立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。GPIB技術(shù)可用計算機(jī)實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。（4） VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計算機(jī)總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。經(jīng)過十多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。PXI的高度可擴(kuò)展性。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器，例如示波器和波形發(fā)生器，性能強(qiáng)大，但是價格昂貴，且被廠家限定了功能，只能完成一件或幾件具體的工作，因此，用戶通常都不能夠?qū)ζ浼右詳U(kuò)展或自定義其功能。另外,開發(fā)這些儀器還必須要用專門的技術(shù)和高成本的元部件，從而使它們身價頗高且很不容易更新。 傳統(tǒng)儀器虛擬儀器關(guān)鍵是硬件關(guān)鍵是軟件開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用高開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用低技術(shù)更新周期長技術(shù)更新周期短價格高價格低，并且可重用性與可配置性強(qiáng)廠商定義儀器功能用戶定義功能系統(tǒng)封閉、固定系統(tǒng)開放、靈活,與計算機(jī)的進(jìn)步同步不易與其他設(shè)備連接與其他設(shè)備極易相連表2－1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較從表2－1中可見,傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器最重要的區(qū)別在于：虛擬儀器的功能由用戶使用時自己定義,而傳統(tǒng)儀器的功能是由廠商事先定義好的。而且,沒有面向科技與工程人員的圖形化開發(fā)平臺就難以涉及虛擬儀器。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計算機(jī)測試系統(tǒng)性能不可能太高。每一種儀器是一個插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。VXI儀器價格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的PXI標(biāo)準(zhǔn)儀器。基于軟件在VI系統(tǒng)中的重要作用，NI提出了軟件就是儀器（The software is the instrument）的口號。虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：VISA庫、儀器驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件。一般稱這個I/O函數(shù)庫為VISA庫。它對于儀器驅(qū)動程序開發(fā)者來說是一個個可調(diào)用的操作函數(shù)集。它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動測試任務(wù)。主要有Microsoft公司的Visual Basic與Visual C++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder；（2） 用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開發(fā)。應(yīng)用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。以及數(shù)字濾波等等。在此，本章簡單現(xiàn)今用到最多的面向儀器與測控過程的圖像化開發(fā)平臺LabVIEW。LabVIEW和儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示部分一起協(xié)調(diào)工作, 是簡化了而又更易于使用的基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境。同時,軟件前面板創(chuàng)建了一個真正的接口,無論用戶使用什么類型的硬件,并且,不像硬件前面板,軟件前面板只包含了對于一個應(yīng)用場合很重要的參數(shù),用戶能夠很容易地從一個單一前面板控制多臺,并把整個系統(tǒng)作為一臺虛擬儀器來看待。使用流程圖方法可以實現(xiàn)內(nèi)部的自我復(fù)制,采用前面板、流程圖、圖標(biāo)等,用戶就對整個系統(tǒng)實現(xiàn)圖形化描述,同時,用戶還能夠重用虛擬儀器,可以隨時改變虛擬儀器來滿足自己的需要。與傳統(tǒng)的編程方式相比,使用LabVIEW設(shè)計虛擬儀器,可以提高效率4～10倍。 LabVIEW應(yīng)用程序構(gòu)成所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分。但并非畫出兩個控件后程序就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個與之對應(yīng)的流程圖。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。如果將VI與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對應(yīng)的就是傳統(tǒng)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器箱內(nèi)的硬件電路。 用LabVIEW虛擬儀器編程設(shè)計的步驟（1） 總體設(shè)計：根據(jù)用戶需求，進(jìn)行VI總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定面板布局與程序流程，并保證所使用的虛擬儀器硬件在LabVIEW函數(shù)庫中有相應(yīng)的驅(qū)動程序。（3） 方框圖編程：在LabVIEW的方框圖編輯窗口內(nèi)，利用工具模板和函數(shù)模板進(jìn)行方框圖編程。4 基于LabVIEW的溫度分析儀的實現(xiàn)基于labview的溫度分析儀（ 以下簡稱為本課題 ）是基于LabVIEW 虛擬平臺，使用圖形語言編程，利用軟件代替DAQ數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，模擬溫度測量；利用“演示讀取電壓”子程序來仿真電壓測量，然后把所得的電壓數(shù)值換成攝氏或者華氏溫度讀數(shù)。用戶可以設(shè)置溫度上限，并計算出采集溫度的最大值、最小值和平均值。本課題使用的 L