【正文】 器概述 虛擬儀器的概念隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)儀器己經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代測控系統(tǒng)的要求，美國國家儀器公司率先提出虛擬儀器的概念，它徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使得用戶可以自己定義儀器，靈活地設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)，以滿足多樣化的需求。虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器，即是在通用計(jì)算機(jī)上加上一組軟件或硬件，使得使用者在操作這臺計(jì)算機(jī)時(shí)，就像在操作一臺他自己設(shè)計(jì)的專用傳統(tǒng)電子儀器。利用計(jì)算機(jī)屏幕形象、方便地模擬各種儀器控制面板，以各種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果。用鍵盤或鼠標(biāo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的面板按鍵與旋鈕，人手不再觸及儀器本身，實(shí)現(xiàn)硬件軟件化的結(jié)果。 虛擬儀器的主要特點(diǎn)虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一種新型的富有生命力的儀器種類。軟件在儀器中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機(jī)來實(shí)現(xiàn)的角色，軟件是虛擬儀器的核心，而虛擬儀器中的硬件僅僅是為了解決信號的輸入、輸出，這是虛擬儀器相對于傳統(tǒng)儀器，在概念上的重大突破。而且，虛擬儀器充分利用了計(jì)算機(jī)豐富的圖形用戶界面資源，建立圖形化軟面板來代替常規(guī)的儀器控制面板，真正做到界面友好、人機(jī)交互。當(dāng)需要時(shí)，用戶可通過軟件編程添加新的功能，而不必購買新的儀器，使得一臺虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)各種儀器的不同功能，大大提高了儀器功能的靈活性。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器，它是一種基于Web技術(shù)的新型虛擬儀器，使得虛擬儀器成為Internet的一部分，可方便地構(gòu)建遠(yuǎn)程自動(dòng)測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)必需的基本硬件，如數(shù)據(jù)采集電路等被高度集成，制成數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)硬件模塊的即插即用。虛擬儀器利用軟件，選配一個(gè)或幾個(gè)帶有共性的基本儀器硬件來組成一個(gè)通用硬件平臺，通過調(diào)用不同的軟件來擴(kuò)展或組成各種功能的儀器或系統(tǒng)，由于虛擬儀器具有標(biāo)準(zhǔn)性、開放性和模塊化結(jié)構(gòu)，用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，提高可重復(fù)利用率。 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)任何測量測試儀器的主要功能都是由三大部分組成：數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)測試和分析；結(jié)果輸出顯示。只要提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就構(gòu)成了基于計(jì)算機(jī)組成的虛擬測量測試儀器。 虛擬儀器的硬件構(gòu)成硬件接口電路與計(jì)算機(jī)儀器構(gòu)成了虛擬儀器的硬件。 虛擬儀器的硬件構(gòu)成框圖基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器，它是以信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡(Data Acquisition，簡稱DAQ)及PC機(jī)為儀器硬件平臺，采用PCI或ISA計(jì)算機(jī)本身的總線，將DAQ直接插入PC機(jī)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的總線擴(kuò)展插槽即可，因此這種虛擬儀器又稱PCDAQ/PCI插卡式虛擬儀器?；诖锌趦x器的虛擬儀器，它是由Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及PC機(jī)為儀器硬件平臺，符合RS232或者RS422標(biāo)準(zhǔn)的PLC和單片機(jī)系統(tǒng)。其中，控制其安裝在零號槽中，稱為零槽控制器?；赑XI儀器的虛擬儀器，它是以PXI(PCI Extension for Instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊及PC機(jī)為硬件平臺，PXI總線方式是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加同步觸發(fā)總線，參考時(shí)鐘規(guī)范和要求形成。基于現(xiàn)場總線的虛擬儀器，它是以 Field Bus標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及PC機(jī)為儀器硬件平臺。PCIDAQ/PCI、串行口方案主要適合構(gòu)成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，如測試任務(wù)需要，也可將上述集中方案結(jié)合構(gòu)成混合測試系統(tǒng)。軟件可以定義為各種儀器，可以說“軟件即是儀器”。由于計(jì)算機(jī)很容易與網(wǎng)絡(luò)、外圍設(shè)備，以及其他應(yīng)用連接，對于數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制、遠(yuǎn)程傳送都非常方便。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件從底層到頂層可分為三個(gè)層次，即VISA庫、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序，對于數(shù)據(jù)的采集與控制，由于涉及到硬件操作，需要對應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用軟件，它是建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，需由用戶自己編寫，通過提供直接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(dòng)測控任務(wù)。另一種是基于圖形化語言的軟件開發(fā)環(huán)境，主要有LabVIEW、HPVEE等。得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可和好評。LabVIEW是一種虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源代碼級的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。特別是對于熟悉儀器結(jié)構(gòu)和硬件電路的硬件工程師、工程技術(shù)人員和測試技術(shù)人員來說，編程就像設(shè)計(jì)電路圖一樣；因此，硬件工程師、工程技術(shù)人員和測試技術(shù)人員們學(xué)習(xí)LabVIEW駕輕就熟，在較短的時(shí)間內(nèi)就能夠?qū)W會并應(yīng)用LabVIEW，也不必去記憶那眼花繚亂的文本式程序代碼。像C和C++等其它計(jì)算機(jī)高級語言一樣，LabVIEW也是一種通用編程語言，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，甚至還有網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)流向及其變化情況，比其它語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。一個(gè)VI由交互式用戶接口、數(shù)據(jù)流框圖和圖標(biāo)連接端口組成。用戶可以將一個(gè)應(yīng)用分解為多個(gè)任務(wù)，再將任務(wù)細(xì)分，將一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用分解為多個(gè)簡單的子任務(wù)，為每個(gè)子任務(wù)建立一個(gè)VI，然后把這些VI組合在一起成為最終的應(yīng)用程序。進(jìn)一步而一言，許多低級子VI可以完成一些常用功能，因此，用戶可以開發(fā)特定的子VI庫，以適用一般的應(yīng)用程序。諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)規(guī)定，一個(gè)函數(shù)只有當(dāng)它的所有輸入有效時(shí)才能執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出，只有當(dāng)它的功能完成時(shí)才是有效的。這樣，LabVIEW中被連接的功能節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流就能控制程序的執(zhí)行次序，而不像文本程序受到行順序執(zhí)行的約束。LabVIEW的核心是VI。前面板接收來自程序圖的指令。當(dāng)把一個(gè)輸入控件或顯示放置到前面板上時(shí)，LabVIEW在程序圖中相應(yīng)地放置了一個(gè)端口(Terminals)，這個(gè)從屬于輸入控件或顯示控件的端口不能隨意刪除，只有刪除它對應(yīng)的輸入控件或顯示控件時(shí)它才隨之一起被刪除。首先，從功能菜單中選擇需要的功能節(jié)點(diǎn)，將之置于面板上合適的位置；然后用線(Wires)連接各功能節(jié)點(diǎn)在程序圖中的端口，用來在功能節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。用LabVIEW編制出的圖形化VI是分層次和模塊化的。顯然LabVIEW依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計(jì)的概念。 LabviEW的應(yīng)用現(xiàn)狀LabVIEW廣泛應(yīng)用于包括自動(dòng)化、通信、半導(dǎo)體、電路設(shè)計(jì)、航空和生產(chǎn)、過程控制及生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的各種工業(yè)領(lǐng)域中，用來提高應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)使用LabVIEW，共享軟件及信息資源，可以節(jié)約大量的時(shí)間和金錢。LabVIEW結(jié)合NITestStand測試執(zhí)行環(huán)境和該領(lǐng)域中最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫，為整個(gè)系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測管理平臺。應(yīng)用于過程控制和工廠自動(dòng)化:可利用LabVIEW來建立過程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)。對于大型復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)，有專門的LabVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控多通道I/O、與工業(yè)控制器和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，以及提供基于PC機(jī)的控制。LabVIEW系列產(chǎn)品，包括用于可靠、確定性控制的實(shí)時(shí) LabVIEW (LabVIEW RT)軟件，能夠快速、準(zhǔn)確的建立起功能強(qiáng)大的機(jī)器監(jiān)視和自動(dòng)控制應(yīng)用程序。 本章小結(jié)本章主要介紹了虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW的相關(guān)知識。本章分別闡述了它的概念、特點(diǎn)、組成、及應(yīng)用等內(nèi)容，并介紹了虛擬儀器軟件開發(fā)平臺及NI公司的提供的圖形化編程語言LabVIEW的特點(diǎn)及應(yīng)用。此溫度檢測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信，能及時(shí)地將溫度數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，并將在上位機(jī)界面行程曲線，直觀的表現(xiàn)溫度變化。溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線顯示，而且具有數(shù)字顯示和波形圖顯示。 總體設(shè)計(jì)方案本論文設(shè)計(jì)開發(fā)的是基于LabVIEW2010的溫度檢測系統(tǒng)，根據(jù)從總體到局部的設(shè)計(jì)原則，通過對系統(tǒng)功能的分析，將整個(gè)系統(tǒng)分解為實(shí)現(xiàn)不同功能的幾個(gè)部分，然后分別對每個(gè)部分設(shè)計(jì)。兩個(gè)部分是通過PC機(jī)中的USB串口進(jìn)行通信的。上位機(jī)部分完成對硬件的驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)顯示、處理與存儲，超溫報(bào)警及人機(jī)交互操作界面的生成。首先闡述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則，即從整體到部分的設(shè)計(jì)思想，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可擴(kuò)展性及易操作性等性能指標(biāo)，再根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況提出本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。兩部分是通過計(jì)算機(jī)的串口進(jìn)行通信的。在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中，軟件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，也占大部分工作量。RS232總線是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA于1969年推出的一個(gè)串行通信標(biāo)準(zhǔn)，也是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通訊，多用于點(diǎn)對點(diǎn)的通訊。而且編程簡單，幾乎所有的開發(fā)軟件都對其提供了良好的支持。在通用儀器總線中，經(jīng)常用到三種總線:GPIB，VXI和PXI。數(shù)據(jù)傳輸速率一般為250500Kbps，最高可達(dá)1Mbps，傳輸距離不能大于20m。GPIB盡管存在很多局限性，但目前仍是儀器、儀表及測控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)互連的主流并行總線。從根本上講，VXI就是把GPIB測量技術(shù)與插入式DAQ板及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)等最佳技術(shù)結(jié)合在一起。VXI總線是一種32位并行方式的內(nèi)總線，總線背板的數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可以達(dá)到40Mbps。PXI是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它將PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。雖然這些儀器總線的性能比較好，但儀器控制系統(tǒng)都需要配備專門的接口控制卡，或者NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，用戶組裝系統(tǒng)時(shí)，需要打開機(jī)箱，使用不方便。USB是通用串行總線 (Universal Serial Bus)的縮寫，是一種新的計(jì)算機(jī)串行總線。使用USB Hub實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，最多可連接127個(gè)外設(shè)，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹狀結(jié)構(gòu)。USB支持熱插拔和即用，所有USB設(shè)備均可隨時(shí)接入和拔離系統(tǒng)，USB主機(jī)能夠動(dòng)態(tài)地識別設(shè)備的狀態(tài)，并自動(dòng)為的設(shè)備分配地址和配置參數(shù)。USB具有速度快、使用方便靈活、易于擴(kuò)展、支持即插即用、成本較低等一系列優(yōu)特性，使USB正逐步取代傳統(tǒng)的并行或串行接口，廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互接口、音頻和視頻傳輸、量高速外存接口、寬帶接入、數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器等領(lǐng)域。雖然調(diào)試USB驅(qū)動(dòng)程序比較復(fù)雜，但通過應(yīng)用集成度較高的專用芯片，可以大大簡化程序的開發(fā)工作。 USB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) USB系統(tǒng)概述USB系統(tǒng)主要由USB主機(jī)和USB設(shè)備構(gòu)成，所有的傳輸事務(wù)都是由主機(jī)發(fā)起的，USB設(shè)備是不能主動(dòng)向主機(jī)傳輸任何數(shù)據(jù)的，除非獲得主機(jī)的允許。 USB系統(tǒng)的分層 USB主機(jī)在USB系統(tǒng)中只允許有一個(gè)主機(jī)，分為三個(gè)不同的功能模塊:客戶軟件、系統(tǒng)軟件、USB總線接口?？蛻糗浖荒苤苯釉L問USB設(shè)備，其與功能單元間的通信必須經(jīng)過USB系統(tǒng)軟件和USB總線接口才能夠?qū)崿F(xiàn)。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)和USB系統(tǒng)軟件進(jìn)行接口。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍€應(yīng)提供或空或滿的內(nèi)存緩沖區(qū)以存儲這些數(shù)據(jù)。它是最上層的軟件，只能看到像USB設(shè)備發(fā)送的原始數(shù)據(jù)和從USB設(shè)備接收的最終數(shù)據(jù)。USB系統(tǒng)軟件：USB系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)和USB邏輯設(shè)備進(jìn)行配置通信，并管理客戶軟件啟動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸。USB總線接口：USB總線接口包括主控制器和根集線器兩部分。主控制器負(fù)責(zé)完成主機(jī)和USB設(shè)備間數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸。 USB設(shè)備要為USB設(shè)備寫驅(qū)動(dòng)程序就必須知道USB設(shè)備的架構(gòu)。USB總線接口是USB設(shè)備中的串行接口引擎(SIE)；USB邏輯設(shè)備被USB系統(tǒng)軟件看做是一個(gè)端點(diǎn)的集合；功能單元被客戶軟件看做是接口的集合。端點(diǎn)是USB設(shè)備中的實(shí)際物理單元，其一般由USB接口芯片來提供。利用設(shè)備地址、端點(diǎn)號和傳輸方向就可以指定一個(gè)端點(diǎn)，并和它通信。它比較特殊是雙向通信，并且把0號端點(diǎn)所形成的數(shù)據(jù)流管道成為缺省管道。另一類是非0號端點(diǎn)，這類端點(diǎn)都只有在USB設(shè)備被正確配置后才可以使用。它不受平臺、總線和環(huán)境的限制。通用串行總線（USB）是一個(gè)基于信息的通訊總線。每個(gè)USB設(shè)備都有各自的指令集。 NIVISA ，它有兩種VISA類函數(shù) (Resource Class) ，可以控制兩類USB設(shè)備：USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備。 配置NIVISA的過程使用Driver Development wizard(驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)向?qū)?創(chuàng)建INF文檔；安裝INF文檔,并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備；使用NIVISA Interactive Control(NIVISA互動(dòng)控制工具)對設(shè)備進(jìn)行測試,以證實(shí)USB設(shè)備已正確安裝，并獲得USB設(shè)備的各屬性值。ViProperty，VISA設(shè)備的屬性子節(jié)點(diǎn)，可以設(shè)置端點(diǎn)或傳輸方式。ViRead，從VISA resource name指定的設(shè)備讀出數(shù)據(jù)。 USB設(shè)備讀寫的操作次序。 VISA配置串口控件通過VISA資源名稱指定插入的USB設(shè)備，進(jìn)而對該USB設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，時(shí)該設(shè)備做好接受上位機(jī)LabVIEW發(fā)送的指令。 VISA寫入控件該控件的功能是將寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入VISA資源名稱指定的設(shè)備或者接口。 VISA讀取控件該控件的功能是從VISA資源名稱指定的設(shè)備或者借口中讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并且使數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。 VISA清空I/O緩沖區(qū)控件屏蔽指明要刷新的緩沖區(qū)。邏輯OR，也稱為 OR或加，用于合并值。該控件的作用是清空由屏蔽指定的I/O緩沖區(qū)。 VISA關(guān)閉控件該控件的作用是關(guān)閉VISA資源名稱指定的設(shè)備會話句柄或事件對象，完成一次數(shù)據(jù)采集過程。I/O接口軟件存在于儀器和儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，完成對儀器內(nèi)部寄存器進(jìn)行直接存儲數(shù)據(jù)操作，并且為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件。由于全部默任串口的設(shè)置(9600bps 8 位數(shù)據(jù),1 位停止,1 位起始,無握手信號) ,下位機(jī)采集程序遵守上述協(xié)議,直接用讀圖標(biāo)讀串口的數(shù)據(jù)。需要注意的是系統(tǒng)從串口讀來的數(shù)據(jù)被自動(dòng)轉(zhuǎn)換為ASCII字符，要想得到數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中還用到了一個(gè)子VI。這些控件是VI的輸入輸出端口。顯示控件是指圖表、指示燈等顯示裝置。顯示控件模擬儀器的輸出裝置，用