（教育技术学专业论文）虚拟仪器在实验教学中的应用研究.pdf

独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 7 1 ：如没有其他需要特别声 明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 、 学位论文作者签名：簿、识 新擗夕膨武 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂 圭坠可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：绦娟 签字i = i 期：2 0 0 5 年4 月1 8 日 新擗夕铡 山东师范大学硕士学位论文 虚拟仪器在实验教学中的应用研究 中文摘要 实验教学是在教师指导f 学生运用一定的仪器设备进行独立作业，观察事物 和过程的发生和变化，探求事物的规律，以获得知识和技能的一种教学方法。实 验事的装备水平通常被作为一所学校教学、科研水平的重要标志，园此实验室建 设应立足于高水平、高起点，跟踪国际先进水平，运用新技术、新知识，从而为 培养高素质、具有创新能力的人才，创造优良的实验环境。 然而，目前各级学校的电子技术实验室，现有的常规设备有的已经老化，有的 技术上相对落后，有的仪器设备在教学中只用了其中的部分功能，还有许多功能 派不上用场；另一方哂，某些需要的功能又不具备，需购置新的设备。在实验教学 时，实验内容的更新叉会形成对仪器更新的需求，也造成一些仪器的闲置。以至 于滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造- 陡，从而在很 大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高，改革传统的实验教学势 在必行。 采用虚拟仪器技术是解决这一问题的途径之一。虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 的概念是美国国家仪器公司( n i ) 于8 0 年代中期提出米的。这一概念 的核心是以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机的运算、存储、【亘放、 调用、显示以及文件管理等智能式的功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使 与p c 机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件 仪器相同，同时又充分享用了p c 机智能资源的全新的仪器系统。 本文首先对虚拟仪器技术作了简要的概述，然后深入探讨了虚拟仪器实验室 的软硬件平台，在此基础上重点研究了基于虚拟仪器的数字示渡器和信号发生器 的开发以及远程虚拟仪器系统的实现技术。 第一章，简要介绍了虚拟仪器研究的背景和意义以及本文所作的主要工作。 第二章，简述了虚拟仪器的概念、组成及其优点，然后探讨了目前进行虎拟 仪器开发的工具，并最终确定本文采用的开发工具l a b v i 胛。 第i 章，对组成虚拟仪器实验室的软硬件平台进行探讨。其中，硬件平台包括 d a q 虚拟仪器、o p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器、u s b 虚拟仪器和 i e e e l 3 9 4 接口虚拟仪器以及r s 2 3 2 虚拟仪器，软件平台包括v i s a 库、仪器驱动 山东师范大学硕士学位论文 程序、应用软件。 第四章，是本文重点研究的内容。在前一章虚拟仪器软硬件平台的研究基础 上，利用i a b v l e w 的强大功能制作数字示波器和信日发生器。本文开发的示波器 除了基本的波形疑示功能外，与传统的示波器相比较还具有波形的存储和回放以 及对采集到的信号进行时域、频域分析和处珲的功能等。 第五章，指出将虚拟仪器技术和刚络技术相结合，构成网络化虚拟仪器测试 系统是虚拟仪器的重要发展方向。在本章中研究利糊d a t a s o c k e t 技术和通过远程 面板的发布能力使用户方便地打开并操作远程的v i 。 第六耄，对论文进行了简单总结，提出了存在的问题和今后努力的方向。 总之，虚拟仪器系统引入实验教学 使实验室的仪器、设备发挥更高的效率。 必将给实验教学和科研带来极大方便， 随着w e b 虚拟仪器技术的发展以及对其 在远程教育中应用研究的进一步深入，对于探索新的现代远程教育思想和教学模 式、改善实验环境、提高教学质量、培养具有创新意识和创新能力的人才必将产 生深远的影响。 关键词： 虚拟仪器；l a b v i e w ；数字示波器；r s 一2 3 2 ；远程虚拟仪器系统 分类号：6 4 3 4 坐查塑蔓查堂堡l ：堂堡笙苎一 a p p l i c a t i o ns t u d yi ne x p e r i m e n tt e a c h i n go fv i r t u a li n s t r u m e n t a b st r a c t e x p e r i m e n tt e a c h i n gi st h a ts t u d e n t su s ec e r t a i ni n s t r u m e n ta n de q u i p m e n t t oc a r r yo nt h ei n d e p e n d e n th o m e w o r ku n d e rt h eg u i d a n c eo ft e a c h e r ，o b s e r v e t h i n ga n dt a k ep l a c ea n dc h a n g eo fc o u r s e ，s e e kl a wo ft h i n g ，i no r d e rt oo b t a i n k n o w l e d g ea n dak i n do fl e a c h i n gm e t h o do ft e c h n i c a la b i l i t y e q u i p m e n to f l a b o r a t o r ya so n es c h o o lt e a c h i n g ，i m p o r t a n ts i g no ft h es c i e n t i f i cr e s e a r c hl e v e l u s u a l l y , s ol a b o r a t o r yc o n s t r u c t i o ns h o u l db a s eo nh i g h l e v e l ，h i g hs t a r t i n gp o i n t ， f o l l o wt h ei n t e r n a t i o n a lm o s t a d v a n c e dl e v e l ，u s et h en e wt e c h n o l o g y ，n e w k n o w l e d g e t h u si n o r d e rt ot r a i n h i g h q u a l i t yt a l e n t sw i t h i n n o v a t i o na b i l i t y , c r e a t et h ef i n ee x p e r i m e n te n v i r o n m e n t 。 h o w e v e r t h et e c h n o l o g i c a ll a b o r a t o r yo fs c h o o le l e c t r o na ta l ll e v e l sa t p r e s e n t ，e x i s t i n gs o m eo fr o u t i n ee q u i p m e n th a sa l r e a d yw o r no u t 1 a gb e h i n d r e l a t i v e l y o ns o m et e c h n o l o g y , s o m ef u n c t i o n st h a ts o m ei n s t r u m e n ta n d e q u i p m e n th a v eb e e no n l yu s e da m o n gt h e mi nt e a c h i n g ，al o to ff u n c t i o n sc a n n o tb eu s e d ；o nt h eo t h e rh a n d 。s o m ef u n c t i o nt h a tn e e dp o s s e s s ，t a k et o p u r c h a s et h en e we q u i p m e n ta te x p e r i m e n tt e a c h i n g ，e x p e r i m e n tr e n e w a lo f c o n t e n tc a nf o r n lt oi n s t r u m e n tn e wd e m a n dc a u s et h e s t a n d b yo fs o m e i n s t r u m e n t st o oe x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e sa n di n f l e x i b l ee x p e r i m e n tt h a tl a gb e h i n d m o d ed i f f i c u l tt os h i f ts t u d e n t s 。i n i t i a t i v ea n dc r e a t i v i t y , t h u sr e s t r i c t e dt h e d e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n tt e a c h i n ga n di m p r o v e m e n to fp e r s o n n e lt r a i n i n g q u a l i t yt o a g r e a te x t e n t ，i t i si m p e r a t i v ei nt e a c h i n gt or e f o r mt h et r a d i t i o n a l e x p e r i m e n t i ti so n eo ft h ew a y st os o l v et h i sp r o b l e mt o a d o p tt h et e c h n o l o g yo ft h e v i r t u a li n s t r u m e n tt h ec o n c e p to ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tw a sp u tf o r w a r di nt h e m i d d l ep e r i o do ft h ee i g h t i e sb yt h en a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y ( n oo fa m e r i c a n 东师范大学硕士学位论文 t h ec or eo ft h i sc o n c e p ti st h a tt h eh a r d w a r ew h i c hr e g a r d sc o m p u t e ra st h e i n s t r u m e n ti s s u p p o r t e d ，f u l l y u t i l i z ei n t e l l e c t u a lf u n c t i o n s ，s u c ha sc o m p u t e r u n i q u eo p e r a t i o n ，m e m or y , p l a y b a c k ，t r a n s f e r r i n g ，s h o w i n ga n d f i l em a n a g e m e n t e t c m a k ei tc o n b i n ew i t ht h ep ct o g e t h e ra n dc o m b i n et r a d i t i o n a ls p e c i a l i z e d f u n c t i o ns o f t w a r eo fi n s t r u m e n t ，i ti st o t a l l yt h es a m ea st r a d i t i o n a lh a r d w a r e i n s t r u m e n tf r o ma p p e a r a n c et of u n c t i o nt of o r mo n el i k et h i s c a ne n j o y b r a n d n e wi n s t r u m e n ts y s t e mo fr e s o ur c e sp cq u i c k w i t t e df u l l ya tt h es a m e t i m e t h et h e s i sm a k eb r i e fs u m m a r yt ov i r t u a li n s t r u m e n ta tn r s t t h e nd e e pt o p r o b ei n t ov i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mo fl a b o r a t o r y , k e y r e s e a r c hb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n td i g i t a lo s c i l l o g r a p ha n ds i g n a lg e n er a t o r d e v e l o p0 n t h i sb a s i sa n d l o n g r a n g e v i r t u a li n s t r u m e n t i m p l e m e n t a t i o n t e c h n i q u eo fs y s t e m 、 c h a p t e ro n e b a c k g r o u n d ，m e a n i n ga n dj o bd o n eo fat h e s i so fs t u d y i n gi n b r i e fj n t r o d u c t i o n c h a p t e rt w o ，s k e t c ht h ec o n c e p t ，e o m p o s f f i o na n da d v a n t a g eo ft h ev i r t u a l i n s t r u m e n t t h e np r o b e dj n t oa n dc a r r i e do nt h et o o lt h a tt h ev i r t u a | i n s t r u m e n t d e v e l o p e da tp r e s e n t ，a n dc o n f i r md e v e l o p i n gi n s t r u m e n tl a b v i e wo ft h et h e s i s f i n a l l y c h a p t e rt h r e ec a r r yo nt h ed i s c u s s i o nf r o mm a k i n gu pt h es o f t w a r ea n d h a r d w a r e p l a t f o r m o ft h ev i r t u a lf n s t r u m e n t l a b o r a t o r y a m o n gt h e m t h e h a r d w a r ep l a t f o r mi n c l u d e sd a qv i r t u a li n s t r u m e n t ，g p i bv i r t u a li n s t r u m e n t ， v x iv i r t u a li n s t r u m e n t p x lv i r t u a li n s t r u m e n t u s bv i r t u a ii n s t r u m e n ta n dt h e v i r t u a ii n s t r u m en to fi e e e l 3 9 4i n t e f f a c ea n dr s 一2 3 2v i a u a ii n s t r u m e n t t h e s o f t w a r e p l a t f o r m i n c l u d e sv i s as t o r e h o u s e ，i n s t r u m e n t d r i v e r , a p p l i c a t i o n s o f t w a r e c h a p t e rf o u r , i ti sa c o n t e n to fk e yr e s e a r c ho ft h i st e x t a tl a s tc h a p t e rv i r t u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s e a r c hf o u u d a t i o no fp l a t f o r m u t i l i z et h e s t r o n gf u n c t i o no fl a b v i e wt om a k ead i g i t a lo s c i l l o g r a p ha n das i g n a lg e n e r a t o r o s c i l l o g r a p ht h a tt h e s i sd e v e l o p st h i sb e s i d e ss h o w i n gt h ef u n c t i o ni nb a s i c 4 l j i 东师范大学硕士学位论文 w a v ef o r m c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a lo s c i l l o gr a p hw i t hw a v ef o r mm e m o r ya n d p l a y b a c ka n dt og a t h e rs i g n a ll a n d 1 a n da n a l y s ea n df u n c t i o nt h a tp u n i s h ，e t c f r e q u e n t l yw h e ng o i n go nt h a tg e ta l s o c h a p t e rf i v e ，c o m b i n ew i t hn e t w o r kt e c h n o l o g yv ir t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y f o r mn e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e s ts y s t e mf i c t i t i o u s i m p o r t a n td e v e l o p i n g d i r e c t i o no fi n s t r u m e n t s t u d ya n du t i l i z e sd a t a s o c k e tt e c h n o l o g ya n dm a k e s u s er so p e na n do p e r a t el o n g r a n g ev ic o n v e n i e n t l yt hr o u g ht h ei s s u ea b i l i t yo f t h el o n g r a n g ep a n e li nt h i sc h a p t er c h a p t e rs i x ，h a v es u m m ar i z e dt h et h e s i sb r i e f l ya n dp u tf or w a r dt h ee x i s t i n g p r o b l e ma n dd i l i g e n td i r e c t i o ni nt h ef u t ur e i naw o r d t h ev ir t u a li n s t r u m e n ts y s t e mi n t r o d u c e se x p e r i m e n tt e a c h i n g ，w i l l b r i n g t o t e a c h i n g o ft h el a b or a t or ya n ds c i e n t i f i c r e s e a r c h g r e a t l y a n d c o n v e n i e n t l y , m a k et h ei n s t r u m e n t ，e q u i p m e n to ft h el a b o r a t or yg i v e p l a yt o h i g h ere f f i c i e n c y a n dd e e p e n n i n g f u r t h e r l y t or e s e a r c ht h a t i t u s ei n t e l e e d u c a t i o nw i t ht h ed e v e l o p m e n to fw e bv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t h e n e wm o d e r nt e l e e d u c a t i o nt h o u g h ta n dt e a c h i n gm o d ef o re x p l o r i n g ，i m p r o v et h e e x p e r i m e n te n v i r o n m e n t i m pr o v et e a c h i n g q u a l i t y ，t r a i n i n g t a l e n t sw i t h i n n o v a t i v ec o n s c i o u s n e s sa n di n n o v a t i o na b i l i t yt oe x e r ta f a r - r e a c h i n gi n f l u e n c e k e y w o r d ： v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v l e w ，d i g i t a lo s c i l l o g r a p h ，r s 一2 3 2 1 0 n g r a n g ev i r t u a n s t r u m e n ts y s t e m c a t e g o r yn u m b e r ：g 4 3 4 山东师范大学硕士学位论文 虚拟仪器在实验教学中的应用研究 第一章绪论 1 i 虚拟仪器研究的背景和意义 1 1 1 实验教学的现状及其发展 实验教学是在教师指导下学生运用一定的仪器设备进行独立作业，观察事物 和过程的发生和变化，探求事物的规律，以获得知识和技能的一种教学方法。然 而，目前各级学校电子技术实验室，现有的常规设备有的已经老化，有的技术上相 对落后，有的仪器设备在教学中只用了其中的部分功能，还有许多功能派不上用 场；另一方面，某些需要的功能又不具备，需9 | ：句置新的设备。在实验教学时，实验 内容的更新又会形成对仪器新的需求，也造成一些仪器的闲置。以至于滞后的实 验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，从而在很大程度上制 约了实验教学的发展和人才培养质量的提高，改革传统的实验教学势在必行。 虚拟仪器的出现较好地解决了这个问题。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的 概念是美国国家仪器公司( n i ) 于8 0 年代中期提出来的。这一概念的核心是以计算 机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示 以及文件管理等智能式功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与p c 机结合 起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同 时又充分享用了p c 机智能资源的全新的仪器系统，由于仪器的旋钮、按键功能和 面板、控件都是由软件形成的，因此国际上把这种新型的仪器称为虚拟仪器。 在虚拟仪器的基础上形成虚拟仪器实验室。与传统的实验室相比，虚拟仪器 实验室具有以下优势： ( 1 ) 减少实验设备资金的投入。 首先，在一台计算机上就可以实现诸如示波器、函数发生器、电压表、频谱 分析仪等多种仪器的功能，大大节约了仪器成本。 其次，传统仪器维护费用高，需要耗费大量的人力物力。虚拟仪器基于软件 山东师范大学硕士学位论文 的体系结构大大节省了开发和维护费用。 ( 2 ) 便于开放式管理，扩大教学规模。虚拟仪器实验室系统可以通过网络进行 数据传送，指导老师通过计算机监控实验过程，可以同时管理几十甚至上百个学 生做实验。 1 1 2 虚拟仪器研究的背景和现状 虚拟仪器在发达国家已经十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语 言已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国斯坦福大学的机械工程系要求 三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。 然而，虚拟仪器产业在国内的发展现状和发展态势不容乐观。虚拟仪器是随 着传统电子测控技术、计算机技术和通讯技术不断发展、不断完善而产生的一项 综合性结构化电子测量与控制技术。而在我国，计算机、通信及电子产业的发展 与欧美国家相比呈现相对滞后的地位，从而决定了我国的虚拟仪器产业底子薄， 缺少必要的软硬件技术支持，起步较晚，发展缓慢的特点。直到上个世纪九十年 代中后期，虚拟仪器这一概念才逐渐被引入到我国的计算机应用行业中，先天的 不足使得我国的虚拟仪器技术的应用还处在起步阶段。 从九十年代中期以来，国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统一清 华大学、上海复旦大学、上海交通大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学、四川i 联合大学等。近几年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系 统用于教学和科研。其中，四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制 了“航空电台二线综合测试仪”，将8 台仪器集成于一体组成虚拟仪器系统，使用 方便、灵活。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用 于汽车发动机的出厂检验。此外，国内已有几家企业正在研制基于p c 的虚拟仪器。 随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器 的主流。 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强 劲。虚拟仪器赖以生存的p c 计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪 器的发展奠定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。据统计， 1 9 9 5 年我国进口电子测量仪器7 3 5 万台，价值3 2 亿美元。据专家预测，到本世 山东师范大学硕士学位论文 纪初我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域比我国起步较早，但 差距并不是很大，我们应当充分把握时机，取长补短，学习国外先进经验，将我 国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢。各级学校也要抓住机遇，充分利用 虚拟仪器的强大功能开创实验教学的新局面。 1 1 3 虚拟仪器的发展趋势 通过利用i n t e r n e t 资源和技术，如a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ，动态服务器 主页) 可将i n t e r n e t 与虚拟仪器和仿真实验室结合起来，为远程教育中的实验教 学提供有效的解决方案。远程虚拟仪器技术结合了虚拟仪器技术与网络技术，将 虚拟仪器的应用范围拓展到整个i n t e r n e t i n t r a n e t 网上，使信号采集、传输和 处理一体化，一方面可以使许多昂贵的硬件资源得以共享，充分利用现有的实验 室资源：另一方面还有利于远程教育实验教学的开展，从而解决限制远程教育发 展的实验教学难以进行的问题。因此构建基于i n t e r n e t f n t r a n e t 上的远程虚拟 仪器实验系统已经成为促进远程教育发展的重要途径。 1 2 本论文的主要研究内容 本文主要对虚拟仪器及其虚拟实验室的建设进行了研究，通过采用相关的硬 件设备，结合目前流行的图形化编程语言l a b v i e w 、数据采集与接口技术、微机通 信技术等来实现虚拟实验室的开发。通过编程，可以对信号进行显示和处理，提 高数据处理精度及结果显示的精度，完善仪器的功能与使用的方便程度，还可以 发布在服务器上供远程的客户访问控制。 具体包括以下几个方面的内容： 1 虚拟仪器技术概述 对虚拟仪器的概念、组成、优点及其开发工具进行简单的概述，最终确定本 论文所采用的开发工具l a b v i e w 。 2 基于虚拟仪器的实验室设计方案研究 主要论述了虚拟仪器实验室的硬件平台组成和软件平台组成。 3 基于虚拟仪器的数字示波器的开发 虚拟数字信号发生和显示系统的基本功能简介，硬件电路的选择，并利用 山东师范大学硕士学位论文 l a b v i e w 的强大功能制作一个数字示波器和信号发生器。本文开发的示波器除了具 有基本的波形显示功能外，与传统的示波器相比较还具有波形的存储和回放以及 对采集到的信号进行时域、频域分析和处理的功能等。 4 远程虚拟仪器系统的实现 探讨了利用d a t a s o c k e t 技术实现数据的共享，利用w e b 发布虚拟仪器程序以 及在客户端进行远程测控和实验。 山东师范大学硕士学位论文 2 1 虚拟仪器 第二章虚拟仪器技术概述 2 1 1 虚拟仪器的概念 上世纪八十年代末，随着计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地 促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术，并由此产生一个新型的仪器概念一虚拟 仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称为v i ) 。虚拟仪器是将现有的计算机主流技术与 革新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功能强大又灵活 易变的基于计算机的测试测量与控制系统来替代传统仪器( 价格昂贵，功能单一) 功能。它通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算 机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪 器硬件的成本和体积。 虚拟仪器本质上是利用p c 枫强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能，建 立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示， 实现完全由用户自己定义、适合不同应用环境和对象的各种功能。在虚拟仪器系 统中，硬件仅仅是解决信号的输入输出问题的方法和软件赖以生存、运行的物理 环境，软件才是整个仪器的核心构件。使用者通过调整或修改仪器的软件，便可方 便地改变和增减仪器的功能和规模，甚至改变仪器的性质。1 2 1 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的构成包括硬件和软件两个基本要素。虚拟仪器中硬件的主要功能 是获取真实的被测信号：而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、显示 等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。 1 硬件简介 硬件是虚拟仪器工作的基础，它的主要功能是完成对被测信号的采集、传输 和显示测量的结果。虚拟仪器的硬件主要是由计算机和信号采集调理部件所组成， 其中计算机包括微处理器、存储器和显示器等，它主要用来提供实时高效的数据 处理性能。计算机是虚拟仪器的硬件基础，对于工业自动控制、测试与测量而言， 山东师范大学硕士学位论文 _ _ 一一一 计算机是功能强大、价格低廉的运行平台。由于虚拟仪器充分利用了计算机的图 形用户界面( g u i ) ，所开发的具体应用程序都基于w i n d o w s 运行环境，所以计算机 的硬件配置必须合适。g u i 对计算机的c p u 运行速度、内存大小、显示卡性能等都 有最基本的要求，一般而言要使用4 8 6 以上的c p u 和1 6 m 以上内存的计算机才能 获得良好的效果。 卜咂蔓_ 黼图像采集f h g 啪接口懈r 哐亟p 被传 一 串行口仪器p l c ， 计算机 ( 装有 测 感 i 寸 对器 + 一v x i 仪器i - 虚拟仪 象 器开发 软件) + 叫i e e e l 3 9 4 接口仪器 - ! 叫插卡式( d a q ) 仪器卜叫 图2 - 1 虚拟仪器的硬件组成 虚拟仪器硬件组成有多种分类方法，既可以按照应用领域来分，也可以按照 测量功能来分，但是最常用的是按照构成虚拟仪器的接口总线的不同，分为数据 采集插卡式( d a q ) 虚拟仪器、串行接口虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 虚拟 仪器、g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器以及最新的i e e e l 3 9 4 接口虚 拟仪器等，如图2 1 所示。“ 在实际应用中虚拟仪器常用两种构成方式。一种是把带有某种接口的各种测 试设备连接到p c 上，如带有6 p i b 或r s 一2 3 2 接口的测量仪表。但是，带r s 一2 3 2 接口的仪表可直接连接到p c 上，带g p i b 口的仪表还需通过p c 中内置的g p i b 接 口卡才能和p c 相连。另一种是直接把传感器的输出信号经放大调理后送到p c 内 置的专用数据采集卡，然后由软件完成数据处理。 2 软件简介 虚拟仪器技术的核心思想，就是利用计算机的软、硬件资源，使本来需耍硬 件实现的技术软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能 山东师范大学硕：i 学位沦文 与灵活性。基于软件在v i 系统中的重要作用，n i 提出了“软件就是仪器( t h e s o f t w a f ei st h ei n s t r u m e n t ) ”的口号，并逐步提出了系统框架、驱动程序、v i s a 、 软面板、部件库等一系列软件标准，推动了虚拟仪器软件标准化的进程。 2 1 3 虚拟仪器的优点 与传统仪器相比，虚拟仪器的优点在于： 1 将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理。由于 充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加 灵活、简单。 2 强调“软件就是仪器”，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角 色。由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标 准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。 3 仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方 便地同外殴、网络及其它应用连接。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可 重用源代码库，处理模块间通讯、定时、触发等功能，强调在通用计算机平台的 基础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户自己定义、 由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪 器由厂家定义、用户无法改变的模式，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力 的空间。 4 用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复 利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，软硬件生产、维护 和开发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台数字式测试仪器使用，又可以构成 较为复杂的测试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统，迸行远程 监控及故障诊断。此外，利用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体 系结构的传统仪器，还可以大大节省仪器购买、维护费用。“3 传统仪器的功能是由厂家定义、用户无法改变的；而在虚拟仪器中用户可以灵 活地根据自己的需要设计自己的仪器，利用通用的仪器硬件平台，调用不同的测 试软件就可构成不同功能的仪器。表2 - i 对虚拟仪器和传统仪器的特点作了一个 简单的比较。 山东师范大学硕士学位论文 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护的费j ；= j 高 技术更新周期短( 1 2 年) 技术更新周期睦( 5 1 0 年) 关键是软件关键是硬件 价格低廉价格昂贵 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展 系统封闭、功能固定 自动化、智能化、远距离传输 功能单一、操作不便 表2 - 1 v i 与传统仪器的比较 2 2 虚拟仪器开发工具简介 2 2 1 概述 软件在现代自动测试系统构成与开发费用中所占的比例越来越大，测试软件 编程对广大测试工程师和科学家编程能力的要求越来越高，带来的负担也越来越 重。使用一套效率高、功能强的测试软件开发工具，不但可以节省工程师在程序 编码和调试中的时间和精力，而且还可以提高软件的生成和维护效益。虚拟仪器 的开发工具比较广泛，目前比较流行的软件开发技术是面向对象的编程技术和图 形编程技术，两者在虚拟仪器开发中都有应用。可视化编程语言环境v i s u a lc + + 、 v i s u a l b a s i c 均可以作为开发虚拟仪器的配套软件，但相比较图形编程语言来说， 编程难度较大，开发周期较长且不易进行更改、升级和维护等。而图形编程语言 在这方面具有无可比拟的优势，它具有简单易学，开发周期短，开发出的应用程 序界面美观，功能强大。目前最具代表性的是：美国n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 、 l a b v i e w 和惠普公司的h pv e e 。 l a b w i n d o w s c v i 是一个完全的标准c 开发环境，用于开发虚拟仪器应用系统。 它以c 语言为基础，提供内置式函数库用于完成数据采集、分析、和显示任务： 它还提供简单的拖放式用户界面编辑器以及自动代码生成工具。利用这些功能， 可以在将代码加入到某项目之前，先对其进行互动式的测试：还可以利用 l a b w i n d o w s c v i 定义和建立用户界面，生成或运行a c t i v e x 组件，及开发多线程 应用。作为交互式的集成开发环境，l a b w i n d o w s c v i 是熟悉c 语言的开发设计人 14 山东师范大学硕士学位论文 员编写检测、数据采集、监控程序的理想工具。 而l a b v i e w 是在1 9 8 6 年由美国国家仪器公司n i 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s c o r p o r a t i o n ) 设计。的，它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境， 从本质上实现了虚拟仪器的概念。n i 公司的l a b v i e w 是一套专为数据采集与仪器 控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，它增强了用户在标准的计 算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己所需仪器系统的能力。将l a b v i e w 与 一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于 许多领域。l a b v i e w 最大的特点在于，它使用图形化编程语言在流程图中创建源 程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。l a b v i e w 还整合了与诸如满足 g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能，内置了便 于t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数。虽然l a b v i e w 是一个通用编程系统， 但是它也包含为数据采集和仪器控制特别设计的函数库和开发工具。l a b v i e w 程序 被称为虚拟仪器( v l s ) ，是因为它们的外观和操作能模仿实际的仪器。由于l a b v i e w 所使用的术语、图标和概念都是技术人员、科学家、工程师所熟悉的，所以即使 用户没有多少编程经验，同样也能利用l a b v i e w 来开发自己的应用程序。“1 h pv e e 是惠普公司开发的专门用于仪器控制和信号分析的图形化编程环境， h pv e e 提供了丰富的函数模块以及大量的仪器驱动程序。h pv e e 简单易用，编程 时只要根据测试流程将各模块连接起来即可，而无需接触更低层的编程。在仪器 控制方面，h pv e e 提供了直观的仪器软面板和灵活的直接输入输出方式，从而用 户在编程时可以将更多的精力放在测量的定义、程序的结构、仪器的使用等方面。 2 2 2l a b v i e w 开发环境及设计的一般过程 1 l a b v i e w 开发环境 虚拟仪器的开发平台l a b v i e w 是一种图形化编程语言，它以简单直观的编程 方式，配合众多的设备驱动程序，把复杂、烦琐、费时、难学的语言编程简化成 为功能方框图、或实体图形，通过简单的连线方式完成程序设计，并设有自动除 错及自动测试功能，令程序开发时间大为缩短。 l a b v i e w 应用程序的构成； 所有的l a b v i e w 应用程序，即虚拟仪器( v i