（机械电子工程专业论文）基于lab+view的虚拟实验仪器的研究与开发.pdf

基于l b b v i e w 的虚拟实验仪器的研究与开发 摘要 目前，在电子测量和自动化控制领域，虚拟仪器技术取得了巨大的发展。 虚拟仪器是一种功能意义上的测量和控制仪器，是具有仪器功能的软件、硬件 的组合它充分利用计算机技术，在基本硬件的支持下，通过调用相应的高级 软件模块来完成数据的采集、控制、分析、处理以及结果储存和显示，从而实 现各种传统仪器的功能。 本文从探索研究的角度出发，对虚拟仪器的系统构成、实现手段和开发方 法进行了研究。在此基础上。研究开发了基于l a b v i e w 开发平台的虚拟示波器 和虚拟信号发生器，并利用该虚拟示波器对实际信号进行了测试与分析，同时 对该虚拟信号发生器的输出信号也进行了实测和分析，结果较为满意。在开发 虚拟仪器的同时，掌握了l a b v i e w 编程语言和开发技术及标准，对虚拟仪器的 构成、实现手段和开发方法有了一定的认识。 由于虚拟仪器技术在国内尚还没有普及，本文试图探索出一条适合我国国 情的开发高档虚拟实验仪器的途径，做到花钱少、精度高，具有较高的性价比， 以在教学、实验、工程应用领域进行推广 关键词：虚拟仪器；数字信号处理；虚拟示波器 t h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ev i r t u a le x p e r i m e n t i n s t r u m e n t a t i o nb a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n th a sb e e nd e v e l o p e dv e r y q u i c k l yi nt h ef i e l do fe l e c t r o n i cm e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h ev i r t u a l i n s t r u m e n ti sak i n do ff u n c t i o n a li n s t r u m e n tc o m b i n i n go fs o f t w a r ea n d h a r d w a r e w i t ht h eh e l po fc o m p u t e ra n dt h es u p p o r to fb a s i ch a r d w a r e ，i tc a n c o l l e c t ，c o n t r o l ，a n a l y z e ，p r o c e s st h ed a t aa n dd e m o n s t r a t et h er e s u l t sb ya p p l y i n g t h er e l e v a n ts o f t w a r em o d u l e ，t h u sp e r f o r m i n gt h ev a r i o u sf u n c t i o n so ft h e t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t t h ea r t i c l ei sa b o u tt h es t u d i e so ft h es y s t e m i cs t r u c t u r eo fv i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o n ，r e a l i z i n gm e a n sa n dd e v e l o p i n gm e t h o d s o nt h eb a s eb yu s i n g d e v e l o p m e n t a lt e r r a c e o fl a b v i e w - a n dt h ev i r t u a if u n c t i o ng e n e r a t o ra r e d e v e l o p e d ，a n dt h ev i r t u a lo s c i l l o s c o p ei su s e dm e a s u r i n ga n da n a l y z i n gp r a c t i c e s i g n a l s ，a n dm e a s u r i n ga n da n a l y z i n go u t p u ts i g n a lm a d eb y h eg e n e r a t o r , i t sr e s u l t s a r em o r es a t i s f i e d ih a v em a s t e r e dl a b v i e wp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，d e v e l o p i n g t e c h n o l o g i e sa n ds t a n d a r d a n dih a v ek n o w nt h es y s t e m i c s t r u c t u r eo fv i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o n ，r e a l i z i n gm e a n sa n dd e v e l o p i n gm e t h o d s s i n c et h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n ti sn o tp o p u l a ri nc h i n a ，t h ep a p e r j u s tm a k i n gat r i a lt of i n daw a y t od e v e l o pah i g hl e v e li n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ， w h i c hi ss u i t a b l ef o ro u rc o u n t r y w ew i l lm a k ei tl o w c o s tc o m p l e t ef u n c t i o n s ，h i g h p r e c i s i o na n dr e a s o n a b l ep r i c e ，t h e r e f o r e t h et e c h n o l o g yv e r yb r i g h tf u t u r ei n t e a c h i n g e x p e r i m e n t sa n de n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ；v i r t u a lo s c i l l o s c o p e 图表清单 图2 1 虚拟仪器内部功能划分6 图2 2 虚拟仪器构成的基本框图8 图3 1 温度计程序前面板图1 2 图3 2 温度计程序后面板图1 2 图3 3 温度计程序图标，连接器图1 2 图4 1 采样频率和信号，2 0 图4 2 数据采集系统原理图2 l 图4 3 采样保持器的原理电路图2 2 图4 - 4l f l 3 5 0 8 单端8 通道多路模拟开关原理图2 2 图4 5 双积分a ，d 转换器一2 3 图4 - 6 逐次逼近式a d 转换器2 4 图4 7 典型p c i 总线结构图2 6 图4 8p c i 2 0 0 3 数据采集卡2 6 图4 - 9 主要元件布局图2 8 图4 1 0 模拟电压单端输入方式图2 9 图4 1 1 模拟电压双端输入方式图3 0 图5 1 波形混淆示意图3 4 图5 2 实时采样显示图3 6 图5 3 顺序采样时显示波形构成情况。3 6 图5 - 4 随机采样时扫迹的构成图3 7 图5 5 脉冲内插显示示意图3 8 图5 - 6 由抽样信号恢复到连续信号的时域、频域解释4 0 图5 7 虚拟示波器操作面板4 3 图5 8 虚拟示波器功能结构图一4 3 图5 - 9 写盘时弹出的对话框一4 4 图5 1 0 波形数据显示4 5 图5 1 1 电压量测量前面板4 5 图5 1 2 频率和相位测量前面板4 6 图5 1 3 频谱分析前面板4 6 图5 1 4 虚拟示波器程序框图一4 7 图6 1 虚拟信号发生器前面板5 0 图6 2 虚拟信号发生器框图程序。5 1 图7 1 虚拟示波器显示的2 0 h z 三角波5 3 图7 2 虚拟示波器显示的5 0 h z 三角波5 3 图7 3 虚拟示波器显示的5 0 0 h z 三角波5 3 图7 - 45 0 h z 三角波频谱分析结果图5 4 图7 55 0 h z 三角波参数测量结果图5 4 图7 - 65 0 h z 三角波相位、频率测量图5 4 图7 7 被测信号频率是标准波频率两倍时的李沙育图形5 5 图7 8 虚拟示波器显示2 0 h z 的波形图5 6 图7 - 9 虚拟示波器显示5 0 h z 的波形图5 6 图7 1 0 虚拟示波器显示i k h z 的波形图5 6 图7 1 l 虚拟示波器显示5 k h z 的波形5 6 表7 1 2 实验相对误差比较5 7 独创性声明 本人声明所星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 金目l 王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所傲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：3 琢p 刍茅签字日期：抽产f 月猡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒a b 王些盘堂有关保留、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金筵王丝 煺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；话链 签字日期：砷 , e j 培日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：2 留气 签字日期：u 7 年f 月俘日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我的导师王晓枫老师的悉心关怀和精心指导下完成的，王老师 渊博的知识，严谨认真的治学态度，精益求精的工作方法使我受益匪浅。通过 论文的工作，我不仅学会了从事科研的工作方法，开拓了视野，更体会了科研 的乐趣；同时，也为我将来从事科研或教学工作打下了坚实的基础在此，我 要向我的导师王晓枫老师致以最衷心的感谢l 另外，c a d c a m 中心的张晔老师，吕新生老师，曹文刚老师，陈科老师 在我的论文工作期间，也给予我很好的建议和亲切的指导，在此，深表谢意l 在撰写论文期间，壬亮，李艳，赵春亮，王洪昌，陈建华，张春鹏等同学， 都给予我无私的帮助和支持，在此表示衷心的感谢l 在此，我还要感谢我的家人和朋友，是他们无私的奉献和支持给了我前进 的动力和信心，这一份可贵的亲情和友谊我将铭记于心l 作者：张陈荣 2 0 0 6 年1 1 月 i 1 课题背景 第一章绪论 本文所开发的虚拟实验仪器就是在信号技术、计算机技术、电子技术高速 发展的背景下，利用美国n i 公司的虚拟仪器开发平台一一l a b v i e 轷自行设计开 发的，它可以用于信号的采集、显示、分析、储存、读取和输出。本文的背景 知识包括；数字信号处理、虚拟仪器技术、l a b v i e w 软件开发平台等 i i 1 数字信号处理技术 在科学研究和生产过程中，经常要对许多客观存在的物体或物理过程进行 观测。这些客观存在的事物包括了大量标志本身所处时间空间特征的数据和“情 报”。这就是该事物的“信息”人们为了某一特定的目的，从浩瀚的信息中把 所需要的部分提出来，以达到观测某一本质问题的目的。所需了解的那部分信 息以各种技术手段表达出来，供人们观测和分析。这种对信息的表达形式称之 为“信号”，信号是某一特定信息的载体。例如一台机床在运行中，在某一时间、 在某一位置上均有声、热、振动等一系列的内部特征和外部表现，人们为研究 该机床的某一方面的本质变化就用测试仪器测量该方面的数据和图像，如温度， 振动度等情况，这就是该机床这方面的信号。 测试中我们用的是电信号，而需要测试的信号往往不是电信号，如温度、 速度、加速度等，并不是电信号。我们必须把它们转化为电信号，才能够进行 传输，经传输接收端再将此信号还原成原始信号。 信号传输理论与技术的不断发展使“信号处理”技术的出现成为必然。在 科学和工程技术领域中，常常需要对信号进行处理信号处理就是对数据进行 所需要的变换或按约定的规则进行运算，使之更便于对它们进行分析、识别和 使用信号的处理包括对信号的监测、滤波、时域分析、频域分析，调制等等。 信号分为模拟信号和数字信号，在对模拟信号进行处理时，既可以使用模拟系 统也可以使用数字系统。使用数字系统处理模拟信号时，需要先将模拟信号转 化为数字信号，即模数转化( a d ) ，然后用数字系统进行处理，得到一个处理后 的数字信号，再经过数模转化( d a ) ，得到所需的模拟信号。 本世纪七十年代以前，对于信号的处理大多数情况是用模拟方法实现的。 例如对信号进行滤波是使用模拟滤波器追溯到五十年代，人们开始将抽样数 据理论用于控制地震信号的处理，但是直到六十年代，用数字方法进行处理才 得到很快的发展，数字信号处理技术得到迅速发展的原因在于其技术性能的优 越，它具有高度的稳定性和高度的灵活性，即系统的抗干扰能力强，系统又是 开放的、人性化的，系统的性能可以根据需要进行调整更重要的是在六十年 代中期电子计算机技术有了很大的发展，使人们有了快速计算的工具，同时也 由于美国的库列和图基在1 9 6 5 年寻找到了对傅立叶变换的快速算法( 快速傅立 叶变换。f f t ) 在当时的情况下，虽然数字信号处理性能上优越，但处理速度 和经济性方面远不及模拟方法进行处理。近二十年来随着电子计算机的大规模 集成电路的快速发展，不但使数字处理技术方法需用时问较长的缺点得到了根 本改善，而且在经济上也变得合理，从而用数字方法处理信号的范围是越来越 大了，这种发展的趋势将是不可避免的 i 1 2 虚拟仪器及l a b v i e w 由于电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子 测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域及新 的仪器结构不断出现，许多方面已经突破传统的仪器概念，电子测量仪器的功 能和结构已经发生了质的变化在这种背景下，八十年代末美国率先研制了虚 拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 。虚拟仪器就是利用现有的计算机加上特殊 设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器没 有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。虚拟仪器的出现就是仪器发展史的一 场革命，代表仪器发展的方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步产 生了巨大的推动作用。 虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能。建立虚拟仪器 面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。代替传统仪器，改变了传统仪器 的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，同时大大降低了仪器的价格，使用 户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可以广泛的用于电子测量、 电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸 多的领域。国际上从1 9 8 8 年陆续有虚拟仪器产品面世，当时有五家制造商推出 3 0 种产品此后，虚拟产品每年成倍增长，到1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造商达 到9 5 家，共生产1 0 0 0 多种不同的虚拟仪器产品。美国是虚拟仪器的诞生地， 也是全球最大的虚拟仪器制造地生产虚拟仪器的主要厂家有h p 公司目前生产 1 0 0 多种型号的虚拟仪器，t e k t r o i x 公司目前生产约8 0 种型号的虚拟仪器，此 外还有n i 公司，k e i t h e l y 公司等l jj 。 用于虚拟仪器的开发环境目前有两大类：一是文本式的编程语言，如v i s u a l b a s i c 、c + + 、l a b w i n d o w c v i 等，另一类是图形化编程语言，具有代表性的有 l a b v i e w 、h p p v e e 。其中影响最大的要数l a b v l e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚拟仪器工程平台) 语言，被称为 “仪器仪表界面”，是专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计 2 的开发软件，其特点将在第三章详细叙述。 1 2 研究的目的和意义 现代生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要 求测试的速度快、适时性好，具有良好的人际界面。虚拟仪器正好可以实现这 些要求。 目前。我国正处在科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求更加的 迫切。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 场容量大据专家估计，未来几年内我国将有5 0 以上的仪器是虚拟仪器。发 达国家虽然在这个领域比我国起步早，但是差距还不是很大，国内的一些大学 和科研机构等已有一些研究成果和产晶。 在电子、电工实验中使用多种仪器，如信号发生器、万用表、频率计、示 波器等，如果能把它们都设计成虚拟仪器，通过计算机来提高仪器的集成度， 减少实验匹配的仪器的种类、数量和实验室面积，从根本上改变实验室的面貌， 改变传统测量仪器单一功能的缺点 1 3 本论文的工作及论文安排 本文的研究工作主要是从电工、电子实验的角度，探索研究虚拟仪器硬件、 软件构成及其开发手段。针对目前测控仪器在实验室存在实验手段落后，以及 冗余的情况，开发虚拟仪器是势在必行。本文主要工作将致力于基本数据采集 虚拟实验仪器的开发和研究。研制出了基于p c i 总线的多功能模入模出的标准 模块插件卡、并以l a b v i e w 作为软件开发平台的虚拟信号发生器和虚拟示波器， 并作了比较全面的检测，对现代实验室的建设有一定的现实意义 各章节的内容概述如下： 第一章为绪论部分。阐述了本课题的研究背景，虚拟仪器的国内外发展状 况，分析了本课题的研究目的和意义，介绍了本文的主要工作。 第二章为虚拟仪器的总体概述。从基本概念、构成、特点、应用及发展等 方面加以叙述，建立了虚拟仪器系统的基本框架。 第三章为虚拟仪器图形化编程语言l a b v i e w 的详细介绍和编程方法的讨 论虚拟示波器及虚拟信号发生器正是基于其优良的性能开发的 第四章为虚拟仪器的数据采集理论。讨论了数据采集技术和数据采集系统 的构成设计，以及主要数据采集硬件的工作原理。 第五、六章为本文工作软件方面的重点。对采样技术、存储宽带改善技术 和波形显示技术进行了仔细研究。利用l a b v l e w 开发了虚拟示波器和虚拟信号 发生器，并详述了该仪器的特点、功能及应用。 第七章对虚拟示波器及虚拟信号发生器的性能测试。主要是模拟实验测试 和实时实验测试，并对实验结果进行了分析 结论部分对本文作了总结，并对今后的工作提出了展望 4 2 1 概述【2 1 第二章虚拟仪器及其发展 现代科技的进步以计算机的进步为代表，计算机技术的不断创新，正以不 可逆转的态势从各个方面上影响着各行各业的技术发展，现今测控仪器行业正 在经历着一场翻天覆地的变革。 一方面，计算机技术的进步为新型的测控仪器提供了现实的基础，主要表 现在： ( 1 ) 微处理器和d s p 技术的快速发展以及其性能的不断上升大大改变了传 统电子行业的设计思想和观念，许多原来有硬件完成的工作今天能够依靠软件 实现； ( 2 ) 面向对象技术，可视化程序开发语言在软件领域变得易于使用，为功能 强大的软件开发提供了可能； 另一方面，传统仪器已经很难满足科学技术发展的要求，主要表现在： ( 1 ) 现代测控要求仪器不仅仅能够互相通信，实现信息共享。从而完成被测 各系统的综合与分析、评估，得到准确判断。传统仪器在这方面显然是存在不 足，甚至根本很难实现。 ( 2 ) 对不同的被测系统，面对各个厂家的不同测试设备，使用者需要的知识 更多，这样的仪器不仅使用频繁和利用率较低，硬件也存在冗余。 由于上述原因，基于计算机的测试虚拟仪器逐渐变得现实，它的出现和广 泛使用对测控仪器产生较为深刻的影响。作为传统仪器的革新产品，虚拟仪器 的作用在今天已日见普及。 2 2 虚拟仪器的概念4 】 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 是指通过应用程序将通用计算机和 功能模块硬件相结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机， 就像操作自己定义自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对测试量的采集分 析、判断、显示、数据存储等。 与传统的仪器一样它同样可以划分为数据采集，数据分析处理，显示结果 三个功能模块( 见图2 - 1 所示) 。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬 件的测控能力相结合，实现仪器的功能运作 应用程序将可选硬件( 如r s 一2 3 2 ，g p i b ，p x i ，v x l ，d a q ) 和可以重复使 用的源码库函数等软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发。源码库函数 为用户构造自己的虚拟仪器系统提供基本的模块当用户的测试要求变化时， 可以方便的由用户自己来增减软件模块，或重新配置现有系统以满足系统的测 试要求。所以，虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、 软件以及完成系统功能所需的附件而这在由供应商定义，功能固定、独立的 传统仪器上是达不到的。 g p i b 仪器 插入式采集卡 v x i 仪器p x i 仪器 r s - 2 3 2 复制保存 文件i o 图形用户接口 网络传输 图2 - 1 虚拟仪器内部功能划分 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带g p i b 接口的智能化仪器到全部可编程 虚拟仪器的发展经历，其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力。由于计 算机技术特别是计算机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在p x i 和v x i 两个 领域中得到了快速发展，他们成为未来仪器行业的两大主流产品 给定计算机运算能力和必要的仪器硬件以后。构造和使用虚拟仪器的关键 在于应用软件。基于软件在虚拟仪器的使用，美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，简称n i ) 提出了“软件即仪器”( t h es o f t w a r eist h ei n s t r u m e n t ) 的口号，提供了一种像数据流一样的编程模式，用户只需连接各个逻辑框即可 生成程序。它还以图形方式提供了大量的显示和分析程序库，利用软件平台可 大大缩短虚拟仪器控制软件的开发时间，而且用户可以建立自己的措施方案。 大致来说，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以 说是同步进行的 第一阶段：利用计算机增强传统仪器功能。 这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进的。由于g p i b 总线标准的确立， 计算机和外界通讯成为可能，因而用户可以用计算机控制仪器，而随着计算机 系统性能价格比的不断上升，用计算机控制仪器成为一种趋势经过近十年的 发展，这些用户得到了越来越多的关于计算机控制仪器的软件，并且这些软件 易学易用最新的软件包括写前仪器驱动库，数据分析函数库，图形接口函数 库等。用户可以利用这些强有力的软件来增强自己仪器系统的功能，使它能够 分析和处理特定数据，并显示结果，而不是限于仪器的固定功能之上实际上， 只需要把传统仪器通过g p i b 或r s - 2 3 2 同计算机连接起来，这些新功能就能运 转良好。因而，用户可以将大量的独立仪器同计算机相连形成用户自己设计的 虚拟仪器。 6 第二阶段：开放式的仪器结构 为满足虚拟仪器市场不断增长的需要，这时在仪器硬件上出现了两个技术 进步：一是插入式计算机数据采集卡( p l u g i np cd a q ) ；二是v x i 仪器总线标 准的确立。这些新的技术使仪器的结构得以开放，消除了第一阶段内在的由用 户定义和供应商定义仪器功能的区别 仪器设计者们与用户一样，企图尽可能地提高效率和重复使用很多技术。 仪器生产商建立了他们自己设计标准，使得他们的微处理器、存储器、数据采 集、分析显示的软件产品有利可图许多仪器上通用的元器件就是计算机里的 标准件，这样使得计算机成为一个构件虚拟仪器的理想平台许多特殊功能件 a d 、d a 、数字i o 、时间o i 组件都是模块化的功能块，能够直接插到仪器 上与仪器内部的处理器总线相连。众所周知，现代计算机也有扩展槽，所以用 户可以将这些模块化的插卡直接插在扩展槽内传统的仪器相关软件都是固化 在内部r o m 内，这些软件也只针对专门仪器，虽然其中许多代码都是从其他仪 器商的软件模块中得到而在虚拟仪器中，专用仪器的软件也是使用模块化的 可重复代码但不像传统仪器那样，只限于单一特殊的r o m ，虚拟仪器的功能 软件是以文件形式储存在硬盘和软盘上的，可以安装在任何计算机上，当然， 多个虚拟仪器可以共存于一台计算机上，而且，某个特定的仪器在一段时间内 可以独享计算机的显示和控制部分，像传统仪器一样；但是很多虚拟仪器能够 共享显示，尽管每个仪器有其独特的硬件。正是由于第二阶段虚拟仪器在软硬 件上的这些进步，使得它的构成具备了更大的灵活性和开放性，得到了更广泛 的应用。 第三阶段：虚拟仪器框架得到了广泛的认同和采用。 软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要的东西封装起来。许 多行业标准在硬件和软件领域已产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐 成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这个阶段，人们也认识到了虚拟仪器软 件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键，美国国家仪器公司总 结了这些观点并提出了一句口号“软件即仪器”他们的软件产品也创造了整体 的虚拟仪器框架，它把离硬件较近的接口程序和高级应用程序以及专门仪器的 转化驱动程序组合起来。用户可以使用其标准硬件接口驱动程序包去控制四种 数据采集产品中的一种或全部，这个接口程序包中包括用户设计程序的函数库。 m i - d a o 是设计插入式数据采集卡的标准接口n i - 4 8 8 2 是设计g p i b 的工业标 准，n i v x i 是设计v x i 的标准接口。接口软件包中的所有程序都可以运行于多 种普通计算机和操作系统上用户可以把i o 接口软件当作独立的程序使用， 设计自己的程序时可以自己选择语言和操作系统如果你希望有一个组合的虚 拟软件环境，以使你的程序设计更为轻松，那么n i 的l a b v i e w 和 l a b w i n d o w s c v i 是两种比较好的开发环境，他们把所有必要的硬件、软件组合 7 成一个单一的开发环境，并带有高级的特定仪器驱动程序以及数据分析和显示 的其他工具当然这两者又各有侧重，用户可以选择适合自己的开发环境， l a b v i e w 适合于偏好图形化设计的用户，而l a b w i n d o w s c v i 适合于那些习惯于 文本编程设计的用户。 2 3 虚拟仪器的构成5 1 从构成要素讲，虚拟仪器系统是计算机、应用软件和仪器硬件组成，从构 成方式讲，则有以d a o 板和信号调理部分为硬件来组成的p c d a q 测试系统，以 g p i b 、v x i 、串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件方式组成的g p i b 系统、 v x i 系统、串行总线系统、现场总线系统等。虚拟仪器系统构成见图2 2 所示。 无论是哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭建在笔记本电脑、台式计算机或 工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。因而，虚拟仪器的发 展已经与计算机技术的发展完全同步了 图2 - 2 虚拟仪器构成的基本框图 2 4虚拟仪器的特点及发展趋势7 l 通过前面对虚拟仪器比较细致的讨论，我们对虚拟仪器有了一个比较清晰 的概念虚拟仪器相对于传统仪器的优势是显而易见的，概括起来有以下几个 方面： ( 1 ) 传统仪器功能由仪器厂定义，虚拟仪器功能由用户自己定义。仪器制 造商仅需提供基本的软硬件，如信号调节器、信号转换器等硬件和仪器应用软 件生成环境等软件，真正需要什么样的仪器功能则是用户自己的事情 ( 2 ) 硬件是传统仪器的关键部分，而虚拟仪器中硬件仅是为了解决信号的输 入输出，软件才是整个仪器的关键部分，其测试功能是由软件来实现的，它将 所有的仪器控制信息均集中在虚拟仪器的软件模块中，可以采用多种方式显示 数据采集、结果分析和过程控制，真正做到“界面友好、人机交互”，用户无须 专门学习就可以对虚拟仪器进行操作 ( 3 ) 传统仪器图形界面小，人工读数，信息量少且容易出现读出误差，虚拟 仪器利用计算机强大的图形用户界面( g u i ) ，计算机直接读出，使用人员可以通 过软件编程或采用现有的分析软件，实时、直接地对测试数据进行分析与处理， 如可以完成d f t 、f f t 运算、p i d 控制、数字信号处理等工作，从而对被控对象 进行进一步的控制 ( 4 ) 传统仪器系统是封闭的，功能比较固定。虚拟仪器则是基于计算机技术 的开放灵活的功能模块，用户可定义接口，通过不同功能模块的组合来构成多 种仪器，实现自动测量。 ( 5 ) 传统仪器扩展性差，数据无法编辑，一般只能对被测对象作定性测试， 虚拟仪器则可以实时地、直接地对数据进行编辑，或通过计算机总线将数据传 输到存储器或打印机，一方面解决了数据的传输问题，另一方面充分利用了计 算机的存储能力，具有几乎无限的数据记录容量 ( 6 ) 信号每经过一次硬件处理都会引起误差。由于虚拟仪器减少了硬件的使 用，因而减少了测量误差。 ( 7 ) 可以在程序中内置多媒体操作指令，能自动生成测试运行报告，具有完 整的时间记录和测试记录，具有高品质的打印功能。 ( 8 ) 传统仪器价格高，技术更新慢( 周期约为5 1 0 年) ，开发和维护费用高。 虚拟仪器价格低，而且可以重复利用，技术更新快( 周期约为卜2 年，甚至更 短) ，基于软件的体系结构，大大节省了开发和维护的费用。 由此可以看出，使用虚拟仪器可以很容易地扩充软件功能。当测量要求发 生改变了，可以重新配置已有仪器的硬件接口，改变软件功能就可组成新的仪 器。 2 0 世纪9 0 年代以来，虚拟仪器技术开始向图形化开发平台的更高级硬件 模块、i o 总线及驱动程序标准化、可用性强等方向发展。当v x i 即插即用系 统联盟成立以后，他们在虚拟仪器方面提出更新的目标： ( 1 ) i o 进一步标准化，使他们在任何特定的语言环境中的使用与硬件无 关。 ( 2 ) 对设备的驱动程序标准化，使用户在源代码级使用仪器的功能。 ( 3 ) 通过外观和感观一致在软面板上对系统进行操作，并有共用的安装程 序。 图形化编程平台的进一步发展与完善也是虚拟仪器技术发展的一个重要方 向。如何使用户进行少量的学习就可以使用功能强大的虚拟仪器，如何使用户 9 简洁地构成虚拟仪器系统并完成复杂的测试内容，如何帮助用户对测试结果进 行分析和判断等等，都是虚拟仪器技术的努力方向。 l o 第三章虚拟仪器图形化编程语言l a b v i e w 3 1l a b v i e w 概述 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实 验室虚拟仪器工程平台) 是美国n i 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n - g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具，它广泛地被工业界、学 术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 l a b v i e w 集成了与满足g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的硬件及数据采 集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库 函数，是一个功能强大且灵活的软件利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器， 其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。使用l a b v i e w 这种语言编程 时，基本上不需要写程序代码，取而代之的是流程图，这为虚拟仪器设计者提 供了一个便捷、轻松的设计环境利用它，设计者可以像搭积木一样，轻松组 建一个测量系统和构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机代码的 编写。 l a b v i e w 软件工具有以下特点【2 l ； ( 1 ) 图形化的编程方式，设计者无须写任何文本格式的代码，是真正工程师 的语言。 ( 2 ) 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 ( 3 ) 既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独 到的高亮执行工具，是程序动画式运行，利于设计者观察程序运行饷细节，使 程序的调试和开发更为便捷。 ( 4 ) 3 2 b i t 的编译器编译生成3 2 b i t 的编译程序，保证用户数据采集、测试 和测量方案的高速执行囊括了d a q 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 4 8 5 在内的各种 仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不 同总线标准接口设备与仪器。 ( 5 ) 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如d l l s ( 动态连接库) 、 d d e ( 共享库) 、a c t i v e x 等 ( 6 ) 强大的i n t e r n e t 功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器 的开发。 使用l a b v i e w 开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为v i 。v i 包括 三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接器前面板的功能等效于传统测 试仪器的前面板；流程图功能等效于传统测试仪器与前面板相联系的硬件电路。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，可以模拟真实仪表的前面板。在 程序前面板上，输入量被称为控制( c o n t r o l s ) ，输出量被称为显示 ( i n d i c a t o r s ) 。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、 按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。而每一个程序前面扳都对应 着一段框图程序。框图程序用l a b v i e w 图形编程语言编写，可以把它理解成传 统程序的源代码框图程序由端口、节点、图框和连线构成，其中端口被用来 同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框 被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义 了框图内的数据流动方向。下面是一个温度计程序的前面板和后面板。 图3 - 1 温度计程序前面板图 冒亭 、 i 词 t 置蛊 图3 - 2 温度计程序后面板图 图标连接器是子v i 被其它v i 调用的接口。图标是子v i 在其他程序框图 中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输a 输出口，就象函数 的参数。用户必须指定连接器端口与前面板和显示一一对应。下面图示为温度 计程序( t h e r m o m e t e rv i ) 的图标和连接器。连接器一般情况下隐含不显示，除 非用户选择打开观察它 图3 - 3 温度计程序图标连接器图 3 2 l a b v l e w 模板分析8 1 l a b v i e w 是一种图形化设计语言，在一个虚拟仪器v i 的开发过程中，主要 利用模板创建和运行程序这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放景 在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类：i 具( t o o l s ) 模板、控制( c o n t r o l s ) 模板和功能( f u n c t i o n s ) 模板或称函数模板。 3 2 1 工具模板( t o o l sp a l e t t e ) 工具模板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试 v i 程序的工具( 如图所示) 该模板可以在w i n d o w s 菜单 下选择s h o wt o o l sp a l e t t e 命令以显示该模板。当从模 板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应 的形状，它包括了以下工具包。 操作工具：使用该工具来操作前面板的控制和显示。 使用它向数字或字符串控制中键入值时，工具会变 成标签工具的形状。 选择工具：用于选择、移动或改变对象的大小。当它用于改变对象的连框 大小时，会变成相应形状 标签工具：用于输入标签文本或者创建自由标签。当创建自由标签时它会 变成相应形状。 连线工具：用于在框图程序上连接对象。如果联机帮助的窗口被打开时， 把该工具放在任一条连线上，就会显示相应的数据类型。 对象弹出菜单工具：用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜单。 漫游工具：使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。 断点工具：使用该工具在v i 的框图对象上设置断点。 探针工具：可以在框图程序内的数据流线上设置探针。程序调试员可以通 过控针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况 颜色提取工具：使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。 颜色工具：用来给对象定义颜色它也显示出对象的前景色和背景色。 3 2 2 控制模板( c o n t r o l sp a l e t t e ) 虚拟仪器的面板是通过软件实现的。 就是l a b v i e w 将传统仪器上的各种旋纽、 开关、显示屏等所有可能涉及到的操作部 件，都做成外形相似的“控件”分类存于 控制模板上。设计仪器模板时，只需根据 需要选择合适的“控件”放在面板相应的 位置上即可。每个图标代表一个子模板( 如 图所示) 。控制模板可以用w i n d o w s 菜单的 s h o wc o n t r o l sp a l e t t e 功能打开它，也 可以在前面板的空白处，点击鼠标右键， 以弹出控制模板它只有当打开前面板窗 口时才能调用。 控制模板如图所示，它包括以下几个 子模板 数值子模板：包含数值的控制和显示 布尔值予模块：逻辑数值的控制和显示。 字符串子模板：字符串和表格的控制和显示。 列表和环( r i n g ) 子模板：菜单环和列表栏的控制和显示。 数组和群子模板：复合型数据类型的控制和显示。 图形子模板：显示数据结果的趋势图和曲线图 路径和参考名子模板：文件路径和各种标识的控制和显示。 控件容器库子模板：用于操作o l e 、a c t i v e x 等功能。 对话框子模板：用于输入对话框的显示控制。 修饰子模板：用于给前面板进行装饰的各种图形对象。 1 4 用户自定义的控制和显示 调用存储在文件中的控制和显示的接口 3 2 3 功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e ) 功能模板就是l a b v i e w 将传统仪器上的各种测 试功能、信号分析文件操作以及输入输出( i o ) 接口设备的驱动做成可供直接调用的库函数。使用 时只需根据预完成的功能与操作，从子模板上选择 相应的“图标”放在流程图编辑窗口中相应的位置 上即可该模板上的每一个顶层图标都表示一个子 模板( 如图所示) 它可以用w i n d o w s 菜单下的s h o w f u n c t i o n sp a l e t t e 功能打开它，也可以在框图程序 窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。而且 它只有打开了框图程序窗口后才能出现。它包括结 构子模板、数值运算予模板、布尔逻辑子模板、字 符串运算子模板、数组子模板、类子模板、比较子 模板、时间和对话框子模板、文件输入输出子模板、 仪器控制子模板、仪器驱动程序库、数据采集子模 板、信号处理子模