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虚拟仪器概念 虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）是现代计算机技术和仪器技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术。1.1虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器。虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计算机的界线模糊了。 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算，分析和处理，利用I/O接口设备完成信号的采集，测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。“虚拟“应包括以下两方面的含义。1.2虚拟的虚拟仪器面板虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。如由各种开关，按键，显示器等实现仪器电源的“通”，“断”，被测信号“输入通道”，“放大倍数”等参数设置，测量结果的“数值显示”，“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是事务，而且是用手动和触摸进行操作的，而虚拟仪器面板控件事外形于实物相像的图标，通，断，放大等对应着相应的软件程序。这些软件已经设计好了，用户不必设计，只需选用代表该种软件程序的图形控件即可，由计算机的鼠标来对其进行操作。因此，设计虚拟面板的过程就是在面板设计窗口中摆放所需的控件，然后编写相应的程序。大多数初学者可以利用虚拟仪器的软件开发工具，如Labview等编程语言，在段时间内轻松完成轻松而又实用的虚拟仪器前面板设计。1.3由软件编程来实现虚拟仪器测量功能在以PC为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅可以通过软件编程来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。因此在硬件平台确定后有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机技术深层次的结合。1.4通用仪器硬件平台虚拟仪器的硬件平台有两部分构成：（1）计算机 一般为一台PC机或者工作站，它是硬件平台的核心。（2）I/0接口设备 它主要完成被测输入信号的采集，放大，模/数转换。根据采用不同的总线及其相应的I/O接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集卡/板（DAQ）,GPIB总线仪器，VXI总线仪器模块，串口总线仪器等，虚拟仪器的构成方式主要有5种类型，如图1.1所示: I/O接口设备PC-DAQ系统GPIB系统计算机串口系统PXI系统VXI系统被测信号 图1.1 虚拟仪器的构成框图1 PC-DAQ系统：它是以数据采集板，信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统才要PCI和ISA计算机本身的总线，故将数据采集卡/板（DAQ）插入计算机的空槽即可。2GPIB系统：它是以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。3VXI系统：它是以VXI标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。4PXI系统：以PXI标准总线仪器模块玉计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。5串口系统：它是以SERIAL标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合，其中PC-DAQ测量系统是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。2.软件结构 虚拟仪器软件由两大部分组成。（1）应用程序此包括两个方面：a) 实现虚拟面板功能的前板软件程序： b) 定义测试功能的流程图软件程序。（2）I/O接口仪器驱动程序I/O接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的筐子，驱动与通信。开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两类：a) 文本式编程语言如VISUALC+,VISUAL BASIC,LABWINDOWS/CVI等；b) 图形化编程语言如LABVIEW,HPVEE等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。本设计介绍的是LABVIEW图形化编程语言。 虚拟仪器的发展及特点2.1 虚拟仪器的发展电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器，分立元件仪器，数字化仪器，智能仪器和虚拟仪器。（1）第一代模拟仪器这类仪器在某些实验室仍能看到，是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表，指针式电压表等，这类指针式仪器借助指针来显示最后结果。（2）第二代分立元件式仪器当20世纪50年代出现电子管，60年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器分立元件式仪表。（3）第三代数字化仪器20世纪70年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器数字式仪器。这类仪器现在相当普及，如数字式电压表，数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。(4)第四代智能仪器 随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理器为核心的第四代仪器智能式仪表迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。其缺点是它的功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发或者应用都缺乏灵活性。 目前，微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合正引起测试仪器领域里新的革命，一种全新的仪器结构概念导致新一代仪器虚拟仪器的出现 ，它是现代计算机，通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是仪器产业发展的一个重要方向。它的出现使人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。国际上从1988年开始陆续友虚拟仪器产品面市，当时有家制造商推出30种产品，此后，虚拟仪器产品迅速增加。2.2虚拟仪器的功能和特点 虚拟仪器利用PC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、数据分析和显示，代替了传统仪器，改变了传统仪器的使用方式，极大的提高了仪器的功能和使用效率，大幅度的降低了仪器的价格，使用户可以根据自己的需要自定义仪器的功能；可以说，虚拟仪器的出现将“仪器”的概念推向了一个新的纪元。虚拟仪器 广泛的应用于电子测量、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领域。 虚拟仪器最常见的应用应该说是取代了传统的台式仪器。随着插入式数据采集卡性能的不断提高和触发技术的改进，虚拟仪器技术使得传统的台式仪器获得了新的生命。在虚拟仪器所取代的传统仪器当中，最常见的是示波器。通过利用虚拟仪器开发软件编制出的虚拟仪器程序，用户可以调整数据采集卡的动作，使软件就像一台式波器一样显示输出波形，同时虚拟示波器还可以进行许多分析工作。比如NI公司的VirtualBench软件就具备了许多分析仪器的功能，它可以把插入式数据采集卡变成示波器和动态信号分析仪。随着社会生产力的极大发展，现代化的生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、 自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正好可以满足这些要求。与传统的仪器相比较，虚拟仪器具有如下几点优点:（1）虚拟仪器的关键环节是软件。虚拟仪器系统中除PC机外的硬件主要用于数据的采集、输入，至于系统怎样处理数据，具有怎样的面板和数据输出的形式等都是由软件决定的。虚拟仪器的好坏，很大程度上取决于软件水平的高低。（2）开发与维护的费用低，系统组建时间短。当需要增加新的测量功能，只需要增加软件模块或通用的硬件模块，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。应用软件不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，大大节省了维护的费用，延长设备的使用寿命。（3）测量更准确。传统仪器测量个体之间差异大，而虚拟仪器的应用软件在不同的PC机上具有相同的运行效果，在软件运行这方面不存在个体的差异。（4）测量更方便。因为传统仪器功能单一，所以对一个信号完成多个参数的测量需要多台仪器，使测量受连接方式、电缆长度等因素的影响。虚拟仪器只需对信号进行一次采样，多个软件模块对同一组数据进行不同的处理就能实现多个参数的同时测量。（5）具有强大的数据处理功能。计算机运算速度的大大提高和数字信号处理理论的丰富和完善，使虚拟仪器能够快速准确的处理数据。为了清楚的表明传统仪器与虚拟仪器的区别，我们利用一个表来更好的说明：传统仪器 虚拟仪器功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义与其它仪器设备的连接十分有限可方便的与网络外设及多种仪器连接图形界面小，人工读取数据，信息量小界面图形化，计算机直接读取数据并分析处理数据无法编辑 数据可编辑、存储、打印硬件是关键部分软件是关键部分价格昂贵 价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一系统封闭、功能固定、可扩展性差基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器技术更新慢技术更新快开发和维护费用高 基于软件体系的结构可大大节省开发费用 2.3 Labview介绍LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与Visual C+、Visual Basic、LabWindows/CVI等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码（Code），而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码。LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程 和思维过程非常的相似。 LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VIs”。在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面版（Front Panel）；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。一般来说，每一个VI都可以被其他VI调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的。 LabVIEW是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的应用程序模块。LabVIEW可方便的调用Windows动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数；LabVIEW还提供了CIN (C Interface Node) 节点使得用户可以使用由C或C+语言，如ANSI C, 编译的程序模块，使得LabVIEW成为一个开放的开发平台。LabVIEW还直接支持动态数据交换（DDE）、结构化查询语言（SQL）、TCP和UDP网络协议等。此外，LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够很方便的设置断点，动态的执行程序来非常直观形象的观察数据的传输过程，以及进行方便的调试。 LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。传统的计算机语言（如C）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替；从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（Data Flow Mode），这种方式确保了程序中的函数节点（Function Node）只有在获得它的全部数据后才能够被执行。 也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。这样，LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接函数节点快速简洁的开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程（Multithreading）。 LabVIEW的核心是VI。VI有一个人机对话的用户界面前面板（Front Panel）和相当于源代码功能的框图程序（Diagram）。前面板接受来自框图程序的指令。在VI的前面板中，控件（Controls）模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序；而指示器（Indicators）则是模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据。当把一个控件或指示器放置到前面板上时，LabVIEW便在框图程序中相应的产生了一个终端（Terminals），这个从属于控件或指示器的终端不能随意的被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才会随之一起被删除。 用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从函数面板（Function Palette）中选择需要的函数节点（Function Node），将之置于框图上适当的位置；然后用连线（Wires）连接各函数节点在框图程序中的端口（Port），用来在函数节点之间传输数据。这些函数节点包括了简单的计算函数、高级的采集和分析VI以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。 用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层（Top Level）程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。一个VI用在其它VI中，称之为subVI，subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的；为了区分各个subVI，它们的图标是可编辑的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用任务分解成为一系列的子任务，每个子任务还可以分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合。首先设计subVI完成每个子任务，然后将之逐步 组合成为能够解决最终问题的VI。图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最有前途的发展方向。2.4 G语言编程LabView的基础是G语言，G是使用图形化数据流编程的语言。使用G语言，可以简化科学计算，过程监测与控制，测试和测量等的应用编程，它的应用十分广泛。下面介绍G语言的基本概念。1 VI(Virtual Instrument)VI有3个主要部分：前面板，方框图及图标