虛擬儀器技術在實驗室的應用研究

王 超，李 可，杜奔新

（北京航空航天大學 航空與科學工程學院，北京 100191）

實驗室是高校校內的實踐基地，是培養學生創新能力和實踐能力的重要場所，對培養具有實踐和創新能力的高素質人才有著重要的作用［1］。在測控領域，隨著低成本、高性能計算機的普及運用，采用虛擬儀器技術的數字化測量平臺逐漸成為測量儀器的主流趨勢。虛擬儀器技術利用計算機強大的計算能力和靈活的軟件技術，在有限的硬件基礎上，實現符合要求的、全新的測量儀器體系。與傳統的測量儀器相比，它能夠明顯地提高實驗的測量精度和實驗的效率［2］。

虛擬儀器主要由硬件和軟件兩部分組成：其中硬件分為數據采集部分和數據分析顯示部分；軟件部分是虛擬儀器的核心，通過編制軟件，可以實現眾多的儀器功能。虛擬儀器的開發軟件通常分為通用開發軟件和專用開發軟件。通用開發軟件就是常見的高級編程語言，比如 Visual C＋＋、VB、Delphi、Java等；專用開發軟件是指專業化的圖形化編程軟件，例如Lab－VIEW、LabWindow／CVI或者 VEE等［3－4］。

1 測控虛擬儀器開發軟件的優勢比較

在開發虛擬儀器的方面，專業開發軟件（例如LabVIEW）比通用開發軟件（例如Visual C＋＋）具有明顯的優勢。

Visual C＋＋是一種通用且強大的編輯語言，開發者具有較高的自由度，可以自定義具有獨特個性的虛擬儀器，這是其他開發軟件不能比擬的。LabVIEW是美國NI公司推出的業界領先的工業標準圖形化編程工具，主要用于開發測試、測量與控制系統。它是一個開放性的開發環境，使用圖標代替文本代碼創建應用程序，擁有大量與其他應用程序通信的VI庫。在開發虛擬儀器方面，LabVIEW比Visual C＋＋有以下幾方面優勢［5－7］。

（1）Visual C＋＋是一種傳統的文本代碼編程語言環境，而LabVIEW是一種圖形化編程語言環境。圖形化編程環境具有形象生動、便于理解的特點。通過LabVIEW的圖形化編程語言，在開發過程中可以很快編寫出所需要的程序界面。LabVIEW提供了豐富的圖形控件，程序內容由一個個表示函數的圖標和圖標之間的數據流的連線構成。而使用Visual C＋＋編程就需要記憶復雜的語法和函數原型。因此，Lab－VIEW的圖形化開發環境更符合通常的思維習慣，從而使編寫程序的過程也變得簡單、快捷。

（2）用Visual C＋＋編寫的程序，是根據代碼的語句和指令的先后順序來決定程序的執行順序。而LabVIEW采用數據流的編程方式，程序框圖中結點之間的數據流向決定程序的執行順序。

（3）在開發系統時，經常會用到多線程技術。在處理多個并行的線程的時候，用Visual C＋＋需要花費一定的時間和精力編寫眾多線程代碼，用來提高程序的運行效率；而在LabVIEW編程環境中實現了自動多線程，不用再為定義線程去浪費時間和精力。這樣便使處理器的性能得到充分的利用，尤其在多處理器的環境下，優勢更加明顯。

（4）為利用多種編程語言的優勢，在進行混合編程時，Visual C＋＋ 能夠和大多數的編程語言進行混合編程，通用性比較好，但是在調用其他語言時，編寫的代碼有時過于復雜。而LabVIEW也提供了大量的接口與外部語言進行混合編程。通過DLL、CIN結點、ActiveX、.NET或Matlab腳本節點等技術，可以輕松實現LabVIEW與其他語言的混合編程，在編寫的過程中不用編寫復雜的代碼，有效地提高了編程效率。

（5）由于Visual C＋＋是通用性的軟件，與底層硬件進行通信需要編寫相應的代碼，雖然其通用性比較好，但過程比較復雜、繁復，對于硬件設備的適應性不強。而LabVIEW為開發者提供了大量的驅動和專用工具，幾乎能夠和絕大多數硬件接口連接。這又省去了開發者許多的寶貴的時間和精力。

以上幾點可以看出：LabVIEW在開發速度上具有絕對的優勢。通常使用LabVIEW開發應用系統的速度比使用其他編程語言快4～10倍。這得益于圖形化的開發環境和LabVIEW本身集成的大量驅動程序和函數庫。因此，LabVIEW對于開發虛擬儀器更加具有針對性［8－9］。

2 Visual C＋＋與LabVIEW開發虛擬儀器應用比較

實驗室引進先進的實驗技術，可以減少人力和物力的浪費，極大地提高實驗效率，同時也可以使學生緊跟技術前沿和科學技術的發展［5－6］。在實驗室測控領域，基于虛擬儀器的數字化測量平臺已得到廣泛的應用。目前實驗室比較常用的有Visual C＋＋和Lab－VIEW等開發平臺。本文以本校實驗室的環境模擬測控系統為例予以說明。

該實驗室的環境模擬測控系統，利用計算機的接口連接外部硬件。通過接口，將要輸出的控制信號傳遞給硬件，控制硬件的工作模式，同時將硬件工作產生的相關數據傳遞給計算機，通過軟件處理，實現儀器面板上各個模擬環境變量的測量、顯示等功能。整個系統由Visual C＋＋編寫而成，人機界面友好、操作簡單，可以滿足實驗室大部分實驗的數據測控工作（見圖1）。

圖1 環境模擬測控系統硬件圖

由于整個系統由VISUAL C＋＋編寫而成，需要開發者對VISUAL C＋＋編程語言非常熟悉，而且整個編程周期比較長。然而，現在流行的測控軟件LabVIEW對編寫者的要求卻不是很高，比較容易掌握，因此可以大大縮短系統的編寫周期，提高系統編寫的效率。

本文利用LabVIEW開發了與上述實驗室的環境模擬測控系統相似的環境模擬測控系統，從中體會到LabVIEW確實可以極大地提高開發效率，主要體現在以下幾方面。

2.1 系統程序的編程環境友好

LabVIEW的編程環境十分友好，它具有以下幾方面的優點。

（1）編輯和調試方便。LabVIEW有開發、測試和調試等多種工具，其特點是：模塊執行時為高亮度顯示，可在單步模式下進行調試、使用線式探針和斷點跟蹤調試，可以跟蹤和監視塊間的執行流向，如果程序有錯，就會給出錯誤列表信息。

（2）豐富的幫助體系。相關的“幫助”詳細介紹了每個圖標及其相關的內容，在線即時幫助窗口可迅速提供一般問題的解答、在線手冊、錯誤代碼、用戶支持信息等。這些在開發系統的過程中，可以幫助用戶更加快捷地完成系統的開發。

（3）LabVIEW提供了大量詳細的實例幫助用戶進行開發。開發系統時可以直接利用這些實例，也可以按照自己的需要進行修改，免去了從頭開始建立程序的工作，從而也提高了開發效率。這些都是Visual C＋＋所不及的。

2.2 系統界面的搭建

LabVIEW的前面板集成了大量用于搭建界面的控件，無需用戶重新籌劃，只需用戶根據需要制定人機界面。使用LabVlEW的圖像控制工具箱生成的圖形或引入其他繪圖工具繪制的圖形，都可以用來表示儀表符號和系統框圖。用戶可以很方便地搭建出自己所需要的軟件界面。其控件豐富程度遠遠超過了Visual C＋＋的控件種類。與Visual C＋＋編程語言相比，可以極大地提高界面設計的效率。

2.3 系統程序的編寫

所設計的環境模擬測控系統分為3層：頂層、邏輯層和驅動層。頂層負責人機界面和系統狀態；邏輯層負責配置、數據處理、數據存儲等；驅動層負責與硬件通信［5］。本系統主要是實現數據的采集和控制信號的輸出。整個系統的組成除計算機和儀器之外，還必須建立儀器與計算機之間的通路以及上層應用程序。通路屬于驅動層設計內容，上層應用程序屬于邏輯層和頂層設計工作。通路包括總線技術和針對不同儀器的驅動程序，上層應用程序用于發送控制命令，儀器控制面板的顯示以及數據采集、處理、分析、顯示和存儲等。

LabVIEW支持數千種儀器的驅動；支持多種總線的連接方式。在本系統的底層程序設計中，使用Lab－VIEW提供的VISA庫函數［10］，不需要自己去編寫與儀器通信的程序。VISA支持大多數儀器總線連接。本系統主要是通過串行總線實現儀器的控制，只需要通過VISA庫函數進行配置參數就可以實現系統的I／O功能。而使用Visual C＋＋進行底層程序的設計，需要對儀器和總線有相當的了解，才能夠編寫底層程序，實現系統的I／O功能。如果使用Visual C＋＋開發系統，還需要編寫紛繁復雜的代碼，與LabVIEW相比，既增加了程序編寫的難度，也增加了時間成本。

對于上層應用程序的設計，LabVIEW把復雜、繁瑣、費時的代碼語言編程簡化為簡單易懂的圖形編程。LabVIEW是建立在目標定向和數據流程序設計基礎上的，被連接的圖標之間的數據流控制著程序執行的順序。所以用LabVIEW開發系統，不需花時間去定義眾多的變量；在編寫所需的VI時，也不必考慮傳統編程語言的許多語法細節，只需要在函數菜單中選擇需要的函數，按照程序要求進行連線，即可實現數據流的流動。這樣設計出的程序簡潔、直觀、易懂，便于提高開發效率以及后續的維護。

相比之下，Visual C＋＋需要嚴格按照文本代碼的編寫規范進行編寫程序，尤其要注重代碼的順序指令。在Visual C＋＋開發的系統中，為了方便定義各個傳感器采集數據的變量，優化數據結構，在Access數據庫里面定義了所有的傳感器變量［11］，需要繁復地定義要集數據采集硬件的信息，過程比較繁瑣。

利用LabVIEW開發時，只需要通過VISA庫函數就可以輕松地讀出實時測得的實驗數據值，通過簡單的處理，即可實現數據的實時顯示、處理和存儲。特別是LabVIEW還以圖形方式提供了大量的波形顯示和信號分析處理功能，使得數據的顯示和處理更加方便，也很容易發現錯誤并立即改正。與Visual C＋＋相比，利用LabVIEW作為開發工具，可以極大地節省時間。

在環境模擬系統開發過程中［12－14］，邏輯層的各項功能通常由數個較小的單元實現。在用LabVIEW開發系統時，各個單元都相互獨立，由功能齊全的模塊構成。這些模塊可以獨立運行、編輯和測試。本系統將文件配置、硬件配置、數據處理以及數據存儲查詢等功能均進行了模塊化處理。這樣就可以提高代碼模塊的可重復利用性，使得整個系統的結構層次比較清楚、有條理，可以方便地調試、測試模塊的性能，輕松地集成到更高層次的系統內。與Visual C＋＋相比，這樣的編程形式，可以極大地減少開發所用的時間，同時使整個系統結構更加的清晰，便于制定更加簡潔高效的解決方案，也利于以后的系統維護。

3 結束語

在實驗室測控領域，無論是在資金方面還是在技術方面，虛擬儀器都具有明顯的優勢，利用專業虛擬儀器軟件進行測控領域開發有很好的前景。LabVIEW具有強大的用戶界面，使用圖形編程方法設計圖形程序，使用數據流編程，具有可獨立運行的應用程序，可提高用戶的效率。與利用Visual C＋＋開發的虛擬儀器相比，利用LabVIEW軟件開發虛擬儀器，不僅可以大大簡化虛擬儀器的研制過程，明顯縮短其開發周期，而且使多種儀器性能的改進和維護也變得更加容易。

（

）

［1］劉湘梅.高校實驗室建設的思考［J］.科技資訊，2012（31）：193，195.

［2］劉民岷，楊平，吳浩文.基于虛擬儀器的實驗室建設［J］.實驗技術與管理，2002，19（1）：93－95，101.

［3］尚振東，王群燕，韓建海.基于LabVIEW的虛擬儀器在測試技術實驗中的應用［J］.中國現代教育裝備，2007（1）：119－121.

［4］王英紅，秦化渤，閆芳，等.LabVIEW虛擬儀器開發平臺及其應用分析［J］.遼寧工學院學報，2004，24（5）：16－18.

［5］宋波，陳一民.關于虛擬儀器開發工具的比較與選取［J］.國外電子測量技術，2006，25（8）：1－5.

［6］時秋蘭，趙偉，侯國屏.基于LabVIEW環境開發虛擬儀器的幾點體會［J］.電測與儀表，2001，38（12）：29－33.

［7］張千鋒.淺談LabVIEW在語言程序實現中的優勢［J］.機電產品開發與創新，2010，23（3）：119－121.

［8］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社.2007.

［9］楊樂平，李海濤，肖凱，等.虛擬儀器技術概論［M］.北京：電子工業出版社，2003.

［10］蔣薇，賴青貴，張曉波.基于LabVIEW的儀器通信技術研究［C］／／中國核學會2011年學術年會論文集：中國核科學技術進展報告第2卷.北京：原子能出版社，2011：44－47.

［11］唐亞鵬，侯媛彬.基于LabVIEW的實踐教學平臺與Access數據庫的開發［J］.計算機技術與發展，2011，21（5）：219－222.

［12］宋建軍，何常青.基于研華PCI－1713U和LabVIEW的測控系統設計［J］.機電產品開發與創新，2013，26（1）：130－132.

［13］盧佳，徐熙平.LabVIEW環境下自動溫度檢測系統的研究［J］.電子測量技術，2011，34（9）：80－83.

［14］顧文武，何慶中，周鐵，等.基于LabVIEW與智能儀器數據采集系統［J］.儀表技術與傳感器，2012（11）：53－54，58.