談虛擬儀器在測控系統(tǒng)中的發(fā)展

張習(xí)暉

摘 要：本文簡要介紹了虛擬儀器的概念及其軟件開發(fā)平臺(tái)Labview的程序組成與特點(diǎn)，并在計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域上的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LABVIEW；計(jì)算機(jī)控制

1.虛擬儀器簡介

虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡稱前面板）來操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)個(gè)人儀器一樣，從而完成對(duì)被測信號(hào)的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲(chǔ)等。虛擬儀器以透明的方式，通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口，把計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理等）的測試能力和控制能力結(jié)合起來。LABVIEW是（實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)）是一個(gè)程序開發(fā)環(huán)境，于1986年由美國國家儀器公司創(chuàng)建。它類似于Visual Basic，Visual C++。但是LABVIEW的特點(diǎn)在于：它使用圖形化編程語言G在流程圖中創(chuàng)建源程序，而沒有使用基于的文本語言來產(chǎn)生源程序代碼，這就給即使沒有編程經(jīng)驗(yàn)的儀器測試人員或其他領(lǐng)域的工程師帶來極大的便利。

2.虛擬儀器的組成與特點(diǎn)

虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。虛擬儀器的硬件主體是電子計(jì)算機(jī)。為計(jì)算機(jī)配置的電子測量儀器硬件模塊是各種傳感器、信號(hào)調(diào)理器、模擬數(shù)字/轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）、數(shù)據(jù)采集器（DAQ）等。電子計(jì)算機(jī)及其配置的電子測量儀器硬件模塊組成了虛擬儀器測試硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)。虛擬儀器系統(tǒng)概念是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、處理等方面的限制，使用戶可以方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展、升級(jí)等。

測試軟件LABVIEW是虛擬儀器的核心，它使用了可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了許多儀器面板中的控制對(duì)象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。用戶可以通過使用編輯器將控制對(duì)象改變?yōu)檫m合自己工作領(lǐng)域的使用對(duì)象，并且提供了多種強(qiáng)有力的工具箱和函數(shù)庫，并集成了很多儀器硬件庫，支持多種操作系統(tǒng) 平臺(tái)，在任何一個(gè)平臺(tái)上開發(fā)的LABVIEW應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺(tái)上。 LABVIEW環(huán)境包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接端口。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Controls），為虛擬儀器的框圖程序提供數(shù)據(jù)；輸出量被稱為顯示（Indicators），顯示虛擬儀器流程圖中產(chǎn)生或獲得的數(shù)據(jù)。控制和顯示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。

一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序。框圖程序用LABVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。框圖程序由節(jié)點(diǎn)（Node）、數(shù)據(jù)連線（Wire）構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)是VI程序中的執(zhí)行元素，類似于文本編程語言程序中的語句、函數(shù)或子程序。節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)連線按照一定的邏輯關(guān)系相互連接，可定義框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與前面板對(duì)象之間是同數(shù)據(jù)端口和數(shù)據(jù)連線來傳遞數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)端口是數(shù)據(jù)在前面板對(duì)象和框圖程序之間傳輸?shù)耐ǖ溃菙?shù)據(jù)在框圖程序內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)慕涌凇?/p>

LABVIEW中有三種類型的數(shù)據(jù)端口：控制端口和指示端口以及節(jié)點(diǎn)端口。控制端口和指示端口用于前面板對(duì)象，當(dāng)VI程序運(yùn)行時(shí)，從控制輸入的數(shù)據(jù)通過控制端傳遞到框圖程序，供其中的程序使用，產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)再通過指示端口傳輸?shù)角懊姘鍖?duì)應(yīng)的指示中顯示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)端口都有一個(gè)或數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)端口用于輸入或輸出。總之，無論是面對(duì)簡單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，還是高端的混合信號(hào)同步采集，LABVIEW高性能的硬件平臺(tái)，您都能應(yīng)付自如。

3.虛擬儀器的組成形式及其發(fā)展前景

現(xiàn)今虛擬儀器隨著計(jì)算機(jī)總線形式的不同而發(fā)展出五種類型，1）PC-DAQ插卡式的VI，這種方式用數(shù)據(jù)采集卡配以計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)。2）并行口式的VI，最新發(fā)展的可連接到計(jì)算 機(jī)并行口的測試裝置，其硬件集成在一個(gè)采集盒里或探頭上，軟件裝在計(jì)算機(jī)上，可以完成各種VI功能。3）GPIB總線方式的VI，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)，一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)GPIB儀器通過GPIB電纜連接而成。GPIB技術(shù)可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式，很方便的把多臺(tái)機(jī)器組合起來，形成大的自動(dòng)測試系統(tǒng)。4）VXI總線方式的VI，VXI總線是VMEbus eXtension for Instrumentation的縮寫，是高速計(jì)算機(jī)總線VME在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。5）PXI總線

形式的VI，PXI總線是PCI eXtension for Instrumentation 的縮寫，是PCI在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展。這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，具有多板同步觸發(fā)、相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。

隨著各種新技術(shù)的發(fā)展，測控儀器將會(huì)向高效、高速、高精度和高可靠性以及自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，并且越來越大眾化和小型化。虛擬儀器系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用在通訊、自動(dòng)化、半導(dǎo)體、航空、、電力、生化制藥、和工業(yè)生產(chǎn)等各種領(lǐng)域。開放式數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)將使虛擬儀器走上標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化和模塊化的道路。虛擬儀器技術(shù)已成為測試、工業(yè)I/O和控制和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流技術(shù)，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。未來虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)極佳的模式，并且使工程師們?cè)跍y量和控制方面得到強(qiáng)大功能和靈活性。隨著現(xiàn)代軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器必將成為未來各級(jí)實(shí)驗(yàn)室、研究機(jī)構(gòu)以及工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]《LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程（第三版）》，喬瑞萍等譯，電子工業(yè)出版社 2008-06

[2]《LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)》，楊樂平等編著，清華大學(xué)出版社 2003-4-1

[3]《LabVIEW 8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集》，龍華偉，顧永剛編著，清華大學(xué)出版社

[4]《虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)》，張重雄編著，電子工業(yè)出版社2007-8-1

[5]虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)（電子信息與電氣學(xué)科規(guī)劃教材）

（作者單位：天津市自行車研究院）