趙 潔，張 璐，李 桃

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原030051;2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原030051;3.中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西太原030051)

0 引言

所謂虛擬儀器，就是在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，用戶根據(jù)自己的需求定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試任務(wù)。其實(shí)質(zhì)是將傳統(tǒng)儀器硬件和最新計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)充分結(jié)舍起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。

1 虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)儀器一般是一臺(tái)獨(dú)立的裝置。從外觀上看，它一般有操作面板、信號(hào)輸入端口、檢測(cè)結(jié)果輸出這幾個(gè)部分。操作面板上一般有一些開(kāi)關(guān)，按鈕、旋鈕等。檢測(cè)結(jié)果的輸出方式有:數(shù)字、指針式表頭、圖形窗口、打印輸出等。從功能方面分析傳統(tǒng)儀器可分為:信號(hào)的采集與控制、信號(hào)的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出這幾個(gè)部分。傳統(tǒng)儀器的功能都是通過(guò)硬件(或固化的軟件)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種框架結(jié)構(gòu)決定了它只能由儀器廠家來(lái)定義、制造，而且功能和規(guī)格一般都是固定的，用戶無(wú)法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能［1-2］。

表1 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的對(duì)比

2 虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境—LabVIEW

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測(cè)控技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)控理論、方法、測(cè)控領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷的出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破儀器的概念，電子測(cè)控儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。在這種背景下，八十年代末美國(guó)成功開(kāi)發(fā)了圖形化的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言——LabVIEW。

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)的特點(diǎn)是基于通用計(jì)算機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)軟硬件資源平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建靈活、層次體系明晰、功能強(qiáng)大且人機(jī)界面友好的測(cè)控系統(tǒng)，因此在國(guó)內(nèi)外許多測(cè)控應(yīng)用中被廣泛采用［5］。

圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為“G”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念。因此，Labview是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率［6-7］。

3 LabVIEW的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 應(yīng)用于生產(chǎn)檢測(cè)

LabVIEW已經(jīng)成為用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)發(fā)工具。LabVIEW結(jié)合NITestStand測(cè)試執(zhí)行環(huán)境和該領(lǐng)域中最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，為整個(gè)系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測(cè)管理平臺(tái)。

3.2 應(yīng)用于研究與分析

運(yùn)用LabVIEW，可在汽車、能源研究和其它眾多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算;對(duì)于要求聲音、振動(dòng)、圖像處理、時(shí)頻分析、小波和數(shù)字濾波的應(yīng)用系統(tǒng)，LabVIEW特別提供各種附加工具包以加速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

3.3 應(yīng)用于過(guò)程控制和工廠自動(dòng)化

可利用LabVIEW來(lái)建立眾多的過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)。在LabVIEW平臺(tái)下，可以實(shí)現(xiàn)高速、多通道的測(cè)量和控制。對(duì)于大型復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)，有專門的LabVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控多通道I/O、與工業(yè)控制器和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，以及提供基于PC機(jī)的控制。

3.4 應(yīng)用于機(jī)器監(jiān)控

對(duì)于要求有實(shí)時(shí)控制、振動(dòng)分析、視覺(jué)和圖像分析或運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)器監(jiān)視和預(yù)先維護(hù)的應(yīng)用系統(tǒng)，LabVIEW是理想的選擇。LabVIEW系列產(chǎn)品，包括用于可靠、確定性控制的實(shí)時(shí)LabVIEW(LabVIEW RT)軟件，就可以快速、準(zhǔn)確地建立起功能強(qiáng)大的機(jī)器監(jiān)視和自動(dòng)控制應(yīng)用程序。

3.5 IPC多任務(wù)測(cè)控系統(tǒng)

LabVIEW有著強(qiáng)大的功能和廣闊的應(yīng)用范圍，但就目前國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀來(lái)看，絕大多數(shù)的用戶還是把LabVIEW作為虛擬儀器，僅僅利用它來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和顯示，忽略了LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和控制功能［8］。此系統(tǒng)的任務(wù)可以分為下位機(jī)和上位機(jī)任務(wù)兩大類。

下位機(jī)任務(wù)主要有:采集任務(wù)主要是模擬量采集和開(kāi)關(guān)量采集;控制任務(wù)包括直流電動(dòng)機(jī)的控制和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制;數(shù)據(jù)通信任務(wù)將采集出的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)上;從上位機(jī)接收控制命令。

上位機(jī)任務(wù)主要有:整點(diǎn)制表任務(wù)系統(tǒng)分別在0點(diǎn)、8點(diǎn)、16點(diǎn)制表，完成規(guī)定時(shí)間的電壓、電流等測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)或結(jié)果的輸出，便于以后對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查找，這也是測(cè)控系統(tǒng)的常規(guī)工作;數(shù)據(jù)的計(jì)算通過(guò)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算電壓的偏差、波動(dòng)以及頻率等量;動(dòng)態(tài)顯示任務(wù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的顯示，便于管理者掌握系統(tǒng)的狀態(tài)。動(dòng)態(tài)顯示對(duì)系統(tǒng)資源的消耗較大，所以從下位機(jī)任務(wù)中分離出來(lái);數(shù)據(jù)通信任務(wù)將系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布到其它控制臺(tái)，通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 LabVIEW的數(shù)據(jù)采集

在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。使用計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的信息實(shí)現(xiàn)顯示和處理，其前提條件是將計(jì)算機(jī)和現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來(lái)。這需要將現(xiàn)實(shí)世界中的各種信號(hào)(統(tǒng)稱模擬信號(hào))轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別、存儲(chǔ)的信號(hào)(統(tǒng)稱數(shù)字信號(hào))，這一過(guò)程稱為數(shù)據(jù)采集(DAQ，Data Acquisition)［9］。

數(shù)據(jù)采集是對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量，從而獲得大量數(shù)據(jù)以便進(jìn)行分析和處理。它是外部被測(cè)模擬信號(hào)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)的必經(jīng)前置通道。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分:信號(hào)調(diào)理模塊、采樣保持模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及其它模塊，如定時(shí)/計(jì)數(shù)器，數(shù)模轉(zhuǎn)換等［10］。組建一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集卡的選擇是非常重要的。它的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)A/D轉(zhuǎn)換芯片的類型:主要分為直接比較型和間接比較型。前者是將輸入的模擬信號(hào)直接同標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓相比較得出數(shù)字量;后者是將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間量，將中間量再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

(2)數(shù)據(jù)分辨率:分辨率是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的精度指標(biāo)，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字位數(shù)來(lái)表示。

(3)通道數(shù):指能夠同時(shí)采樣的通道數(shù)目，一般根據(jù)測(cè)試任務(wù)選擇。

(4)采樣率:表示單通道采樣能使用的最高頻率。如果是多通道采樣，則能夠到達(dá)的采樣率是最高頻率除以通道數(shù)。

(5)數(shù)據(jù)總線接口類型:不同的總線接口類型的數(shù)據(jù)板卡的接口硬件形式不一樣，數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則和速度也不一樣。目前主要有 PCI、ISA、VXI和 PXI。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì)采集板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。

在基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)測(cè)量到物理信號(hào)之前，需要通過(guò)傳感器(或轉(zhuǎn)換器)將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。為了更精確地測(cè)量信號(hào)，信號(hào)調(diào)理配件能放大低電壓信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離和濾波。此外，某些傳感器需要有電壓或電流激勵(lì)源來(lái)生成電壓輸出。信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)備可以用插入式DAQ卡在將測(cè)量的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息前對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。DAQ系統(tǒng)由軟件控制—獲取數(shù)據(jù)行、分析數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。

5 結(jié)論

Labview是一個(gè)功能強(qiáng)大的虛擬儀器編程環(huán)境，也是一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室，它大大提高了研究人員的工作效率。因而可以說(shuō)，虛擬儀器是跨躍物理世界與數(shù)字世界的橋梁和紐帶，在統(tǒng)一的信息世界內(nèi)涵里，連接著物理世界與數(shù)字世界。結(jié)合電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)和潛力，為人們帶來(lái)了前所未有的便利和發(fā)展空間。

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