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Labview的程序組成與特點，并在計算機控制領(lǐng)域上的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LABVIEW；計算機控制

1.虛擬儀器簡介

虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂嬎銠C、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）來操作這臺計算機就像在操作自己定義、自己設(shè)計的一臺個人儀器一樣，從而完成對被測信號的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲等。虛擬儀器以透明的方式，通過軟件對數(shù)據(jù)的分析處理、表達以及圖形化用戶接口，把計算機資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時器、信號調(diào)理等）的測試能力和控制能力結(jié)合起來。LABVIEW是（實驗室虛擬儀器工作平臺）是一個程序開發(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

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算機。為計算機配置的電子測量儀器硬件模塊是各種傳感器、信號調(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。電子計算機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的基礎(chǔ)。虛擬儀器系統(tǒng)概念是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是計算機系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計算機系統(tǒng)的強大功能，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其進行維護、擴展、升級等。

測試軟件LABVIEW是虛擬儀器的核心，它使用了可視化技術(shù)建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，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象改變?yōu)檫m合自己工作領(lǐng)域的使用對象，并且提供了多種強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，在任何一個平臺上開發(fā)的LABVIEW應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺上。 LABVIEW環(huán)境包括三個部分：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)?？刂坪惋@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。

一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序?？驁D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?？驁D程序由節(jié)點（Node）、數(shù)據(jù)連線（Wire）構(gòu)成。節(jié)點是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)流動方向。節(jié)點之間、節(jié)點與前面板對象之間是同數(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)在前面板對象和框圖程序之間傳輸?shù)耐ǖ?，是?shù)據(jù)在框圖程序內(nèi)節(jié)點之間傳輸?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)點端口?？刂贫丝诤椭甘径丝谟糜谇懊姘鍖ο?，當(dāng)VI程序運行時，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?yīng)的指示中顯示。每個節(jié)點端口都有一個或數(shù)個數(shù)據(jù)端口用于輸入或輸出?？傊瑹o論是面對簡單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，還是高端的混合信號同步采集，LABVIEW高性能的硬件平臺，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)今虛擬儀器隨著計算機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)采集卡配以計算機平臺和虛擬儀器軟件，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)展的可連接到計算 機并行口的測試裝置，其硬件集成在一個采集盒里或探頭上，軟件裝在計算機上，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PC機，一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器通過GPIB電纜連接而成。GPIB技術(shù)可以用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式，很方便的把多臺機器組合起來，形成大的自動測試系統(tǒng)。4）VXI總線方式的VI，VXI總線是VMEbus eXtension for Instrumentation的縮寫，是高速計算機總線VME在VI領(lǐng)域的擴展，有穩(wěn)定的電源，強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展性等優(yōu)點，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，測控儀器將會向高效、高速、高精度和高可靠性以及自動化、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)計提供一個極佳的模式，并且使工程師們在測量和控制方面得到強大功能和靈活性。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實驗室、研究機構(gòu)以及工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的方向。

參考文獻

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

[2]《LabVIEW高級程序設(shè)計》，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》，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（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）