夏璇 陳柏溈

摘要：本文詳細描述了虛擬儀器的內(nèi)涵以及虛擬儀器技術(shù)的特點，又對虛擬儀器不同的總線結(jié)構(gòu)和虛擬儀器軟件的組成部分進行了詳細描述，最后引出LabVIEW這款高效的虛擬儀器軟件，幫助大家突破在電子儀器測量方面的限制。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器，LabVIEW

美國國家儀器公司為滿足虛擬儀器的需求，將儀器技術(shù)和現(xiàn)代計算機深度結(jié)合推出了LabVIEW軟件，LabVIEW是溝通二者的橋梁。

虛擬儀器是以計算機為核心，根據(jù)用戶對儀器的設(shè)計定義，用軟件實現(xiàn)虛擬控制面板設(shè)計和測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)[1]。用戶通過操作虛擬面板，等同于使用一臺專用測量儀器一樣，達到測量、測試目的。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入、輸出和調(diào)理，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，使用者可以通過修改軟件，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以說“軟件就是儀器”。從實質(zhì)上講，虛擬儀器利用硬件系統(tǒng)（特別是I/O接口設(shè)備）完成信號的采集、測量與調(diào)理，利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理，利用計算機的顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測結(jié)果，從而完成所需的各種測試功能。

虛擬儀器中的“虛擬”主要指的是在外觀上控制面板各控件如各種開關(guān)、按鍵、輸入通道、放大倍數(shù)、濾波特性等參數(shù)設(shè)置采用與實物相近的圖標(biāo)，在內(nèi)在上虛擬儀器是利用軟件程序?qū)崿F(xiàn)儀器的測量、測試及分析功能。虛擬儀器技術(shù)的特點可概括為以下4點。

（1）性能高，虛擬儀器技術(shù)繼承了計算機功能超卓的處理器和文件輸入輸出能力，使數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進行復(fù)雜的分析。

（2）擴展性強，得益于虛擬儀器應(yīng)用軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的甚至無須軟件上的升級即可改進整個系統(tǒng)，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。

（3）開發(fā)時間少，在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，目前高效的軟件構(gòu)架能與計算機、儀器儀表和通信方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使得能輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

（4）無縫集成，實際過程中工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。虛擬儀器軟件平臺為所有的設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。

虛擬儀器可分為基于PC總線、GPIB總線、VXI總線、PXI總線等標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)[2]。

由于個人計算機的用戶量及其通用型，基于PC總線的虛擬儀器成為人們的首選。這種硬件一般采用基于PC總線的通用DAQ（ Data AcQuisition）數(shù)據(jù)采集卡，這類虛擬儀器充分地利用了計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性利用通用型DAQ可方便快捷地組建基于計算機的儀器，易于實現(xiàn)“一機多型”和“一機多用。

對已有的專業(yè)儀器，尤其是專業(yè)數(shù)字式儀器，為了擴展其功能或提高性能，往往采用“專用”總線實現(xiàn)與計算機的連接。多數(shù)這類儀器配有GPIB（ General Purpose Interface Bus，通用接口總線）所以利用此類儀器構(gòu)建基于計算機的虛擬儀器一般利用GPIB實現(xiàn)。

VXI系統(tǒng)最多可包含256個裝置，主要由主機箱、控制器、具有多種功能的模塊儀和驅(qū)動軟件、系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成，具有即插即用的特性，但VXI價格較高多用于尖端測試。

虛擬儀器軟件由VISA庫、儀器驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件三部分組成[3]。

（1）VISA庫是標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫和相關(guān)規(guī)范的總稱，起著連接計算機與儀器的作用。VISA只解決了儀器接口的可互換（即改變接口或總線方式不必修改測試程序），但沒有解決更高層次的針對不同儀器的可互換性。

（2）儀器驅(qū)動程序是指能實現(xiàn)某一儀器系統(tǒng)控制與通信的軟件程序集，是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。儀器的驅(qū)動程序由儀器生產(chǎn)商以源碼形式提供給用戶使用，每個儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動，常用的虛擬儀器設(shè)計軟件（如 LabVIEW等）集成了大量常用儀器的驅(qū)動程序。

（3）應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是直接面向操作用戶的程序，該軟件建立在儀器驅(qū)動之上。通過的測控操作界面（或稱為儀器面板）豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能等完成自動測試任務(wù)。虛擬儀器應(yīng)用軟件的開發(fā)工具有通用編程軟件和專業(yè)圖形化編程軟件兩類。通用編程軟件主要有Visual Basic與Visual C++，對開發(fā)者編程技術(shù)要求較高，同時對虛擬儀器也要了解。專業(yè)圖形化編程軟件LabVIEW是NI公司軟件專門為虛擬儀器的開發(fā)而計，對開發(fā)者的要求較低，只要了解軟件總體功能及要實現(xiàn)的虛擬儀器功能就可快捷方便進行開發(fā)。

LabVIEW自1983年推出以來經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)成為最受歡迎的虛擬儀器應(yīng)用軟件。由LabVIEW開發(fā)的程序由VI文件組成，Vi文件主要包括前面板、程序框圖以及圖標(biāo)和連線板五部分。

前板采用圖形化界面用來模擬傳統(tǒng)儀器的操作面板，可以用作數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置的界面。前面板創(chuàng)建完畢以后，可使用程序框圖來添加源代碼。程序框圖是圖形化源代碼的集合，圖形化源代碼又稱G代碼或程序框圖代碼，它決定VI的運行方式。程序框圖代碼使用圖形化代碼來控制程序框圖對象。圖標(biāo)主要用來表示VI，圖標(biāo)上留有VI的輸入輸出連接口，不僅簡潔地表示了VI還利于后續(xù)的連線操作。連線板用來連接不同模塊，使模塊之間能夠進行數(shù)據(jù)傳輸，并且軟件對于不同的數(shù)據(jù)類型會使用不同外觀的連接線以便于區(qū)分。

參考文獻

[1]龍華偉. LabVIEW數(shù)據(jù)采集與儀器控制[M].清華大學(xué)出版社，2016：P9

[2] Jeffrey Travis. LabVIEW大學(xué)實用教程[M].電子工業(yè)出版社，2016：P32

[3]阮奇楨. 我和LabVIEW[M].北京航空航天出版社，2010：28