基于LabVIEW的虚拟仪器设计研究 第一章 绪论

1.1 问题的提出

由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现。电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密的结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生突破性的变化。在上述的背景下，出现了新的仪器概念——虚拟仪器。

在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能，开发结构简单、操作方便、费用低的虚拟实验仪器，包括数字示波器、频谱分析仪、函数发生器等，既可以减少实验设备资金的投入，又为学员做创新性实验、掌握现代仪器技术提供了条件。

1.2 虚拟仪器介绍

1.2.1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI)，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I／O接口设备完成信号的采集测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。

虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。 (1)虚拟仪器的面板是虚拟的

虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的：由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”，实现被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，以及实现测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。

基于LabVIEW的虚拟仪器设计研究 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的：虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通’、“断”、“放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。

(2)虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的

虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。软件是虚拟仪器的关键，当硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的分析、处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛应用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。 1.2.2虚拟仪器的构成

虚拟仪器通常由通用仪器硬件平台和应用软件平台两大部分构成。 1、虚拟仪器的硬件平台

构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。

①计算机。它一般为一台PC机或工作站，是硬件平台的核心。

②I／O接口设备。I／O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模／数转换。不同的总线有其相应的Uo接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集卡(DAQ)、GPIB总线仪器、VXl总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有5种类型，如图1-1所示。

基于LabVIEW的虚拟仪器设计研究

被测信号 PC-DAQ GPIB仪器 串口仪器 计算机 VXI模块 PXI模块 图 1-1 虚拟仪器的构成

2、虚拟仪器的软件平台

开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两类。

●文本式编程语言：如VisualC++，Visual Basic，LabWindows／CVI等。 ●图形化编程语言：如LabVIEW，HPVEE等。虚拟仪器软件由两部分构成，即应用程序和I／O接口仪器驱动程序。虚拟仪器的应用程序包含两方面功能的程序，即实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序。I／O接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 1.2.3虚拟仪器的优势

与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，具体表现为：

智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪

基于LabVIEW的虚拟仪器设计研究 器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。

复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。

可操作性强。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印，显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高。

1.3 虚拟仪器的现状和发展方向

1.3.1 虚拟仪器的现状

虚拟仪器的概念，是美国国家仪器公司(National Instruments Corp，简称NI)于1986年提出的。80年代以来，NI公司研制和推出了许多总线系统的虚拟式仪器，成为这类新型仪器世界第一生产大户。此后，美国的惠普(HP)公司，Tektronix公司，Racal公司等也相继推出了许多此类仪器，并在短短的lO余年便占有了世界仪器市场的10％左右。虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以NI公司为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。据“世界仪表及自动化”杂志预测，2l世纪初叶，世界虚拟仪器的生产厂家将超过千家，其品种将达到数千种，市场占有率将达到50％左右。虚拟仪器将成为本世纪仪器发展的方向，而且有逐步取代传统硬件化电子仪器的趋势。

近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和LabWindows／CVI开发软件。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows／CVI是为熟悉c语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。