虛擬儀器概述論文

1、基于LabVIEW的虛擬儀器概述劉春亮（中南林業(yè)科技大學 計算機與信息工程學院，長沙410000）摘要：本文介紹了虛擬儀器的概念、組成和虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW， 以及基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對虛擬儀器的前景進行了展望。關鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)字示波器；數(shù)據(jù)采集Summarize Virtual Instruments based on LabVIEWLiu chun-liang(Institute of Electronic Information and Automation,Chongqing University of Technology,Chongqi

2、ng 400050,China)Abstract：The paper introduces the concept and the constitute of Virtual Instruments and the software LabVIEW. It discusses the system of data acquisition（DAQ）,and introduces the development and perspective of virtual instrumen.Keywords：Virtual instrument；LabVIEW；Data acquisition；Osci

3、llograph前言虛擬儀器是一種基于計算機的自動化測試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的突出優(yōu)點在于能夠與計算機技術結合，將計算機資源與儀器硬件，數(shù)字信號處理技術與不同功能的軟件模塊結合，組成不同的儀器功能。用戶可根據(jù)測試的需要，自己設計所需要的儀器系統(tǒng)，即利用數(shù)據(jù)采集卡及計算機外圍硬件進行信號的采集與檢測，然后用計算機所編的軟件來實現(xiàn)對信號的處理、計算和分析以及對測試結果進行顯示。虛擬儀器的出現(xiàn)改變了原有儀器的整體設計思路，用軟件代替了硬件。將傳統(tǒng)儀器由硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析與顯示功能，改由功能強大的計算機及其顯示器來完成，使工程技術人員可以用一部筆記本電腦到現(xiàn)場就可輕松完成信號的采集、處理及頻譜分析和波形

4、分析。1虛擬儀器1.1虛擬儀器的概念虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計儀器的測試功能，使用者操作這臺計算機，就像是在使用一臺專門設計的電子儀器7。它突破了傳統(tǒng)儀器的特點，將傳統(tǒng)儀器由硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析功能與顯示功能，改由功能強大的計算機及其顯示器來完成，并配置以相應的I/O 接口設備進行數(shù)據(jù)采集，再編制不同測試功能的軟件對獲得的信號數(shù)據(jù)進行分析處理及顯示，就可以構成一套完整的測試系統(tǒng)，并具備數(shù)據(jù)處理的功能和友好的人機界面。同時，儀器的功能和面板可以由用戶根據(jù)需要自行定義或擴展，而不是由廠家事先定義且固定不變4。這樣，用戶不必購買多臺不同功能的儀器，不必購買昂貴的集多功能于一身的傳統(tǒng)儀

5、器，也不必不斷的購買新的儀器。而且因為有網(wǎng)絡的存在，可以應用網(wǎng)絡實現(xiàn)儀器共享或遠程控制。1.2虛擬儀器的構成虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、應用軟件和儀器硬件組成的。硬件是指獲得測試數(shù)據(jù)的各種硬件I/O 接口設備，大致可分為4 類：DAQ、GPIB、VXI、PXI，因此組成了4 種虛擬儀器體系結構。無論哪種結構，都是將硬件儀器嵌入到筆記本電腦、臺式計算機或工作站等各種計算機平臺上，再加上應用軟件而構成的3。因而，虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)與計算機技術的發(fā)展步伐完全同步。由于虛擬儀器更注重軟件的應用和開發(fā)，所以虛擬儀器使用更方便，更新更快捷，修改更容易，并且功能比一般儀器系統(tǒng)更強大。只要具備必備的硬件，在加上豐

6、富而且日新月異的軟件系統(tǒng)，虛擬儀器將不斷完善和進步，會逐漸融入現(xiàn)代生活生產(chǎn)中。1.3虛擬儀器發(fā)展概況及前景虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計算機，加上特殊設計的儀器硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔、低價的新型儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進步產(chǎn)生了不可估量的影響。虛擬儀器廣泛應用于電子測量、化學工業(yè)、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等諸多領域9。目前，虛擬儀器在那些發(fā)達國家中設計、生產(chǎn)、使用已經(jīng)十分普及。在美國，虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言，已成為各大

7、學理工科學生的一門必修課程，而在我國虛擬儀器的設計、生產(chǎn)、使用正在起步10。國內(nèi)專家預測，未來的幾年內(nèi)，我國將有50的儀器為虛擬儀器。屆時，國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設備的運行狀況進行實時監(jiān)測。隨著微型計算機的發(fā)展，各種有關軟件不斷誕生，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。1.4虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比所具有的優(yōu)越性傳統(tǒng)臺式儀器是由儀器廠家設計并定義好功能的一個封閉結構，它有固定的輸入輸出接口和儀器操作面板，每種儀器只能實現(xiàn)一類特定的測量功能，并以確定的方式提供給用戶。從一般的儀器設計模型看，一種儀器無非是由數(shù)據(jù)采集、分析處理、人機交互和顯示等幾部分功能模塊組成的

8、整體。因此，我們可以設想在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計算機支持下，通過軟件設計實現(xiàn)儀器的全部功能，這就是虛擬儀器設計的核心軟件就是儀器12。這樣我們可以在數(shù)據(jù)采集卡的基礎上添加少量的硬件設備或者直接在原有數(shù)據(jù)采集卡的基礎上開發(fā)虛擬儀器。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點外，在工程應用和社會經(jīng)濟效益方面也具有突出優(yōu)勢。一方面，目前我國高檔臺式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進口，這些儀器加工工藝復雜、對制造水平要求高，另外，在傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)中，一塊數(shù)據(jù)采集卡的作用通常是固定不變的。例如AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器和UO連接器等。如果把計算

9、機控制系統(tǒng)運用于虛擬儀器中，則可以實現(xiàn)一卡多用，甚至用戶可以根據(jù)自身的特殊需要構建特定的虛擬儀器，且無需增加任何硬件設備，傳統(tǒng)儀器就無法做到這一點。1.5 LabVIEW 簡介LabVIEW 是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的縮寫。它是一個工程軟件包。LabVIEW采用圖形化語言編程，以方框圖的形式編制程序，運用的設備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似8。LabVIEW從基本的數(shù)學函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)據(jù)運算函數(shù)、文件IO函數(shù)到高級分析庫，包括了信號處理、窗函數(shù)、濾波器設計、

10、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、曲線擬合等，涵蓋了儀器設計中幾乎所有需要的函數(shù)5。LabVIEW的功能模塊包括數(shù)據(jù)采集、通用接口總線和儀表的實時控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)的存儲。2虛擬數(shù)字示波器構想2.1示波器原理概述示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細小的光點。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量

11、，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當，會產(chǎn)生較大的測量誤差，從而影響測試任務。手工檢定效率低，容易出錯，對每一種示波器的檢定需要測試工程師翻閱大量的資料；自動測試系統(tǒng)具有準確快速地測量參數(shù)、直觀地顯示測試結果、自動存儲測試數(shù)據(jù)等特性，是傳統(tǒng)的手工測試無法達到的。用自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)對示波器的程控檢定將會是儀器檢定的趨勢。2.2示波器與虛擬儀器結合的趨勢數(shù)字示波器是科研和實驗室中經(jīng)常使用的一種通用臺式儀器，目前這類儀器加工復雜、價格昂貴。用虛擬

12、儀器技術只需配置必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件，應用美國NI 公司提供的基于圖形化編程語言LabVIEW 的虛擬儀器編程環(huán)境，結合計算機的模塊化設計方法，可以實現(xiàn)虛擬示波器，并對其功能進行擴展，實現(xiàn)傳統(tǒng)臺式儀器所沒有的頻譜分析和功率譜分析功能。目前可以利用LabVIEW設計具有豐富功能的虛擬數(shù)字示波器，它不僅僅可以具備一般示波器的波形顯示功能，還能在設計中增加其他普通示波器沒有的功能。通過豐富的LabVIEW編程模塊，不但可以增加示波器對信號進行處理分析的能力，還可以利用網(wǎng)絡系統(tǒng)模塊進行遠程測量和分析，大大增強了示波器的使用價值。另外，由于利用軟件編程的便利性，虛擬數(shù)字示波器具有的模塊功能可以根據(jù)實際

13、情況進行修改和完善，這樣不但可以按需設計，還可以適應不同場所和環(huán)境，大大提高了工作效率。2.3利用LabVIEW設計虛擬數(shù)字示波器構想LabVIEW是用來設計虛擬儀器的常用軟件，所以可以利用LabVIEW來設計示波器。這種利用軟件設計的示波器可以稱為虛擬數(shù)字示波器。這種虛擬數(shù)字示波器基本由軟件控制完成信號的采集、處理和顯示，最終可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等普通示波器具備的功能。虛擬數(shù)字示波器的軟件可以采用基于G語言的編程工具LabVIEW。LabVIEW這種G語言編程環(huán)境采用圖形化的儀器編程環(huán)境，具有內(nèi)置的程序編譯器，程序調(diào)試手段靈活，函數(shù)庫功能強大，支持網(wǎng)絡功能。可以利用LabVIEW軟件

14、給虛擬示波器增加更多的功能模塊，例如多通道信號輸入功能、觸發(fā)控制功能、通道控制功能、時基調(diào)整控制功能、幅度調(diào)整控制功能、參數(shù)自動測量功能，數(shù)據(jù)分析功能等。虛擬示波器數(shù)據(jù)的接收包括數(shù)據(jù)采集和通信部分這兩部分。數(shù)據(jù)采集部分能夠完成數(shù)據(jù)采集卡的配置，包括設備號、通道選擇控制、緩沖區(qū)大小、采樣速率、采樣點數(shù)等的控制。波形顯示可以完成觸發(fā)控制、時基控制、幅度控制、波形的清除等功能。參數(shù)測量模塊完成包括電壓參數(shù)、頻率和周期等參數(shù)的測量功能，具體為：上升時間、下降時間、頻率（Frequency）、周期、正脈寬、負脈寬、占空比、延遲、峰峰值、最小值、最大值、均方值、幅度、平均值。虛擬數(shù)字示波器可設計為由一塊基

15、于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡和相應的軟件組成的虛擬儀器，將這些硬件模塊安裝在一臺PC機上，可選用NI公司的采集卡，系統(tǒng)的軟件采用模塊化的思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，然后由主控模塊調(diào)用各個子模塊，即可構成一個功能強大的虛擬數(shù)字示波器。軟件采用模塊化設計思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，軟件總體上應該包括程序控制、波形顯示、通道選擇、位置調(diào)整、觸發(fā)控制等模塊，最終使虛擬數(shù)字示波器能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)、處理、顯示等功能。2.4虛擬數(shù)字示波器前景如果利用LabVIEW軟件設計虛擬數(shù)字示波器，該示波器不僅會具有一般臺式數(shù)字示波器的功能，而且還能充分發(fā)揮微機強大的功能和軟件設計的靈活性

16、，主要技術特點表現(xiàn)在：（1）采用圖形化編程語言LabVIEW和面向?qū)ο缶幊碳夹g，軟件開發(fā)效率高，可操作性和可維護性好；（2）為數(shù)字示波器增加了頻域分析功能；（3）充分利用了計算機的存儲與外設連接的能力，測量結果和波形可直接打印輸出或通過網(wǎng)絡共享；（4）硬件具有開放性，允許通過升級硬件來提高其性能；（5）在相同硬件條件下，可以通過修改或增加軟件模塊，形成新的儀器功能。目前利用LabVIEW設計的虛擬儀器越來越受關注，在各行各業(yè)的使用也越來越頻繁。很多儀器公司開始投入虛擬儀器的開發(fā)，這也提高了該行業(yè)的競爭性，有利于虛擬儀器的發(fā)展和壯大。對于示波器而言，國內(nèi)設計的示波器，功能還比較單一，穩(wěn)定性有待提

17、高，投入使用的成品還比較稀少。適當增強示波器的功能，如果能利用先進的管理方法，學習國外先進編程技術，加強技術人才的鍛煉培養(yǎng)，相信虛擬數(shù)字示波器會越來越受歡迎和關注。國外生產(chǎn)的數(shù)字示波器，不但功能多種多樣，而且在硬件環(huán)節(jié)上要求也更高，具備很高的穩(wěn)定性，還結合了先進的網(wǎng)絡技術，開發(fā)了遠程測量，利用虛擬儀器來進行遠程測量研究。相信隨著計算機技術的不斷發(fā)展以及虛擬儀器的不斷研究開發(fā)，今后的示波器將更加完善，其功能將更加強大，生產(chǎn)規(guī)模也更加龐大。對于虛擬數(shù)字示波器而言，也會具有無限生機和市場需求。小結虛擬儀器設計已經(jīng)成為測試與儀器技術發(fā)展的一個重要方向。隨著高速AD芯片和電路的進一步集成化，可以設想在不

18、遠的將來，一臺安裝有虛擬儀器軟件的標準微機成為一個多功能的測量儀器站，從根本上改變目前專用儀器的研制和生產(chǎn)方式，具有廣闊的應用前景和巨大的潛在經(jīng)濟效益。虛擬數(shù)字示波器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)一般通用數(shù)字示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計算機的強大功能和LabVIEW 在儀器開發(fā)方面的靈活性，用戶可根據(jù)需要增加儀器的功能，根據(jù)自己的喜好設計示波器界面，同時可利用網(wǎng)絡進行遠程測量，做到硬件資源和測試數(shù)據(jù)的共享。該系統(tǒng)具有實際的應用價值，開放化，虛擬儀器技術結合網(wǎng)絡技術，可實現(xiàn)以軟件設計為核心的自動測試系統(tǒng)，使現(xiàn)代化測試向智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡化發(fā)展。參考文獻：1Lisa Wells,Jeffrey Travis. LabVIEW for Everyone - Graphic