虛擬儀器LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文：虛擬實(shí)驗(yàn)室研究和探索

1、虛擬儀器 LabVIEW 系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文：虛擬實(shí)驗(yàn)室研究和探索 摘要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，虛擬 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。虛擬實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一個必要的有益 補(bǔ)充，既能節(jié)約大量的教育經(jīng)費(fèi)，也使實(shí)驗(yàn)在時間和空間上 得到有效的延伸。它在教育、科研等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用 前景，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個新的發(fā)展方向，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)研 究的熱點(diǎn)課題之一。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建具有重要的現(xiàn) 實(shí)意義。 關(guān)鍵詞 虛擬儀器 labview 系統(tǒng)設(shè)計(jì)abstract virtual laboratory appears with the devel- opment ofcomputer technique and

2、virtual instrument technique. as anessential and benefic- ial supplement to the traditional experiment,virtual experiments not only save a lot of education funds, but alsoextend the experiments in time and space effectively. it has the vastapplied foreground in the education and research realm. virt

3、uallaboratory is a new development direction of the experimentteaching as well as an active research topic recently. therefore, thedevelopment of the virtual laboratory of network is very necessary.keywords virtual instrument labview systemdesign傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室是資源高度密集的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有實(shí)驗(yàn)設(shè) 備資金投入量大、實(shí)驗(yàn)體系的完善和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施所需人 力物

4、力投入量大的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備有的己經(jīng)老化，有 的技術(shù)上有些落后，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)緊缺的情況下，如果大 量購置常規(guī)儀器儀表，學(xué)校財(cái)力難以支付。又由于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 室是面向所有的工科專業(yè)，任務(wù)異常繁重，實(shí)驗(yàn)室常常只能 應(yīng)付學(xué)生按教學(xué)大綱的要求做一些最簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué) 生很少有機(jī)會去反復(fù)熟悉常用儀器儀表的使用，更少有機(jī)會 去做設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。 這對調(diào)度學(xué)生學(xué)習(xí)積極性， 培養(yǎng)創(chuàng)新精神， 加強(qiáng)實(shí)踐動手能力都十分不利。而虛擬實(shí)驗(yàn)室具有開放、安 全、經(jīng)濟(jì)、更新快等優(yōu)點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段得到突破 與創(chuàng)新 1 。一、虛擬儀器技術(shù)的由來所謂虛擬儀器 2 ( virtual instrument)，是指在以通用計(jì)

5、算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬 面板，其儀器的大部分測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算 機(jī)儀器系統(tǒng)。儀器的面板由顯示在計(jì)算機(jī)上的軟面板來代 替，信號的獲取和信號的分析、處理、存儲及打印等功能完 全由軟件來實(shí)現(xiàn)。其實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來 模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果； 利用計(jì)算機(jī)的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理；利用 i/o 接口通信設(shè)備完成信號的采集與傳輸，最終完成各 種測試功能。二、虛擬儀器在國內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用情況 目前國內(nèi)已有部分高校的個別實(shí)驗(yàn)室裝備了虛擬儀器 實(shí)驗(yàn)平臺 , 但都或多或少地存在著通用性較差，靈活性不強(qiáng)、 交互性差的

6、問題。其中比較出色、比較有代表性的是清華大 學(xué)虛擬儀器電工教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。清華大學(xué)電機(jī)系將虛擬儀器 用于對傳統(tǒng)電工教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改造和更新 , 已開發(fā)出若干個基 于虛擬儀器環(huán)境的電工實(shí)驗(yàn)。在這些新開實(shí)驗(yàn)中 , 被測對象 是實(shí)際的電路或系統(tǒng)。另外，國內(nèi)許多大學(xué)和研究所都已經(jīng) 開始研制和提供遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)。例如，北京大學(xué)計(jì)算機(jī)系所 設(shè)計(jì)的基于萬維網(wǎng)的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室 3wnvlab 就是一種 支持較大計(jì)算量和交互式的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的通用基本框 架3 。它是一個基于瀏覽器和 web 服務(wù)器的虛擬實(shí)驗(yàn)室。 在該系統(tǒng)中，用戶平臺采用 java 編寫，用戶可通過界面選 擇實(shí)驗(yàn)種類，并將用戶的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過intern

7、et 傳送到服 務(wù)器端。服務(wù)器端是虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心，用來完成客戶端要 求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并將可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回客戶端?？蛻羰盏?實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，可評價自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而對自己的能力進(jìn) 行判斷。北京郵電大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院的網(wǎng)絡(luò)課程中就包括了 虛擬物理實(shí)驗(yàn)、虛擬電子電路實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)是用 flash 和 html 等技術(shù)建設(shè)的，因此可以在網(wǎng)絡(luò)上傳播，算是構(gòu)建真實(shí)感很強(qiáng)的、具有良好交互性的虛擬實(shí)驗(yàn)室。三、虛擬儀器所具備的優(yōu)點(diǎn) 傳統(tǒng)儀器下的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，嚴(yán)重滯后于信息時代和工 程實(shí)際的需要。其根本原因在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容依附于課程設(shè) 立，基本處于割裂狀態(tài)，儀器設(shè)備不可能實(shí)現(xiàn)資源共享。 特 別需要一些測試速度快、

8、 實(shí)時性好的人機(jī)界面， 虛擬儀器正 可以實(shí)現(xiàn)這些要求。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下優(yōu) 點(diǎn)：(1) 性能高 ：虛擬儀器技術(shù)是在 pc 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展 起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的 pc 技術(shù)為主導(dǎo) 的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件 i/o ， 使數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實(shí)時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此 外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀 器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢。 (2) 擴(kuò)展性強(qiáng)：這些軟硬件工 具使得工程師和科學(xué)家們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于 軟件的靈活性， 只需更新計(jì)算機(jī)或測量硬件， 就能以最少的 硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)

9、整個系 統(tǒng)。(3) 開發(fā)時間少：在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上， ni 高效的 軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合 在一起。設(shè)計(jì)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(qiáng)大的功能， 使用戶輕松地配置、 創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決 方案。 (4) 除了以上幾點(diǎn)之外，虛擬儀器研制周期較傳統(tǒng)儀 器大為縮短，且成本低廉；具有開放性和靈活性，可與計(jì)算 機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)。四、虛擬儀器的組成 虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部 分組成 4 。（1）虛擬儀器硬件平臺 ：虛擬儀器的硬件一般 包括計(jì)算機(jī)和外圍硬件設(shè)備

10、。pc 機(jī)可以選擇各種類型的通 用計(jì)算機(jī)，它是硬件平臺的核心。目前較為常用的虛擬儀器 系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、 gpib 儀器控制系統(tǒng)、 vxi 儀器系 統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。主要完成被測信號的采集、 放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù) / 模轉(zhuǎn)換和信號輸出控制等。其中， pc-daq 測量系統(tǒng)是構(gòu)成 vi 的最基本的方式，也是最廉價的 方式。（2）虛擬儀器軟件系統(tǒng)虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成， 即應(yīng)用程序和 i/o 接口儀器驅(qū)動程序。應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)虛擬面 板功能的前面板的軟件程序；定義儀器測試功能的流程圖軟 件程序。i/o 接口儀器驅(qū)動程序用來完成特定外部硬件設(shè)備 的擴(kuò)展、驅(qū)動與通信。輸入 / 輸出 （

11、i/o）接口軟件存在于儀器 （即 i/o接口設(shè)備 ）與儀器驅(qū)動程序之間，是一個完成對儀器 內(nèi)部寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，對 vxi 背板總線與 器件作測試和控制，并為儀器與儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞 的底層軟件層，是實(shí)現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ) 與核心。五、虛擬儀器的功能及特點(diǎn)(1)虛擬儀器的功能 : 虛擬儀器利用個人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的 圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器 的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示。目前虛擬儀器廣泛應(yīng)用于電子測 量、電力工程、礦質(zhì)勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學(xué)分析、故 障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。虛擬儀器的基本功能有以下三點(diǎn)： (1) 信號調(diào)理與采集 功能：此

12、項(xiàng)功能主要是由虛擬儀器的硬件平臺完成的。儀器 硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路，或者是帶 標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如 gpib,vxi,pxi,std,pci 總線儀器 和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。 (2) 數(shù)據(jù)分析與處理功能：虛擬儀器充分 利用了計(jì)算機(jī)的高速存儲功能、運(yùn)算功能，并通過軟件實(shí)現(xiàn) 對輸入信號的分析處理， 如數(shù)字濾波、 統(tǒng)計(jì)處理、數(shù)值計(jì)算、信號分析、數(shù)據(jù)壓縮、模式識別等數(shù)字信號處理。(3) 參數(shù) 設(shè)置和結(jié)果表達(dá)功能： 虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)的人機(jī)對話 功能，完成儀器的各種工作參數(shù)的設(shè)置，如功能、頻段、量 程等參數(shù)的設(shè)置，對測量結(jié)果的表達(dá)與輸出有多種方式，如 屏幕顯示，電、磁、光存儲，繪圖

13、打印，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?2)虛擬儀器的特點(diǎn)虛擬儀器技術(shù)就是基于pc 技術(shù)的、用戶自定義的測試和測量解決方案，其四大優(yōu)勢在于：性能 強(qiáng)性價比高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間短，以及出色的集成功能 5 。 (a) 性能強(qiáng)性價比高：以軟件為主的測量系統(tǒng)，充分 利用了常用臺式計(jì)算機(jī)及工作平臺的計(jì)算、顯示和互聯(lián)網(wǎng)等 的強(qiáng)大功能。由于傳送的信號大多是數(shù)字信號，數(shù)據(jù)的處理 幾乎是軟件實(shí)現(xiàn)的，從而大大降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的 影響。 (b) 擴(kuò)展性強(qiáng)：虛擬儀器的硬、軟件具有開放性、模 塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。 為提高測試系統(tǒng)的性能， 可以方便地加入一個通用儀器模塊或更換一個儀器模塊，而 不必購買一個全新的系統(tǒng)，大

14、大有利于測試系統(tǒng)的功能擴(kuò) 展。(b)開發(fā)時間短：在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，優(yōu)秀虛擬 儀器開發(fā)平臺已經(jīng)將其高效的軟件構(gòu)架與計(jì)算機(jī)、儀器儀表 和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起，給用戶提供最方便的、 最靈活的操作以及強(qiáng)大的功能，讓用戶輕松地配置、創(chuàng)建、 部署和維護(hù)高性能、低成本的測量和控制解決方案。 (d) 出 色的集成：隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，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，虛擬儀器 軟件平臺為大部分 i/o 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕 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。六、虛擬示波器設(shè)計(jì)實(shí)例 虛擬示波器主要是對信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生的測試信號

15、進(jìn)行分析與處理。它可以完成以下功能：測試信號經(jīng)濾波、 加窗處理后，進(jìn)行時域分析、頻域分析以及諧波分析。可以 進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，包括采樣設(shè)置、濾波器類型選擇及其參 數(shù)設(shè)置、 窗函數(shù)類型選擇等。 該程序可對輸入信號進(jìn)行 fft 自相關(guān)譜、功率譜、相位譜、互相關(guān)譜等的分析 6 。通過這些頻譜的分析 , 我們可以非常詳細(xì)的了解所分析 信號的多方面的詳細(xì)的信息。虛擬示波器界面如圖1。labview 提供了豐富的函數(shù)及子程序庫 , 從基本的數(shù)學(xué)函數(shù) 到高級分析庫 （ 包括信號處理、函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、線性代 數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、曲線擬合、傅立葉變換、小波分析 等）, 通過這些函數(shù)及子程序庫 , 可以實(shí)現(xiàn)各

16、種仿真波形的處 理。其主要處理方法包括時域分析、頻域分析。七、結(jié)論 儀器技術(shù)發(fā)展至今，經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器、智 能儀器以及單臺儀器、層疊式儀器系統(tǒng)階段，從20 世紀(jì) 80年代進(jìn)入虛擬儀器系統(tǒng)時代。虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，可以應(yīng)用 于實(shí)驗(yàn)室的輔助教學(xué)，具有開放、安全、經(jīng)濟(jì)、更新快等優(yōu) 點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段得到突破與創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)了資源共 享，避免了儀器重復(fù)添置和資源浪費(fèi)，滿足了學(xué)生不再受時 間、地點(diǎn)限制進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時合作， 提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果 .參考文獻(xiàn)：1 劉君華 . 虛擬儀器圖形化編程語言 labview 教程 m, 西安:西安電子科技大學(xué) ,2002,74 80.2 劉君華 , 郭會軍 . 基于 labview 的虛擬儀器設(shè)計(jì) m