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(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410000）摘要：本文介紹了虛擬儀器的概念、組成和虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW， 以及基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對(duì)虛擬儀器的前景進(jìn)行了展望。關(guān)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(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的突出優(yōu)點(diǎn)在于能夠與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，將計(jì)算機(jī)資源與儀器硬件，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與不同功能的軟件模塊結(jié)合，組成不同的儀器功能。用戶可根據(jù)測(cè)試的需要，自己設(shè)計(jì)所需要的儀器系統(tǒng)，即利用數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)外圍硬件進(jìn)行信號(hào)的采集與檢測(cè)，然后用計(jì)算機(jī)所編的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理、計(jì)算和分析以及對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示。虛擬儀器的出現(xiàn)改變了原有儀器的整體設(shè)計(jì)思路，用軟件代替了硬件。將傳統(tǒng)儀器由硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析與顯示功能，改由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)及其顯示器來(lái)完成，使工程技術(shù)人員可以用一部筆記本電腦到現(xiàn)場(chǎng)就可輕松完成信號(hào)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(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，使用者操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像是在使用一臺(tái)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電子儀器7。它突破了傳統(tǒng)儀器的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)儀器由硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析功能與顯示功能，改由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)及其顯示器來(lái)完成，并配置以相應(yīng)的I/O 接口設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再編制不同測(cè)試功能的軟件對(duì)獲得的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及顯示，就可以構(gòu)成一套完整的測(cè)試系統(tǒng)，并具備數(shù)據(jù)處理的功能和友好的人機(jī)界面。同時(shí)，儀器的功能和面板可以由用戶根據(jù)需要自行定義或擴(kuò)展，而不是由廠家事先定義且固定不變4。這樣，用戶不必購(gòu)買(mǎi)多臺(tái)不同功能的儀器，不必購(gòu)買(mǎi)昂貴的集多功能于一身的傳統(tǒng)儀

5、器，也不必不斷的購(gòu)買(mǎi)新的儀器。而且因?yàn)橛芯W(wǎng)絡(luò)的存在，可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)儀器共享或遠(yuǎn)程控制。1.2虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的。硬件是指獲得測(cè)試數(shù)據(jù)的各種硬件I/O 接口設(shè)備，大致可分為4 類(lèi)：DAQ、GPIB、VXI、PXI，因此組成了4 種虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)，都是將硬件儀器嵌入到筆記本電腦、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的3。因而，虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展步伐完全同步。由于虛擬儀器更注重軟件的應(yīng)用和開(kāi)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(qiáng)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(jìn)步，會(huì)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(jì)算機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專(zhuān)用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的高檔、低價(jià)的新型儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步產(chǎn)生了不可估量的影響。虛擬儀器廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、化學(xué)工業(yè)、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域9。目前，虛擬儀器在那些發(fā)達(dá)國(guó)家中設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用已經(jīng)十分普及。在美國(guó)，虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語(yǔ)言，已成為各大

7、學(xué)理工科學(xué)生的一門(mén)必修課程，而在我國(guó)虛擬儀器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用正在起步10。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，未來(lái)的幾年內(nèi)，我國(guó)將有50的儀器為虛擬儀器。屆時(shí)，國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，各種有關(guān)軟件不斷誕生，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)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(tái)式儀器是由儀器廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)一類(lèi)特定的測(cè)量功能，并以確定的方式提供給用戶。從一般的儀器設(shè)計(jì)模型看，一種儀器無(wú)非是由數(shù)據(jù)采集、分析處理、人機(jī)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(shè)想在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計(jì)算機(jī)支持下，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)儀器的全部功能，這就是虛擬儀器設(shè)計(jì)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(chǔ)上添加少量的硬件設(shè)備或者直接在原有數(shù)據(jù)采集卡的基礎(chǔ)上開(kāi)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(diǎn)外，在工程應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面也具有突出優(yōu)勢(shì)。一方面，目前我國(guó)高檔臺(tái)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(lài)進(jìn)口，這些儀器加工工藝復(fù)雜、對(duì)制造水平要求高，另外，在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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(jì)算

9、機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)用于虛擬儀器中，則可以實(shí)現(xiàn)一卡多用，甚至用戶可以根據(jù)自身的特殊需要構(gòu)建特定的虛擬儀器，且無(wú)需增加任何硬件設(shè)備，傳統(tǒng)儀器就無(wú)法做到這一點(diǎn)。1.5 LabVIEW 簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW 是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的縮寫(xiě)。它是一個(gè)工程軟件包。LabVIEW采用圖形化語(yǔ)言編程，以方框圖的形式編制程序，運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過(guò)程和思維過(guò)程非常相似8。LabVIEW從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算函數(shù)、文件IO函數(shù)到高級(jí)分析庫(kù)，包括了信號(hào)處理、窗函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、

10、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、曲線擬合等，涵蓋了儀器設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。2虛擬數(shù)字示波器構(gòu)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(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見(jiàn)的電信號(hào)變換成看得見(jiàn)的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)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(xì)小的光點(diǎn)。在被測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)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(chǔ)、顯示、測(cè)量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，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(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，從而影響測(cè)試任務(wù)。手工檢定效率低，容易出錯(cuò)，對(duì)每一種示波器的檢定需要測(cè)試工程師翻閱大量的資料；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有準(zhǔn)確快速地測(cè)量參數(shù)、直觀地顯示測(cè)試結(jié)果、自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)等特性，是傳統(tǒng)的手工測(cè)試無(wú)法達(dá)到的。用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器的程控檢定將會(huì)是儀器檢定的趨勢(shì)。2.2示波器與虛擬儀器結(jié)合的趨勢(shì)數(shù)字示波器是科研和實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用的一種通用臺(tái)式儀器，目前這類(lèi)儀器加工復(fù)雜、價(jià)格昂貴。用虛擬

12、儀器技術(shù)只需配置必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件，應(yīng)用美國(guó)NI 公司提供的基于圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW 的虛擬儀器編程環(huán)境，結(jié)合計(jì)算機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)虛擬示波器，并對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)臺(tái)式儀器所沒(méi)有的頻譜分析和功率譜分析功能。目前可以利用LabVIEW設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中增加其他普通示波器沒(méi)有的功能。通過(guò)豐富的LabVIEW編程模塊，不但可以增加示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析的能力，還可以利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量和分析，大大增強(qiáng)了示波器的使用價(jià)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(shí)際

13、情況進(jìn)行修改和完善，這樣不但可以按需設(shè)計(jì)，還可以適應(yīng)不同場(chǎng)所和環(huán)境，大大提高了工作效率。2.3利用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字示波器構(gòu)想LabVIEW是用來(lái)設(shè)計(jì)虛擬儀器的常用軟件，所以可以利用LabVIEW來(lái)設(shè)計(jì)示波器。這種利用軟件設(shè)計(jì)的示波器可以稱(chēng)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(hào)的采集、處理和顯示，最終可以實(shí)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(yǔ)言的編程工具LabVIEW。LabVIEW這種G語(yǔ)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(kù)功能強(qiáng)大，支持網(wǎng)絡(luò)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(hào)輸入功能、觸發(fā)控制功能、通道控制功能、時(shí)基調(diào)整控制功能、幅度調(diào)整控制功能、參數(shù)自動(dòng)測(cè)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(shè)備號(hào)、通道選擇控制、緩沖區(qū)大小、采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)等的控制。波形顯示可以完成觸發(fā)控制、時(shí)基控制、幅度控制、波形的清除等功能。參數(shù)測(cè)量模塊完成包括電壓參數(shù)、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量功能，具體為：上升時(shí)間、下降時(shí)間、頻率（Frequency）、周期、正脈寬、負(fù)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(shè)計(jì)為由一塊基

15、于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件組成的虛擬儀器，將這些硬件模塊安裝在一臺(tái)PC機(jī)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(xiě)，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)由一個(gè)模塊完成，然后由主控模塊調(diào)用各個(gè)子模塊，即可構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的虛擬數(shù)字示波器。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想編寫(xiě)，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)由一個(gè)模塊完成，軟件總體上應(yīng)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(shí)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(shè)計(jì)虛擬數(shù)字示波器，該示波器不僅會(huì)具有一般臺(tái)式數(shù)字示波器的功能，而且還能充分發(fā)揮微機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性

16、，主要技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)在：（1）采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，軟件開(kāi)發(fā)效率高，可操作性和可維護(hù)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(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)與外設(shè)連接的能力，測(cè)量結(jié)果和波形可直接打印輸出或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享；（4）硬件具有開(kāi)放性，允許通過(guò)升級(jí)硬件來(lái)提高其性能；（5）在相同硬件條件下，可以通過(guò)修改或增加軟件模塊，形成新的儀器功能。目前利用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器越來(lái)越受關(guān)注，在各行各業(yè)的使用也越來(lái)越頻繁。很多儀器公司開(kāi)始投入虛擬儀器的開(kāi)發(fā)，這也提高了該行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)性，有利于虛擬儀器的發(fā)展和壯大。對(duì)于示波器而言，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)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(dāng)增強(qiáng)示波器的功能，如果能利用先進(jìn)的管理方法，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)編程技術(shù)，加強(qiáng)技術(shù)人才的鍛煉培養(yǎng)，相信虛擬數(shù)字示波器會(huì)越來(lái)越受歡迎和關(guān)注。國(guó)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(jié)合了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程測(cè)量，利用虛擬儀器來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量研究。相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及虛擬儀器的不斷研究開(kāi)發(fā)，今后的示波器將更加完善，其功能將更加強(qiáng)大，生產(chǎn)規(guī)模也更加龐大。對(duì)于虛擬數(shù)字示波器而言，也會(huì)具有無(wú)限生機(jī)和市場(chǎng)需求。小結(jié)虛擬儀器設(shè)計(jì)已經(jīng)成為測(cè)試與儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著高速AD芯片和電路的進(jìn)一步集成化，可以設(shè)想在不

18、遠(yuǎn)的將來(lái)，一臺(tái)安裝有虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)成為一個(gè)多功能的測(cè)量?jī)x器站，從根本上改變目前專(zhuān)用儀器的研制和生產(chǎn)方式，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)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(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能和LabVIEW 在儀器開(kāi)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(shè)計(jì)示波器界面，同時(shí)可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量，做到硬件資源和測(cè)試數(shù)據(jù)的共享。該系統(tǒng)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，開(kāi)放化，虛擬儀器技術(shù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)以軟件設(shè)計(jì)為核心的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，使現(xiàn)代化測(cè)試向智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。參考文獻(xiàn)：1Lisa Wells,Jeffrey Travis. LabVIEW for Everyone - Graphic