虚拟仪器概述论文.doc

基于LabVIEW的虚拟仪器概述
刘春亮
（中南林业科技大学 计算机与信息工程学院，长沙410000）
摘要：本文介绍了虚拟仪器的概念、组成和虚拟仪器开发软件LabVIEW， 以及基于LabVIEW的数据采集系统，并对虚拟仪器的前景进行了展望。
关键词：虚拟仪器；LabVIEW；数字示波器；数据采集
Summarize Virtual Instruments based on LabVIEW
Liu chun-liang
(Institute of Electronic Information and Automation,Chongqing University of Technology,Chongqing 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；Oscillograph
前言
虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器的突出优点在于能够与计算机技术结合，将计算机资源与仪器硬件，数字信号处理技术与不同功能的软件模块结合，组成不同的仪器功能。用户可根据测试的需要，自己设计所需要的仪器系统，即利用数据采集卡及计算机外围硬件进行信号的采集与检测，然后用计算机所编的软件来实现对信号的处理、计算和分析以及对测试结果进行显示。虚拟仪器的出现改变了原有仪器的整体设计思路，用软件代替了硬件。将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能，改由功能强大的计算机及其显示器来完成，使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析和波形分析。
1虚拟仪器
1.1虚拟仪器的概念
虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者操作这台计算机，就像是在使用一台专门设计的电子仪器[7]。它突破了传统仪器的特点，将传统仪器由硬件实现的数据分析功能与显示功能，改由功能强大的计算机及其显示器来完成，并配置以相应的I/O 接口设备进行数据采集，再编制不同测试功能的软件对获得的信号数据进行分析处理及显示，就可以构成一套完整的测试系统，并具备数据处理的功能和友好的人机界面。同时，仪器的功能和面板可以由用户根据需要自行定义或扩展，而不是由厂家事先定义且固定不变[4]。这样，用户不必购买多台不同功能的仪器，不必购买昂贵的集多功能于一身的传统仪器，也不必不断的购买新的仪器。而且因为有网络的存在，可以应用网络实现仪器共享或远程控制。
1.2虚拟仪器的构成
虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。硬件是指获得测试数据的各种硬件I/O 接口设备，大致可分为4 类：DAQ、GPIB、VXI、PXI，因此组成了4 种虚拟仪器体系结构。无论哪种结构，都是将硬件仪器嵌入到笔记本电脑、台式计算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的[3]。因而，虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展步伐完全同步。由于虚拟仪器更注重软件的应用和开发，所以虚拟仪器使用更方便，更新更快捷，修改更容易，并且功能比一般仪器系统更强大。只要具备必备的硬件，在加上丰富而且日新月异的软件系统，虚拟仪器将不断完善和进步，会逐渐融入现代生活生产中。
1.3虚拟仪器发展概况及前景
虚拟仪器就是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步产生了不可估量的影响。虚拟仪器广泛应用于电子测量、化学工业、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诸多领域[9]。
目前，虚拟仪器在那些发达国家中设计、生产、使用已经十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，已成为各大学理工科学生的一门必修课程，而在我国虚拟仪器的设计、生产、使用正在起步[10]。国内专家预测，未来的几年内，我国将有50％的仪器为虚拟仪器。届时，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，各种有关软件不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。
1.4虚拟仪器与传统仪器相比所具有的优越性
传统台式仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有固定的输入输出接口和仪器操作面板，每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。从一般的仪器设计模型看，一种仪器无非是由数据采集、分析处理、人机交互和显示等几部分功能模块组成的整体。因此，我们可以设想在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件设计实现仪器的全部功能，这就是虚拟仪器设计的核心—软件就是仪器[12]。这样我们可以在数据采集卡的基础上添加少量的硬件设备或者直接在原有数据采集卡的基础上开发虚拟仪器。
与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。一方面，目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，另外，在传统的计算机控制系统中，一块数据采集卡的作用通常是固定不变的。例如AD转换器、DA转换器和UO连接器等。如果把计算机控制系统运用于虚拟仪器中，则可以实现一卡多用，甚至用户可以根据自身的特殊需要构建特定的虚拟仪器，且无需增加任何硬件设备，传统仪器就无法做到这一点。
1.5 LabVIEW 简介
LabVIEW 是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的缩写。它是一个工程软件包。LabVIEW采用图形化语言编程，以方框图的形式编制程序，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似[8]。LabVIEW从基本的数学函数、字符串处理函数、数据运算函数、文件I／O函数到高级分析库，包括了信号处理、窗函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合等，涵盖了仪器设计中几乎所有需要的函数[5]。LabVIEW的功能模块包括数据采集、通用接口总线和仪表的实时控制、数据分析、数据显示以及数据的存储。
2虚拟数字示波器构想
2.1示波器原理概述
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。
数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。
手工检定效率低，容易出错，对每一种示波器的检定需要测试工程师翻阅大量的资料；自动测试系统具有准确快速地测量参数、直观地显示测试结果、自动存储测试数据等特性，是传统的手工测试无法达到的。用自动测试系统实现对示波器的程控检定将会是仪器检定的趋势。
2.2示波器与虚拟仪器结合的趋势
数字示波器是科研和实验室中经常使用的一种通用台式仪器，目前这类仪器加工复杂、价格昂贵。用虚拟仪器技术只需配置必要的通用数据采集硬件，应用美国NI 公司提供的基于图形化编程语言LabVIEW 的虚拟仪器编程环境，结合计算机的模块化设计方法，可以实现虚拟示波器，并对其功能进行扩展，实现传统台式仪器所没有的频谱分析和功率谱分析功能。
目前可以利用LabVIEW设计具有丰富功能的虚拟数字示波器，它不仅仅可以具备一般示波器的波形显示功能，还能在设计中增加其他普通示波器没有的功能。通过丰富的LabVIEW编程模块，不但可以增加示波器对信号进行处理分析的能力，还可以利用网络系统模块进行远程测量和分析，大大增强了示波器的使用价值。另外，由于利用软件编程的便利性，虚拟数字示波器具有的模块功能可以根据实际情况进行修改和完善，这样不但可以按需设计，还可以适应不同场所和环境，大大提高了工作效率。
2.3利用LabVIEW设计虚拟数字示波器构想
LabVIEW是用来设计虚拟仪器的常用软件，所以可以利用LabVIEW来设计示波器。这种利用软件设计的示波器可以称为虚拟数字示波器。这种虚拟数字示波器基本由软件控制完成信号的采集、处理和显示，最终可以实现数据采集、处理、显示等普通示波器具备的功能。虚拟数字示波器的软件可以采用基于G语言的编程工具LabVIEW。LabVIEW这种G语言编程环境采用图形化的仪器编程环境，具有内置的程序编译器，程序调试手段灵活，函数库功能强大，支持网络功能。
可以利用LabVIEW软件给虚拟示波器增加更多的功能模块，例如多通道信号输入功能、触发控制功能、通道控制功能、时基调整控制功能、幅度调整控制功能、参数自动测量功能，数据分析功能等。虚拟示波器数据的接收包括数据采集和通信部分这两部分。数据采集部分能够完成数据采集卡的配置，包括设备号、通道选择控制、缓冲区大小、采样速率、采样点数等的控制。波形显示可以完成触发控制、时基控制、幅度控制、波形的清除等功能。参数测量模块完成包括电压参数、频率和周期等参数的测量功能，具体为：上升时间、下降时间、频率（Frequency）、周期、正脉宽、负脉宽、占空比、延迟、峰峰值、最小值、最大值、均方值、幅度、平均值。
虚拟数字示波器可设计为由一块基于PCI总线的多功能数据采集卡和相应的软件组成的虚拟仪器，将这些硬件模块安装在一台PC机上，可选用NI公司的采集卡，系统的软件采用模块化的思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，然后由主控模块调用各个子模块，即可构成一个功能强大的虚拟数字示波器。软件采用模块化设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，软件总体上应该包括程序控制、波形显示、通道选择、位置调整、触发控制等模块，最终使虚拟数字示波器能实现数据采集、调节、处理、显示等功能。
2.4虚拟数字示波器前景
如果利用LabVIEW软件设计虚拟数字示波器，该示波器不仅会具有一般台式数字示波器的功能，而且还能充分发挥微机强大的功能和软件设计的灵活性，主要技术特点表现在：
（1）采用图形化编程语言LabVIEW和面向对象编程技术，软件开发效率高，可操作性和可维护性好；
（2）为数字示波器增加了频域分析功能；
（3）充分利用了计算机的存储与外设连接的能力，测量结果和波形可直接打印输出或通过网络共享；
（4）硬件具有开放性，允许通过升级硬件来提高其性能；
（5）在相同硬件条件下，可以通过修改或增加软件模块，形成新的仪器功能。
目前利用LabVIEW设计的虚拟仪器越来越受关注，在各行各业的使用也越来越频繁。很多仪器公司开始投入虚拟仪器的开发，这也提高了该行业的竞争性，有利于虚拟仪器的发展和壮大。对于示波器而言，国内设计的示波器，功能还比较单一，稳定性有待提高，投入使用的成品还比较稀少。适当增强示波器的功能，如果能利用先进的管理方法，学习国外先进编程技术，加强技术人才的锻炼培养，相信虚拟数字示波器会越来越受欢迎和关注。
国外生产的数字示波器，不但功能多种多样，而且在硬件环节上要求也更高，具备很高的稳定性，还结合了先进的网络技术，开发了远程测量，利用虚拟仪器来进行远程测量研究。相信随着计算机技术的不断发展以及虚拟仪器的不断研究开发，今后的示波器将更加完善，其功能将更加强大，生产规模也更加庞大。对于虚拟数字示波器而言，也会具有无限生机和市场需求。
小结
虚拟仪器设计已经成为测试与仪器技术发展的一个重要方向。随着高速AD芯片和电路的进一步集成化，可以设想在不远的将来，一台安装有虚拟仪器软件的标准微机成为一个多功能的测量仪器站，从根本上改变目前专用仪器的研制和生产方式，具有广阔的应用前景和巨大的潜在经济效益。
虚拟数字示波器不仅能够实现一般通用数字示波器的功能，而且充分发挥了计算机的强大功能和LabVIEW 在仪器开发方面的灵活性，用户可根据需要增加仪器的功能，根据自己的喜好设计示波器界面，同时可利用网络进行远程测量，做到硬件资源和测试数据的共享。该系统具有实际的应用价值，开放化，虚拟仪器技术结合网络技术，可实现以软件设计为核心的自动测试系统，使现代化测试向智能化、系统化和网络化发展。
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