基于NI 虛擬儀器技術的產(chǎn)品開發(fā)平臺特點

張鏡照 胡義軍

（中國船舶重工集團公司的第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

虛擬儀器技術已在測試和測量領域廣為應用。隨著工程人員對虛擬儀器要求的不斷提高，NI虛擬儀器技術利用不斷革新的LabVIEW軟件以及數(shù)以百計的測量硬件設備，逐漸擴大了它所觸及的應用范圍。目前，NI虛擬儀器技術將應用擴展到了控制和設計領域，加速促進了控制和設計技術水平的發(fā)展。

1 虛擬儀器中的軟件及功能

NI為虛擬儀器技術提供多種軟件平臺，可以利用這些軟件定制和開發(fā)相關的應用，從而最大程度上發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)勢。在這其中LabVIEW是一個最為主要的開發(fā)工具。

NI LabVIEW是一種圖形化的編程語言，用于快速創(chuàng)建靈活的、可升級的測試、測量和控制應用程序。使用LabVIEW，工程技術人員可以采集到實際信號，并對其進行分析得出有用信息，然后將測量結果和應用程序進行分享。

LabVIEW 是一個面向測試測量與自動化的高級編程軟件，他除了具備其他高級編程軟件的特性和功能以外，還專門為測試、測量、與控制開發(fā)了相應的功能，具體如下：

1.1 數(shù)據(jù)采集

NI LabVIEW可以提供與多種數(shù)據(jù)采集與控制設備的無縫連接。可以通過基于配置的交互式界面完成測試測量任務，而無需了解硬件底層繁瑣的驅動程序。與此同時還提供了針對硬件操作的從最底層到高層的編程接口，可以在最大程度上獲得對硬件的操控性。LabVIEW可以實現(xiàn)基于PC，PXI，SCXI，PAC等不同平臺的數(shù)據(jù)采集任務。除了與硬件的高度集成以外，LabVIEW同時可以方便迅速的完成數(shù)據(jù)的存貯、報警、分析、發(fā)布任務。同時 LabVIEW還融合了通過 ODBC與第三方數(shù)據(jù)庫連接，以及通過ActiveX和動態(tài)鏈接技術與第三方軟件交互的功能。

1.2 儀器控制

NI LabVIEW具有許多種不同的方式控制儀器——可以使用儀器驅動程序，或者通過直接的I/O命令來控制儀器（見圖1）。

圖1 用于儀器控制儀器驅動和交互式、直接I/O工具

LabVIEW將傳統(tǒng)儀器設備、PLC、以態(tài)網(wǎng)設備、PXI、VXI、或者是 USB設備看作是儀器的控制對象，不管儀器提供哪種總線的連接方式，都可以進行控制和數(shù)據(jù)采集。同時，LabVIEW為主流儀器提供了“儀器驅動”這一工具，從而簡化了儀器編程。

1.3 監(jiān)控與數(shù)據(jù)記錄

LabVIEW 數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊是交互地開發(fā)分布式監(jiān)測和控制系統(tǒng)的最佳途徑，它提供了直觀向導和對話框能快速優(yōu)質地開發(fā)應用程序，例如創(chuàng)建一個完整的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)、多通道數(shù)據(jù)記錄應用程序或檢測并記錄數(shù)十個歷史I/O點等。同時能拓展LabVIEW應用，如：查看實時和歷史數(shù)據(jù)；配置并管理警報和事件；為應用設置安全機制；輕松地將OPC設備與LabVIEW實時終端聯(lián)入同一完整的系統(tǒng)；將數(shù)據(jù)高效地記入分布式歷史數(shù)據(jù)庫中。

1.4 工業(yè)自動化與控制

NI LabVIEW 為工業(yè)自動化與自動化控制應用提供了相關的軟、硬件支持。其中，LabVIEW實時模塊、PID/模糊控制模塊、以及LabVIEW數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控軟件可以用于完成從下位機控制到上位組態(tài)等一系列任務，從而避免了從過去的梯形圖編程到上位人機界面的一系列不同軟件功能的集成工作，也進一步避免了軟件的兼容性和硬件的兼容性問題。

1.5 分析與顯示

NI LabVIEW提供了集成的分析函數(shù)，構成了一個功能強大的圖形化應用程序開發(fā)環(huán)境。此外，LabVIEW還提供了對插入式DAQ設備和獨立儀器的連接性以用于采集數(shù)據(jù)；強大的分析庫、程序和算法，從基本的數(shù)學到高級的信號處理，能夠滿足通用的應用程序和更深層次的需要，這些都可以在 LabVIEW 中與所有其他的函數(shù)無縫地集成。下圖為使用 LabVIEW 創(chuàng)建的應用程序被稱為VI(虛擬儀器)。

圖2 LabVIEW VI程序框圖

一個虛擬儀器系統(tǒng)包含了一臺已配備強大應用軟件的工業(yè)標準計算機或工作站，成本低廉的硬件(例如插入式板卡)，以及驅動軟件，通過使用 PC的強大功能，將所有的需求與強大的圖形化編程和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集硬件結合起來，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結果顯示結合起來，同時還提供了數(shù)以百計的分析函數(shù)，可以將這些函數(shù)集成至應用程序中，做到智能測量并更為快速地獲取結果。因而最大化了虛擬儀器系統(tǒng)的功能。

1.6 控制設計與仿真

LabVIEW具有系統(tǒng)控制設計與仿真工具，包括系統(tǒng)辨識、控制設計、系統(tǒng)仿真工、仿真接口、執(zhí)行跟蹤等工具包，提供了一種從模型、算法、到硬件連接的完整解決方案。與 Matlab不同的是，NI控制與仿真解決方案提供從模型到實時硬件的無縫連接，可以很方便將控制系統(tǒng)模型應用到控制器設計、半實物仿真等應用中去。而且，在系統(tǒng)控制設計與仿真的整個過程中，可以只使用一個平臺，充分實現(xiàn)了一個“可復用的平臺”這一虛擬儀器中最重要的理念。

圖3 控制設計與仿真

1.7 圖像處理

NI LabVIEW視覺開發(fā)模塊用于機器視覺和科學圖像應用，包括NI Vision Assistant——供需要不通過編程就實現(xiàn)將 LabVIEW 應用快速成型的直觀環(huán)境以及IMAQ視覺——擁有強大視覺處理函數(shù)的庫。與其它視覺產(chǎn)品不同，NI Vision Assistant和IMAQ視覺的緊密協(xié)同工作簡化了視覺軟件的開發(fā)。NI Vision Assistant可自動生成LabVIEW程序，可以將程序框圖集成到自動化或生產(chǎn)測試應用中，用于運動控制、儀器控制和數(shù)據(jù)采集等。

1.8 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

NI LabVIEW可在圖形化開發(fā)環(huán)境中將嵌入式對象，如32位微處理器、FPGA和DSP作為開發(fā)對象。通過NI LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊為任何32位微處理器進行圖形化編程。 LabVIEW FPGA模塊為NI可重配置的I/O(RIO)硬件上的現(xiàn)場編程門陣列(FPGA)提供了圖形化開發(fā)環(huán)境。通過上述模塊，可直接訪問I/O同時具有自定義LabVIEW邏輯，從而定制硬件。

1.9 機械監(jiān)控與故障診斷

LabVIEW 提供時頻域分析、聲音與振動工具包，以及階次分析工具包?？梢苑奖愕膶C械系統(tǒng)監(jiān)控與故障診斷功能集成到系統(tǒng)中來，而不必像以往一樣購買專用儀器，不但節(jié)約了軟、硬件投資，而且提高了系統(tǒng)的集成性。LabVIEW機械監(jiān)控與故障診斷為提供對機械系統(tǒng)，尤其是旋轉機械系統(tǒng)的共振(固有頻率測試)、不平衡、偏心、齒輪磨損、軸系磨損、部件松動等測試。

可以說 LabVIEW 為工業(yè)控制與監(jiān)控、系統(tǒng)仿真、測試測量和產(chǎn)品設計提供了一個統(tǒng)一的開發(fā)平臺，它提供的是一個靈活、可以自定義的平臺，可以加入設計者的算法或者知識庫來擴充系統(tǒng)功能，同時可以用LabVIEW現(xiàn)有的底層函數(shù)，而不必局限于過于底層的數(shù)字信號處理細節(jié)。

2 平臺優(yōu)越的開放性

2.1 軟件開放性

作為產(chǎn)品的開發(fā)平臺，對平臺的軟件與硬件的開放性是一個很重要的考慮因素。與眾多產(chǎn)品不同的是，NI虛擬儀器技術的軟硬件平臺提供優(yōu)越的開放性和自定義性?？梢院芊奖愕膶⒃O計者的產(chǎn)品設計和其他第三方設計軟件結合起來，從而提供了產(chǎn)品設計的便利，并方便對設計數(shù)據(jù)與設計算法的導入或導出。方便和NI LabVIEW軟件進行接口的專業(yè)設計軟件包括了計算工具、電路輔助設計、控制仿真工具、機械設計、以及嵌入式開發(fā)工具等。

該平臺的開放性還體現(xiàn)在，他是一個跨平臺的開放工具，除了可以在windows系統(tǒng)上使用之外，LabVIEW 還支持 Windows、Unix、Linux、Mac OS、WinCE等操作系統(tǒng)。

2.2 硬件開放性

硬件開放性分三個層次說明。

（1）高層設備的開放性：

? PXI系統(tǒng)：所有符合PXISA組織規(guī)范的PXI產(chǎn)品均可以使用。

? PAC系統(tǒng)：支持NI公司的cRIO，cFP，CVS等PAC產(chǎn)品。

? PLC系統(tǒng)：可以將多家PLC廠商的硬件集成到系統(tǒng)中，NI為這些設備提供了編程與通訊接口，廠家包括 Siemens，AB，Mitsubishi，Omron，Hitachi，施奈德等眾多廠商，從而解決了PLC系統(tǒng)在硬件層和軟件層上的兼容性問題。

? 其他輔助設備：包括眾多儀器類的設備支持，可以讓將聲音振動分析、電網(wǎng)監(jiān)測、圖象信號、瞬態(tài)高速信號捕捉等功能充實的系統(tǒng)中，這些功能都是單一的PLC系統(tǒng)所無法提供的。

（2）總線設備的開放性：該系統(tǒng)可以實現(xiàn)復雜總線的兼容，包括：CAN，Profibus，DeviceNet，F(xiàn)FBus，ControlNet，Modbus，工業(yè)以太網(wǎng)，實時以太網(wǎng)等混合總線。突破了傳統(tǒng)PLC構架的單一總線和單供應商局限性。

（3）底層設備的開放性：

? 32位處理器：任意32位處理器；

? DSP：ADI Blackfin 系列，TI 6xxx系列，以及NI Speedy33系列。

3 NI虛擬儀器技術在產(chǎn)品測試、控制和設計中的應用

NI虛擬儀器技術作為工業(yè)控制與監(jiān)控、系統(tǒng)仿真、測試測量和產(chǎn)品設計領域的統(tǒng)一的開發(fā)平臺，同時具備了軟硬件方面強大的開放性，在產(chǎn)品測試、控制和設計中得到廣泛應用。

測試一直是虛擬儀器技術成熟應用的領域。為使得產(chǎn)品快速上市和高效生產(chǎn)產(chǎn)品要求有高吞吐量的測試技術，針對復雜多功能產(chǎn)品的精確的同步測量能力，能夠進行快速調整的靈活重構能力。NI虛擬儀器技術應對這些挑戰(zhàn)提供了一種革新性的解決方案，它將快速軟件開發(fā)和模塊化、靈活的硬件結合在一起從而創(chuàng)建靈活定義的測試系統(tǒng)。

在控制和工業(yè)應用中PC和PLC都發(fā)揮著十分重要的作用。PC帶來了更大的軟件靈活性和更多的性能，而PLC則提供了優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性。但是隨著控制需求越來越復雜，提高性能并同時保持穩(wěn)定性和可靠性就成為公認的需要。NI虛擬儀器技術的PAC應用提供了一條解決之道，PAC應用給PC軟件的靈活性增添了PLC的穩(wěn)定性和可靠性。

目前，產(chǎn)品設計或開發(fā)主要有三種方式：使用現(xiàn)成可用的硬件進行系統(tǒng)集成、開發(fā)自定義硬件系統(tǒng)、綜合以上兩種開發(fā)模式，NI虛擬儀器技術對每種方式均有大量的應用，充分體現(xiàn)了其強大的靈活性和開放性。

4 結束語

本文通過對目前應用廣泛的基于NI虛擬儀器技術的產(chǎn)品開發(fā)平臺功能特點進行了簡要的分析和歸納，并分別描述了該平臺產(chǎn)品測試、控制和設計中的應用，為工程技術人員在實際開發(fā)應用中提供一定的參考。

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