虛擬儀器與LabVIEW

夏璇 陳柏溈

摘要：本文詳細(xì)描述了虛擬儀器的內(nèi)涵以及虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)，又對(duì)虛擬儀器不同的總線結(jié)構(gòu)和虛擬儀器軟件的組成部分進(jìn)行了詳細(xì)描述，最后引出LabVIEW這款高效的虛擬儀器軟件，幫助大家突破在電子儀器測(cè)量方面的限制。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器，LabVIEW

美國國家儀器公司為滿足虛擬儀器的需求，將儀器技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)深度結(jié)合推出了LabVIEW軟件，LabVIEW是溝通二者的橋梁。

虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為核心，根據(jù)用戶對(duì)儀器的設(shè)計(jì)定義，用軟件實(shí)現(xiàn)虛擬控制面板設(shè)計(jì)和測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)[1]。用戶通過操作虛擬面板，等同于使用一臺(tái)專用測(cè)量?jī)x器一樣，達(dá)到測(cè)量、測(cè)試目的。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入、輸出和調(diào)理，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，使用者可以通過修改軟件，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以說“軟件就是儀器”。從實(shí)質(zhì)上講，虛擬儀器利用硬件系統(tǒng)（特別是I/O接口設(shè)備）完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，利用計(jì)算機(jī)的顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測(cè)結(jié)果，從而完成所需的各種測(cè)試功能。

虛擬儀器中的“虛擬”主要指的是在外觀上控制面板各控件如各種開關(guān)、按鍵、輸入通道、放大倍數(shù)、濾波特性等參數(shù)設(shè)置采用與實(shí)物相近的圖標(biāo)，在內(nèi)在上虛擬儀器是利用軟件程序?qū)崿F(xiàn)儀器的測(cè)量、測(cè)試及分析功能。虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)可概括為以下4點(diǎn)。

（1）性能高，虛擬儀器技術(shù)繼承了計(jì)算機(jī)功能超卓的處理器和文件輸入輸出能力，使數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。

（2）擴(kuò)展性強(qiáng)，得益于虛擬儀器應(yīng)用軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的甚至無須軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。

（3）開發(fā)時(shí)間少，在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，目前高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通信方面的最新技術(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(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使得能輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。

（4）無縫集成，實(shí)際過程中工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。

虛擬儀器可分為基于PC總線、GPIB總線、VXI總線、PXI總線等標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)[2]。

由于個(gè)人計(jì)算機(jī)的用戶量及其通用型，基于PC總線的虛擬儀器成為人們的首選。這種硬件一般采用基于PC總線的通用DAQ（ Data AcQuisition）數(shù)據(jù)采集卡，這類虛擬儀器充分地利用了計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性利用通用型DAQ可方便快捷地組建基于計(jì)算機(jī)的儀器，易于實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用。

對(duì)已有的專業(yè)儀器，尤其是專業(yè)數(shù)字式儀器，為了擴(kuò)展其功能或提高性能，往往采用“專用”總線實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的連接。多數(shù)這類儀器配有GPIB（ General Purpose Interface Bus，通用接口總線）所以利用此類儀器構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器一般利用GPIB實(shí)現(xiàn)。

VXI系統(tǒng)最多可包含256個(gè)裝置，主要由主機(jī)箱、控制器、具有多種功能的模塊儀和驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成，具有即插即用的特性，但VXI價(jià)格較高多用于尖端測(cè)試。

虛擬儀器軟件由VISA庫、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件三部分組成[3]。

（1）VISA庫是標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫和相關(guān)規(guī)范的總稱，起著連接計(jì)算機(jī)與儀器的作用。VISA只解決了儀器接口的可互換（即改變接口或總線方式不必修改測(cè)試程序），但沒有解決更高層次的針對(duì)不同儀器的可互換性。

（2）儀器驅(qū)動(dòng)程序是指能實(shí)現(xiàn)某一儀器系統(tǒng)控制與通信的軟件程序集，是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。儀器的驅(qū)動(dòng)程序由儀器生產(chǎn)商以源碼形式提供給用戶使用，每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)，常用的虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件（如 LabVIEW等）集成了大量常用儀器的驅(qū)動(dòng)程序。

（3）應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是直接面向操作用戶的程序，該軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)之上。通過的測(cè)控操作界面（或稱為儀器面板）豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能等完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。虛擬儀器應(yīng)用軟件的開發(fā)工具有通用編程軟件和專業(yè)圖形化編程軟件兩類。通用編程軟件主要有Visual Basic與Visual C++，對(duì)開發(fā)者編程技術(shù)要求較高，同時(shí)對(duì)虛擬儀器也要了解。專業(yè)圖形化編程軟件LabVIEW是NI公司軟件專門為虛擬儀器的開發(fā)而計(jì)，對(duì)開發(fā)者的要求較低，只要了解軟件總體功能及要實(shí)現(xiàn)的虛擬儀器功能就可快捷方便進(jìn)行開發(fā)。

LabVIEW自1983年推出以來經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)成為最受歡迎的虛擬儀器應(yīng)用軟件。由LabVIEW開發(fā)的程序由VI文件組成，Vi文件主要包括前面板、程序框圖以及圖標(biāo)和連線板五部分。

前板采用圖形化界面用來模擬傳統(tǒng)儀器的操作面板，可以用作數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置的界面。前面板創(chuàng)建完畢以后，可使用程序框圖來添加源代碼。程序框圖是圖形化源代碼的集合，圖形化源代碼又稱G代碼或程序框圖代碼，它決定VI的運(yùn)行方式。程序框圖代碼使用圖形化代碼來控制程序框圖對(duì)象。圖標(biāo)主要用來表示VI，圖標(biāo)上留有VI的輸入輸出連接口，不僅簡(jiǎn)潔地表示了VI還利于后續(xù)的連線操作。連線板用來連接不同模塊，使模塊之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且軟件對(duì)于不同的數(shù)據(jù)類型會(huì)使用不同外觀的連接線以便于區(qū)分。

參考文獻(xiàn)

[1]龍華偉. LabVIEW數(shù)據(jù)采集與儀器控制[M].清華大學(xué)出版社，2016：P9

[2] Jeffrey Travis. LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程[M].電子工業(yè)出版社，2016：P32

[3]阮奇楨. 我和LabVIEW[M].北京航空航天出版社，2010：28