谈虚拟仪器在测控系统中的发展

张习晖

摘 要：本文简要介绍了虚拟仪器的概念及其软件开发平台Labview的程序组成与特点，并在计算机控制领域上的发展前景。

关键词：虚拟仪器；LABVIEW；计算机控制

1.虚拟仪器简介

虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，簡称前面板）来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）的测试能力和控制能力结合起来。LABVIEW是（实验室虚拟仪器工作平台）是一个程序开发环境，于1986年由美国国家仪器公司创建。它类似于Visual Basic，Visual C++。但是LABVIEW的特点在于：它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而没有使用基于的文本语言来产生源程序代码，这就给即使没有编程经验的仪器测试人员或其他领域的工程师带来极大的便利。

2.虚拟仪器的组成与特点

虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机。为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数字/转换器（ADC）、数字/模拟转换器（DAC）、数据采集器（DAQ）等。电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等。

测试软件LABVIEW是虚拟仪器的核心，它使用了可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的使用对象，并且提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库，支持多种操作系统 平台，在任何一个平台上开发的LABVIEW应用程序可直接移植到其它平台上。 LABVIEW环境包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标/连接端口。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（Controls），为虚拟仪器的框图程序提供数据；输出量被称为显示（Indicators），显示虚拟仪器流程图中产生或获得的数据。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。

一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LABVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由节点（Node）、数据连线（Wire）构成。节点是VI程序中的执行元素，类似于文本编程语言程序中的语句、函数或子程序。节点之间数据连线按照一定的逻辑关系相互连接，可定义框图程序内的数据流动方向。节点之间、节点与前面板对象之间是同数据端口和数据连线来传递数据的。数据端口是数据在前面板对象和框图程序之间传输的通道，是数据在框图程序内节点之间传输的接口。

LABVIEW中有三种类型的数据端口：控制端口和指示端口以及节点端口。控制端口和指示端口用于前面板对象，当VI程序运行时，从控制输入的数据通过控制端传递到框图程序，供其中的程序使用，产生的输出数据再通过指示端口传输到前面板对应的指示中显示。每个节点端口都有一个或数个数据端口用于输入或输出。总之，无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，LABVIEW高性能的硬件平台，您都能应付自如。

3.虚拟仪器的组成形式及其发展前景

现今虚拟仪器随着计算机总线形式的不同而发展出五种类型，1）PC-DAQ插卡式的VI，这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。2）并行口式的VI，最新发展的可连接到计算 机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI功能。3）GPIB总线方式的VI，典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便的把多台机器组合起来，形成大的自动测试系统。4）VXI总线方式的VI，VXI总线是VMEbus eXtension for Instrumentation的缩写，是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。5）PXI总线

形式的VI，PXI总线是PCI eXtension for Instrumentation 的缩写，是PCI在VI领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。

随着各种新技术的发展，测控仪器将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展，并且越来越大众化和小型化。虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、、电力、生化制药、和工业生产等各种领域。开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。虚拟仪器技术已成为测试、工业I/O和控制和产品设计的主流技术，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性。随着现代软件和硬件技术的飞速发展，虚拟仪器必将成为未来各级实验室、研究机构以及工业应用发展的方向。

参考文献

[1]《LabVIEW大学实用教程（第三版）》，乔瑞萍等译，电子工业出版社 2008-06

[2]《LabVIEW高级程序设计》，杨乐平等编著，清华大学出版社 2003-4-1

[3]《LabVIEW 8.2.1与DAQ数据采集》，龙华伟，顾永刚编著，清华大学出版社

[4]《虚拟仪器技术分析与设计》，张重雄编著，电子工业出版社2007-8-1

[5]虚拟仪器技术分析与设计（电子信息与电气学科规划教材）

（作者单位：天津市自行车研究院）