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虚拟仪器工程平台LabVIEW介绍

文章发表于：2008-05-19 21:48

虚拟仪器是一种全新的仪器概念，在自动化检测领域的应用正方兴未艾，而NI（National Instruments）公司的实验室虚拟仪器工程工作平台LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是科学家和工程师们进行虚拟仪器应用开发的首选工作平台。为了介绍虚拟仪器和LabVIEW的一些相关背景知识，本文将自己本科毕业设计论文中的一部分作了少许改动呈现于此（呵呵，其实是偷懒），希望能给未接触过虚拟仪器和LabVIEW的人一些感性认识。

一、虚拟仪器

1、传统电子仪器的弱点

传统电子仪器主要由三大模块组成：即对被测信号的采集与控制、分析与处理、测量结果的表达与存储。传统电子仪器的这些功能块都是以硬件或者固化的软件的形式存在的，因此具有以下弱点：（1）灵活性和可扩展性差：传统电子仪器是一套自封闭系统，具有固定的用户界面、组成模块和数据处理功能。例如仪器面板由固定的输入、输出信号接插件、旋钮、按钮、显示仪表、显示面板等组成，仪器内部由传感器、信号处理器、A/D和D/A转换器、微处理器、存储器和内部总线等专门化的电路组成。然而，用户有时只需要用到仪器中的一小部分功能，或者作其他功能使用时却达不到所需指标，而用户无法改动厂家固定好的仪器模块，灵活性和可扩展性差。

（2）成本高，技术更新慢：传统电子仪器价格昂贵，动辄几十万上百万人民币。开发周期长，技术更新慢，而且存在元器件老化等问题，维护费用高，使用寿命短。

（3）数据显示、分析和存储功能不够强大：传统电子仪器的图形显示界面比较小，依靠人工读取数据，从中获得的信息量小。由于硬件设备的限制，往往无法实现更灵活、更特殊的数据分析功能，更难以进行数据编辑、存储、打印等功能。

2、虚拟仪器的概念

如上所述，传统电子仪器存在的诸多弱点使传统仪器已渐渐不能满足工业自动化和测量领域的需要。随着计算机技术日新月异的飞速发展，计算机强大的数据处理能力使得它的应用范围越来越广。1986年，美国NI公司（National Instruments）提出虚拟仪器的概念，以“软件即仪器”为口号，彻底打破了传统电子仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一场革命。

简单地说，虚拟仪器技术就是利用计算机技术实现的对测控系统的抽象。平常使用的示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪，以及传感器等传统仪器，都可使用通用计算机和专用的控制器和显示器来模拟，实现向虚拟仪器的转变。例如图1就是一个虚拟仪器正在运行时的截图，从外观看与实际仪器无二：

图1 正在运行的虚拟仪器

用户在计算机屏幕上用鼠标和键盘就可设置参数、观察波形，取代以往的在传统仪器面板上调节旋钮、观察曲线等操作，更为快捷方便。可见虚拟仪器反映的是一种“硬件软件化”的思想和趋势。

3、虚拟仪器与传统仪器的对比

虚拟仪器在灵活性、性价比、用户化等方面，有着得天独厚的优势，是传统仪器无法媲美的。下面将虚拟仪器与传统仪器进行一下全面对比：

（1）灵活性：传统仪器系统封闭、功能固定、可扩展性差，功能和模块由生产厂家定义，而虚拟仪器可由用户自行定义功能模块，大大扩展了其灵活性。

（2）费用：虚拟仪器的开发维护费用更低，系统组建时间更短。只需通过增加软件模块或者通用硬件模块来增添新的测量功能，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。另外，由于虚拟仪器的结构基于软件体系，所以应用软件不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，可以大大节省一笔维护费用，从而延长设备的使用寿命。低廉的开发成本使虚拟仪器更有市场竞争力，据估算，虚拟仪器价格仅是传统仪器的五到十分之一。

（3）用户化：传统仪器用户界面小且简单，用户操作起来不够方便，提示信息也较少。而虚拟仪器通过软件技术可实现丰富、快捷、方便的用户界面，通过多种数据显示方式能够提供更为全面丰富的信息，用户使用时一目了然。即便是有特殊要求的复杂界面，也可以借助更深入的编程技术得以实现。

（4）测量误差：传统仪器受系统误差的影响，不同仪器之间个体差异较大，往往会影响测量结果，而虚拟仪器在PC机上运行，不同的PC机上运行具有相同的效果，个体差异很小。

（5）数据处理：计算机运算速度的日益提高，使虚拟仪器处理数据的过程非常快速，而数字信号处理理论的成熟发展使得数据处理过程更为可信、精确。传统仪器无法编辑数据，而虚拟仪器可方便地对数据进行编辑、存储和打印。

（6）软硬件接口：传统仪器与其它仪器设备的连接十分有限，而虚拟仪器在普通PC机上就可实现，可方便的与网络外设及多种仪器连接，现在流行的DAQ(数据采集)卡、GPIB(通用接口总线)卡、VXI(系统控制接口卡)、PLC（可编程逻辑控制器）等都可以插入计算机插槽。软件方面，可以方便地与C、Matlab 等接口式调用，可与数据库连接，以及方便地支持网络传送数据。

4、虚拟仪器在各领域中的应用

由于虚拟仪器技术的强有力支持，科学家和工程师们可以方便地建立适合自己需要的测控系统，再也不必将自己封闭在固定传统仪器的狭窄天地中。在电子测量、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中都有极为广泛的应用。

在电子和通信工程中，虚拟仪器可用于电子测量和信号分析；在自动化检测领域内，虚拟仪器可用于数据采集和控制；在航天航空学科里，虚拟仪器可用于监测和分析火箭或卫星传递来的复杂数据，已被美国航天航空局（NASA）用于火星探险；在基础学科的研究中，虚拟仪器可用于设计实验系统，例如用于生化领域中监测薄膜分子的相互作用，以及医学领域中研究嗅觉和视觉。

虚拟仪器诞生以来的爆炸性发展令人惊叹，许多最新的大规模高精尖工程中都有它的用武之地。太空光谱有限公司（Spectrum Astro, Inc.）的Roger Jellum和Tom Arnold开发的AstroRT，是一种基于LabVI EW的数据采集和控制系统，用于航天器的制造测试和轨道姿态控制，可收集、处理和分配从航天器传来的遥感探测信息。整个软件包包括2000多个VIs，花费7个工作年度开发。再如由Honeywell-Measurex公司开发的Proline, 应用于生产片装产品（例如纸张和薄膜塑料）的过程控制，由5000个以上VIs组成，处理超过10万个变量，是目前为止基于LabVIEW的最大规模的系统。

5、虚拟仪器开发工具

目前广泛应用的虚拟仪器开发工具中按技术类型可分为两类：面向对象的编程技术和图形编程技术。两者在虚拟仪器开发中都有应用，各有所长。

可视化编程语言环境Visual C++、Visual Basic等属于前者，均可以用来开发虚拟仪器的配套软件，但与图形编程语言相比，编程难度较大，开发周期较长且不易进行更改、升级和维护等。

而图形编程语言具有容易入门、编程简单、开发周期短等特点，开发出的应用程序界面美观，功能强大，正日益成为主流。较为流行的有NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等软件，此外还有Lookout、BridgeVIEW和LabWINDOWS/CVI等。其中最为常用的就是LabVIEW，目前其版本已经发展到7.1版。

二、实验室虚拟仪器工程工作平台LabVIEW

1、LabVIEW的发展历史

在80年代初，几乎所有的仪器控制程序都是用BASIC语言开发的，几乎所有使用可编程仪器的实验室在搭建测试系统时，仪器控制器的主导语言都是BASIC。所有使用仪器的工程师和技术人员都得做编程工作，与所有的文本编程语言一样，使用BASIC语言进行仪器编程的过程是单调、繁琐而乏味的。

National Instruments公司的编程团队注意到了这些现象，它们试图开发一种用于开发仪器控制程序的新工具，减轻工程师和科学家们的负担。National Instruments公司的创始人Jim Truchard和Jeff Kodosky 博士，以及Jack MacCrisken顾问便着手开发这种软件工具。