基于LabVIEW的虚拟仪器技术研究与应用

基于LabVIEW的虚拟仪器技术研究与应用

李绍稳1袁媛2汪伟伟2房文娟2

（1安徽农业大学信息学院 2安徽农业大学园艺学院，安徽合肥 230036）

摘要：LabVIEW被认为是虚拟仪器技术最有影响力和发展前景的软件平台。本文阐述了LabVIEW 虚拟仪器的设计原理，详细介绍了LabVIEW的发展历程和研究进展，并举例介绍其应用现状。最后对基于LabVIEW虚拟仪器技术的前景做出展望。

关键词：LabVIEW 虚拟仪器发展历程研究进展应用现状

1引言

在这个信息技术日新月异的时代，利用计算机和网络等技术对传统产业进行改造已是大势所趋。虚拟仪器技术正是计算机技术及网络通信技术与传统仪器技术融合的产物。美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI）于20世纪80年代中期，首先提出了“软件就是仪器（The Software is the Instrument）”这一虚拟仪器新概念。所谓的虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI），就是在以计算机为核心所组成的硬件平台上，利用其显示功能虚拟仪器控制面板，测试分析功能由软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器技术充分利用了最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点。虚拟仪器的核心是仪器软件化设计理念。近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发软件平台，如美国HP 公司的HP－VEE与HP－TIG，Tektronix公司的Ez－Test和Tek－TNS，以及HEM Data公司的Snap －Master平台等，但最早和最具影响力的要数NI公司的LabVIEW开发环境。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器集成环境）是NI公司推出的具有革命性的图形化虚拟仪器设计平台，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，在提供强大测控功能的同时，还保持系统的灵活性，让您可以无缝地集成一套完整的应用方案[1]。虽然只有近二十年的发展史，可它已经渗透到各行各业，成为科学家和工程师们进行自动测控与仪器应用开发的首选工具。本文就LabVIEW虚拟仪器技术的研究、现状及发展前景作一个概述。

2LabVIEW虚拟仪器设计原理

虚拟仪器系统一般由硬件和软件组成，硬件是虚拟仪器的基础，而软件是实现虚拟仪器的关键，任何用户都可以通过修改软件的方法很方便地改变、增减仪器系统的功能和规模。虚拟仪器技术的出现，开辟了用户自主设计仪器的新时代，为各层次设计者提供了广阔的思维空间。可以说，计算机是虚拟仪器的心脏，软件是虚拟仪器的灵魂。所以，计算机硬件技术和软件技术的发展都是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素。构造一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能。所以，提高计算机软件编程效率就成了一个非常现实的问题。

2.1虚拟仪器系统的硬件构成

虚拟仪器系统的硬件主要是由个人计算机或者工作站和硬件接口模块组成。其中计算机是主体，主要用来提供实时高效的数据处理性能。硬件接口模块包括仪器硬件和各种通用接口总线，主要用来采集、传输信号。仪器硬件如各种传感器、插入式数据采集卡（DAQ）、信号调理器等。通用接口总线用来把独立的仪器连接到计算机上，如RS232串行总线、GPIB通用接口总线、USB通用串行总线、VXI总线和PXI总线等，可以借不同接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元调配并组建成为中小型甚至大型的虚拟仪器自动测试系统。因此计算机和硬件接口模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。

2.2LabVIEW虚拟仪器应用程序的构成

LabVIEW是NI公司推出的一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。它把复杂、烦锁、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能(图形)，再用线条把各种功能(图形)连接起来。LabVIEW中编写的源程序，很接近程序流程图。所以，只要把程序流程框图画好了，程序也就差不多编好了。

LabVIEW图形编程语言中的基本编程单元是VI（Virtual Instrument，虚拟仪器），VI包括三个部分：前面板（Front Panel）、框图程序（Block Diagram）和图标（Icon）／连接器（Connector）。前面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生联系的窗口。这个窗口模拟真实仪表的前面板，用于设置输入和观察输出，输入量称为控件（Controls），输出量称为指示器（Indicators）。当把一个控件或指示器放到前面板上时，框图中相应地放置一个端子（Terminals），这个端子不能随意被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。用户可以使用多种图标，如旋钮、开关、按钮、图表、文本框、图形等，使前面板易看易懂。图1示意了一个利用公式产生波形图的程序（Waveform Generation Using Formula.vi）的前面板。

每一个VI程序的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。所有VI源程序的框图都是由节点（Nodes）、端子、图框和连线（Wires）四种元素构成。其中，端子被用来同程序前面板的控件和指示器传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。编制框图程

图1利用公式产生波形图的程序的前面板

序时，从功能模板中选择需要的节点图标或图框，将之置于窗体面板上适当的位置，然后用连线连接它们及框图中的端子即可。在彩色监视器上，每种数据类型以不同的颜色和线形强调显示。上述利用公式产生波形图的程序的框图程序如图2。

图2利用公式产生波形图的程序的框图程序

图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口。图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式，而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就象函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控件和指示器一一对应。图3是利用公式产生波形图的程序的图标和连接器。连接器一般情况