基于ＬａｂＶＩＥＷ的虛擬儀器系統

劉國民　王　輝

[摘要]虛擬儀器是在儀器儀表領域中應用計算機技術所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。基于LabVIEW的虛擬儀器系統是一種實用的虛擬儀器系統，由于它的可行性和優越性，因此基于LabVIEW虛擬儀器系統的虛擬實驗室是我國普通高校和遠程教學的實驗教學中可以推廣的模式。

[關鍵詞]虛擬儀器 LabVIEW

中圖分類號：P3 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720015－01

一、虛擬儀器的基本概念、構成及其特點

計算機科學和微電子技術的迅速發展和普及，有力地促進了多年來發展相對緩慢的儀器技術，于是一種新型的儀器——虛擬儀器（VirtualInst

rument，VI）出現了。虛擬儀器是計算機技術介入儀器領域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。從構成上來說，虛擬儀器就是在通用計算機平臺上，配上相應的硬件和專用軟件，定義和設計儀器的測試功能，形成既有普通儀器的基本測試功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新型儀器。虛擬儀器最重要、最核心的技術是虛擬儀器軟件開發環境。虛擬儀器的基本構成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。其中，硬件接口模塊可包括插入式數據采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其它接口卡。目前較為常用的虛擬儀器系統是數據采集卡系統、GPIB儀器控制系統、VXI儀器系統以及這三者之間的任意組合。與傳統儀器相比，虛擬儀器除了在智能化程度、處理能力、易用性等方面有更多優點外，它還具有這樣的特點：

1．打破了傳統儀器的“萬能”功能概念，將信號的分析、顯示、存儲、打印和其它管理集中交由計算機來處理；

2．強調“軟件就是儀器”的新概念，軟件在儀器中充當了以往由硬件甚至整機實現的角色，從而使系統的測量精度、測量速度和可重復性都大大提高；

3．改變了傳統儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，虛擬儀器由用戶自己定義，系統的功能、規模等均可通過軟件修改、增減，可方便地同外設、網絡及其它應用連接，故虛擬儀器可當作許多儀器設備來使用；

4．虛擬儀器的開放性和功能軟件的模塊化，使資源的可重復利用率提高，系統組建時間縮短，功能易于擴展，管理規范，生產、維護和開發的費用降低，在工程應用和社會經濟效益方面具有突出優勢。

二、虛擬儀器開發環境——LabVIEW

LabVIEW程序稱為“虛擬儀器程序”（簡稱VI），包括三個部分：前面板、框圖程序、圖標/接線端口。前面板用于模擬真實儀器的前面板；框圖程序則是利用圖形語言對前面板上的控件對象（分為控制量和指示量兩種）進行控制；圖標/接線端口則用于把LabVIEW程序定義成一個子程序，從而實現模塊化編程。采用LabVIEW編程，其主要特點就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊，模塊的引腳代表輸入/輸出接口。

對于構建虛擬儀器，LabVIEW有許多特點和優勢，諸如：儀器控制與數據采集的圖形化編程；直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風格；內置的編譯器可加快執行速度；數據采集DAQ函數庫可讓用戶采集測量信號或發出控制信號，適合應用于快速且直接的控制；650多種儀器驅動程序，可驅動超過一百多家廠商所制造的儀器；內容豐富的高級分析庫，可進行信號處理、統計、曲線擬合以及復雜的分析工作；利用ActiveX，DDE以及TCP/IP進行網絡連接和進程通信。LabVIEW現成的人機界面工具可幫助用戶很快地構成所需的圖形化人機界面，包括趨勢圖、按鈕、LED指示燈和圖表等，完全無需從頭開始去設計這些元件。并可更進一步以LabVIEW的PC工具箱或其它繪圖軟件來訂制人機界面元件，藉以呈現儀控符號和系統流程圖。LabVIEW的特色還在于擁有功能超強且龐大的分析函數庫，足以與專業數學分析套裝軟件相匹敵。

LabVIEW的最大特點是采用全圖形化編程，在計算機屏幕上利用其內含的功能庫和開發工具庫產生前面板，用來為測試系統提供輸入值并接受其輸出值。LabVIEW內部集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種開關、表頭、刻度桿、指標燈等，包含了組成一個儀器所需的主要部件，而且用戶也可方便地設計庫中沒有的儀器。除了具備其它語言所提供的常規函數功能和上述的生成圖形界面的大量模板外，內部還包括有許多特殊的功能庫函數和開發工具庫，以及多種硬件設備驅動功能。

目前，LabVIEW的最新版本已問世，新版本使用強大的技術，帶來更強勁的功能。LabVIEW7.1跟蹤了基于Web的應用程序開發，提高了程序的開發能力。在原來已有的強大環境基礎上，LabVIEW7.1改進了與Internet的鏈接，即借助于內置的Web工具，用戶可以不需要編程就可以在幾秒鐘內在Web上分布VI的面板。它在計算機上的開發靈活性，能夠充分提高用戶的生產效率，而成為基于計算機的測量和自動化的最佳開發平臺。此外利用LabVIEW7.1中新的NIDataSocket技術，用戶可以和其它有Internet功能的程序迅速地共享數據，而無需擔心網絡協議和數據格式。LabVIEW7.1還引入了一系列增強性能的工具以幫助用戶提高編制專業用戶界面的效率。

人們利用LabVIEW，可以運用幾千種設備（包括GPIB，VXI，串口設備，PLC，以及插入式數據采集卡等）進行數據采集，也可以通過網絡、交互應用通訊和結構化查詢語言（SQL）等方式與其它的數據源相連。數據采集完之后，可以利用LabVIEW中功能強大的數據分析程序，將原始數據轉換成有意義的結果。然后，可通過交互式的圖形化前面板來控制系統，并顯示所得的結果。這樣，利用LabVIEW就可以開發一套完整的虛擬儀器系統。LabVIEW因其最簡單和易用開發環境和可靠性，以及功能強大、靈活方便，成為開發基于計算機的測量和自動化解決方案和虛擬實驗儀器的優秀軟件包。全世界有數以千計的工程師、高校教師和科學家們正在使用LabVIEW進行儀器應用開發。作為劃時代的圖形化編程系統，LabVIEW成為目前國際上應用最廣的虛擬儀器開發環境之一，它開創了虛擬儀器的新紀元。

三、結束語

虛擬儀器充分利用計算機的軟硬件資源，以軟件技術為核心，使計算機成為具有數據信號采集、控制及分析功能的處理中心，用計算機取代了傳統的電子儀器。而LabVIEW作為一個具有良好開放性的虛擬儀器開發平臺，為面向儀器的編程提供了強有力的支持。

參考文獻：

[1]楊樂平等，LabVIEW程序設計與應用，電子工業出版社.

[2]李剛等，LabVIEW-易學易用計算機圖形化編程語言，北京航空航天大學.

作者簡介：

劉國民，工程師，就職于軍械工程學院。