虛擬電子測量儀器技術

馬晟

摘 要 近年來出現的虛擬儀器突破了傳統儀器的束縛，是儀器發展史上的一次革命。虛擬儀器技術是以計算機為核心的測試測量儀器組建技術，由計算機操縱，利用高性能的軟硬件平臺及模塊化硬件板卡，結合高效靈活的應用軟件，完成各種測量、測試任務。

【關鍵詞】虛擬儀器 測量 LabVIEW

1 虛擬儀器概述

虛擬儀器（Virtual Instrumentation）是一種計算機控制的儀器系統，以通用化計算機作為核心的硬件平臺，由使用者自己設計定義，具有計算機操作界面，測試功能由軟件來實現。它通過應用程序，將通用化計算機與功能化硬件相結合，這樣使用者可以通過友好圖形界面，自己操作計算機，完成對被檢測量的采集、判斷、分析、顯示、存儲數據等功能。

1.1 虛擬儀器與傳統儀器的比較

虛擬儀器是以計算機為基礎的軟硬件測試平臺，它可代替傳統測量儀器并自由構建專有儀器系統。傳統的測量儀器受到硬件的限制不能發揮很大的互聯。而虛擬儀器將儀器硬件搭載到計算機平臺，再加上應用軟件，將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合，大大縮小硬件成本和體積，通過軟件實現對數據的顯示、存儲及分析處理。

1.2 虛擬儀器系統的構成

虛擬儀器系統由硬件和軟件構成，硬件是基礎，軟件是核心。基本硬件是計算機和信號采集調理部件。計算機自身包括微處理器、儲存器、顯示器等部件；信號采集調理部件為GPIB儀器控制模塊，VXI/PXI，儀器模塊/總線標準模塊以及數據采集卡。軟件構成主要有開發平臺軟件和用戶應用軟件。目前使用最多的計算機語言是美國國家儀器公司（national instruments，NI）的LabVIEW。LabVIEW全稱laboratory virtual instrument engineering workbench（實驗室虛擬儀器集成環境），是功能強大靈活的儀器和分析軟件應用開發工具，圖形化，用圖標來代替文本行，創建應用程序。

LabVIEW具有以下主要特點：圖形化的儀器編程環境；高效內置的程序編譯器；靈活的程序調試手段；數據采集與儀器通信應用的支持；數據處理和分析函數庫；支持多種系統平臺；開放式的開發平臺等。LabVIEW程序包括三個部分：前面板、框圖程序、圖標和接線端口。前面板模擬真實儀器前面板；框圖程序利用圖形語言控制前面板上的對象；圖標和接線端口把LABVIEW程序定義成子程序，實現模塊化編程。

2 虛擬電子測量儀器概述

2.1 傳統儀器測量系統概述

傳統電子測量儀器，如信號發生器、邏輯分析儀、示波器、頻譜分析儀等，都是硬件化的技術方案，因其結構上的先天局限性，決定了相互之間沒有令人滿意的互聯與通信機制，不能實現充分的信息與資源共享，所以在不改變設計思路的情況下，難以組建成綜合測試系統或電子測量平臺，也就不能完成對被測系統的綜合分析、評估，進而得出準確判斷。

2.2 虛擬電子測量儀器集成系統設計概述

虛擬儀器技術是以計算機為核心的測試測量儀器組建技術，由計算機操縱，利用高性能的軟硬件平臺及模塊化硬件板卡，結合高效靈活的應用軟件，完成各種測量、測試任務；除信號的輸入輸出外，測量、控制、分析、變換、顯示等功能均由軟件來實現。

2.3 虛擬儀器與傳統儀器測量系統比較的優點

虛擬儀器技術的優勢是，使用者可以自定義專用儀器系統，功能靈活容易構建，應用面廣。它符合“硬件軟件化”發展趨勢，被稱作“軟件儀器”。它的功能齊全且多樣化，價格合理，因此具有很強的競爭力，在儀器計量領域有很大的發展空間。它主要有以下特點：軟件是虛擬儀器的核心；性價比高；縮小儀器廠商與使用者之間的距離；擴展性強，開發維護費用低，可配置性強；有良好的人機交互界面；信息量大，測試過程完全自動化，數據可編輯、打印、存儲，有完整的時間記錄和測試說明；通過軟、硬件的升級，可便捷地提升測試系統的水平和能力；信號電纜少，故障率低，有操作保護；系統開放、靈活，功能可更改，技術更新快；可以和其他設備互聯；軟、硬件都具有模塊化、開放性、可重復使用及互換性等特點。

3 虛擬電子測量儀器設計原理

虛擬電子測量儀器的軟件應用程序，由LabVIEW編程環境開發，動態鏈接庫通過CLF節點調用，達到與USB控制器的互聯通信。LabVIEW程序編寫分為前面板和后面板，前面板有登陸界面和各個虛擬儀器界面。后面板是編程程序框圖，對前面板的各個模塊進行編程，再把它們整合在一起，組成一個大的、整體的程序框圖。

程序設計中，使用軟件模板提供的旋鈕、按鈕、開關、數字顯示、圖表、圖形等控件，在前面板設置輸入輸出對象，按照使用者的實際需求，設計圖形化交互界面。框圖程序設計是圖形化程序的源代碼，與前面板一一對應，使用軟件提供的結構控制、數值運算、字符串運算、數組運算、布爾運算、信號分析、波形處理、文件輸入輸出、儀器控制等控件，按照使用者的需求，控制和分配前面板的輸入輸出。程序中的數據信號根據程序邏輯關系，沿數據線流動，滿足“數據流驅動”。

在虛擬電子測量儀器中，硬件部分由USB控制卡，信號發生卡和信號采集卡組成。12V電源供電，通過USB2.0連接到計算機，與軟件連接相通。

參考文獻

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作者單位

榆林職業技術學院神木校區 陜西省榆林市 719300