基于labview的远程数据采集系统设计 毕业论文 - 图文(4)

第二章 虚拟仪器

2.1 虚拟仪器技术概述

2.1.1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的[4][5]。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。 2.1.2 虚拟仪器的特点及优势

虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心[6][7][8]，如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。

操作系统虚拟仪器软件面板虚拟仪器开发者虚拟仪器开发者虚拟仪器软件开发平台底层驱动程序硬件模块

图2.1虚拟仪器开发框图

虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，

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所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” 。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。 2.1.3 虚拟仪器和传统仪器的比较

虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表1-1所示）。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。

1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。

2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。 3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。 4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。 5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。

7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。

8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。 表1.1 虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器 开发维护费用低 技术更新周期短（0.5～1年） 软件是关键 价格低 开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置 可用网络联络周边各仪器 自动化、智能化、多功能、远距离传输 传统仪器 开发维护费用高 技术更新周期短（5～10年） 硬件是关键 价格昂贵 固定 只可连有限的设备 功能单一，操作不便 近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet的一部分，实现现场监控和管理。在当前流行的C/S/D网络模式下，利用嵌入式技术（包括数据库嵌入和网络模块的嵌入）可以充分利用有效资源，提高测试效率。

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2.1.4虚拟仪器测试系统的组成

虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式[9]。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图2.2所示。

采集与控制插入式数据采集板GPIB仪器VXI/PXI仪器RS-232仪器数据分析和处理数字信号处理数字滤波统计分析数值分析图2.2 虚拟仪器的内部功能的划分

结果显示网络通信硬盘拷贝输出文件I/O图形用户接口

对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。

通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件（如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等）、通用计算机、打印机等构成。系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言（如LabVIEW）编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。 2.1.5 虚拟仪器I/O接口设备

I/O接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡/板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。虚拟仪器的构成主要有五种类型[9]，如图2.3所示。

PC-DAQGPIB仪器被测信号串口仪器VXI模块PXI模块图2.3 虚拟仪器构成方式

计算机 1）DAQ(Data Acquisition)数据采集卡是指基于计算机标准总线(如ISA、PCI、USB等)

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的内置功能插卡。其中USB是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。各仪器厂家生产了大量的DAQ卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接多个DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。

2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器的标准通信协议。GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准IEEE-488.1和IEEE-488.2，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循IEEE-488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPBI仪器软件及相应的传感模块硬件。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一般低于500kb/s，不适合与对系统速度要求较高的应用。

3）VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是VME总线在仪器领域的扩展，上个世纪1993年VXI总线1.4版本被批准为IEEE-1155标准，成为开放式工业标准。仪器专用总线在吸收IEEE-488的成功经验基础上，增加了10MHz时钟线，模拟和数字混合总线，星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。

4）PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是Compact PCI总线在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是Compact PCI结构和Microsoft Windows软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了用于多个板卡同步的触发总线和10MHz参考时钟、用于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足实验和测量用户的要求。PXI兼容Compact PCI机械规范，并增加了空气冷却装置、环境测试（温度、湿度、振动和冲击实验）等要求。这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。

5）串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器精简平台组成的虚拟测试系统[10]。RS-232总线是早期采用的通用串行总线，将带有RS-232标准总线接口的仪器作为I/O接口设备，通过RS-232串口总线与计算机组成虚拟仪器系统目前仍然是虚拟仪器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。 2.1.6 虚拟仪器的软件结构

虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图2.4所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。

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用户界面数据处理硬件驱动程序 图2.4 虚拟仪器软件结构

2.2虚拟仪器的开发软件

2.2.1虚拟仪器的开发语言

虚拟仪器系统的开发语言有：标准C，Visual C++ ，Visual Basic等通用程序开发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大量时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除此以外还有HP公司的HP-VEE ，HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez-Test ，Tek-TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台[11]。

2.2.2 图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。

传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，这使得设计者不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统[11]。

目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C++/C语言。LabVIEW具有一系列无与伦比的优点：首先，LabVIEW作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时，LabVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序(可扩充)如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，LabVIEW受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。

利用LabVIEW ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。像许多通用的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多种版本[12]。 2.2.3基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计

所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程图(Block

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