1、 虛擬儀器課程論文 學院： 信 息 工 程 學 院 專業： 電 子 信 息 工 程 班級： 學號： 姓名： 虛擬儀器技術及其應用摘要:較為全面系統地介紹了虛擬儀器技術的發展, 包括虛擬儀器的定義、虛擬儀器系統的構成、虛擬儀器的軟件開發平臺等, 并就虛擬儀器應用在pH 值的測量中的情況作了較為詳細的介紹。關鍵詞:虛擬儀器;開發平臺;LabVIEW;LabWindows/ CVI ;pH 值測量 現代技術的進步以計算機技術的進步為代表。不斷革新的計算機技術, 從各個層面上影響著、引導著各行各業的技術更新。基于計算機技術的虛擬儀器系統技術正以其不可逆轉的力量推動著測控技術的革命。虛擬儀器系統的概念不

2、僅推進了以儀器為基礎的測控系統的改造, 同時也影響著以數據采集為主的測控系統傳統構造方法的進化。虛擬儀器的出現, 徹底改變了傳統的儀器觀, 開辟了測試計量技術的新紀元.1虛擬儀器的概念與特點虛擬儀器(Virtual Instrument , VI) 是指具有虛擬面板的個人計算機儀器。它利用特定的軟件在計算機屏幕上構成虛擬儀器的面板, 并配置相應一些硬件, 使計算機能完成許多儀器的功能, 從而使個人計算機變成了一種綜合了許多儀器的裝置。使用者操作這臺計算機, 就像在操作一臺自己專門設計的傳統電子儀器。虛擬儀器是測控技術和計算機技術相結合的產物, 它充分利用最新的計算機技術來實現和擴展傳統儀器的功

3、能。用計算機屏幕可以形象、方便地模擬各種儀器控制面板, 以各種形式表達輸出檢測結果;用計算機軟件可以實現各種各樣的信號分析、處理, 完成多種多樣的測試功能?？傊? 充分利用計算機豐富的軟硬件資源, 可以大大突破傳統儀器在數據的處理、表達、傳送、存儲等方面的限制,達到傳統儀器無法比擬的效果。在計算機上插數據采集卡, 然后用軟件在屏幕上生成儀器面板, 用軟件來進行信號的分析處理, 實現傳統儀器功能, 就是典型的例子之一。2虛擬儀器系統的組成和傳統的儀器一樣, 虛擬儀器一般由3 部分組成:輸入:主要是進行信號調理, 并將輸入的模擬信號轉換成數字信號。輸出:主要是將數字信號轉換成模擬信號并進行必要的信

4、號調理。數據處理:是指按測試要求對輸入信號進行各種分析和處理。虛擬儀器的硬件構成有多種方案, 通常采用以下幾種 1, 2 。2.1 基于通用接口總線GPIB 接口的儀器系統GPIB (General Purpose Interface Bus) 儀器系統的構成是邁向虛擬儀器的第一步, 即利用GPIB 接口卡將若干GPIB 儀器連接起來, 用計算機增強傳統儀器的功能, 組織大型柔性自動測試系統。利用GPIB 技術, 可以用計算機實現對儀器的操作和控制, 替代傳統的人工操作方式, 排除人為因素造成的測試測量誤差。同時, 由于可以預先編制好程序, 實現自動測試, 從而提高了測試效率。2.2 基于數據

5、采集的虛擬儀器系統 采集的模擬、數字信號通過A/D 轉換等設備輸入計算機進行分析、處理、顯示等, 并可通過D/A 轉換實現反饋控制。根據需要還可加入信號調理和實時DSP 等硬件模塊。2.3 利用VXI 總線儀器實現虛擬儀器系統 VXI (VME bus eXtension for Instrumentation) 總線為虛擬儀器系統提供了一個更為廣闊的發展空間。它是一種高速計算機總線VME 總線在儀器領域的擴展。由于其標準開放、傳輸速率高、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊化設計、使用方便靈活, 已越來越受到人們的重視。它便于組織大規模集成化系統, 是儀器發展的一個方向。2.4 在基于串行口

6、或其它工業標準總線的系統 將某些串行口儀器和工業控制模塊連接起來,可組成實時監控系統?；居布_定以后, 就可通過不同的軟件實現不同的功能, 構成一個虛擬儀器系統。以VXI 虛擬儀器系統為例, 它至少需要儀器、通信和驅動程序3 種接口軟件,其中儀器接口為儀器與計算機之間的通信協議和方法。通信接口按標準方式將儀器連接起來,它是儀器與儀器驅動程序之間的通信接口, 實際上就是VXI 系統的I/O 接口軟件。儀器驅動程序接口將通信接口與應用開發環境連接起來。儀器驅動器是完成對某一特定儀器控制與通信的一段程序, 它作為用戶應用程序的一部分在計算機上運行。儀器驅動器是虛擬儀器系統的核心, 是完成對硬件控制

7、的紐帶和橋梁。應用軟件開發環境將計算機的數據分析、顯示能力與儀器驅動器融合在一起, 為用戶開發虛擬儀器提供了必要的軟件工具和環境。目前有兩種較為流行的虛擬儀器開發環境:一種是用編程語言設計虛擬儀器, 如LabWindows/CVI 等;二是用圖形編程語言設計虛擬儀器,如LabVIEW 等。3虛擬儀器開發的軟件平臺 LabVIEW 是美國國家儀器公司(National Instruments)推出的圖形化軟件編程平臺, 如圖2 , 它是一種基于圖形的程序設計語言G 語言構成的,它可用來進行數據采集和控制、數據分析和數據表達。它是一種結構化解釋型開發平臺。LabVIEW 的朱正偉等.虛擬儀器技術及

8、其應用 · 55 ·主要特點如下 4 :(1)LabVIEW 使用“所見即所得” 的可視化技術建立人機界面。針對測試和過程控制領域, Lab-VIEW 提供了大量的儀器面板中的控制對象, 如表頭、旋鈕、圖表等。用戶還可以通過控制編輯器將現有的控制對象修改成適合自己工作領域的控制對象。(2)LabVIEW 使用圖標表示功能模塊, 使用圖標間的連線表示在各功能模塊間的數據傳遞, 使用為大多數工程師熟悉的數據流程圖式的語言書寫源程序代碼, 這樣使得編程過程與思維過程非常相似。(3)LabVIEW 提供程序調試功能, 可以在源代碼中設置斷點、單步執行源代碼、在源代碼中的數據流連線上

9、設置探針, 觀察程序運行過程中數據流的變化等。(4)LabVIEW 提供了大量的函數庫供用戶直接調用。從基本的數學函數、字符串處理函數、數組運算函數和文件輸入輸出函數到高級的數字信號處理函數和數值分析函數。從底層的VXI 儀器、數據采集板和總線接口硬件的驅動程序到世界各大儀器廠商的GPIB 儀器的驅動程序, LabVIEW 都有現成的模塊幫助用戶方便迅速組建自己的應用系統。(5)LabVIEW 提供DLL 庫接口和CIN 節點來使用戶有能力在LabVIEW 平臺上使用其它軟件平臺編譯的模塊。因此LabVIEW 是一個開放式的開發平臺, 用戶可在該平臺上使用其它軟件開發平臺生成的模塊。 目前,

10、LabVIEW 已成為數據采集、檢測、數據分析等方面的領先開發平臺, 在世界范圍內擁有眾多的用戶, 并成功地構造了各種應用系統。LabWindows/CVI 是美國國家儀器公司所提供的另一套功能卓越的開發平臺, 它以ANSI C 為核心,將功能強大、使用靈活的C 語言平臺與用于數據采集、分析和表達的測控專業工具有機地結合起來。其主要特點如下 3 :(1)LabWindows/CVI 將源代碼編輯、32 位ANSIC 編譯、聯接、調試及標準ANSI C 庫等集成在一個交互式開發環境中。LabWindows/CVI 建立在開放式軟件體系結構之上, 以項目文件為主體框架將C 源代碼文件、頭文件、庫文

11、件、目標模塊、用戶界面文件、動態聯接庫(DLL)、儀器驅動程序等多功能組件集于一體, 并支持動態數據交換(DDE)和TCP/IP 等網絡功能, 為用戶在原來C 語言開發的基礎上建立新一代的虛擬儀器系統提供了完善的兼容性和極大的靈活性。(2)LabWindows/CVI 獨有的人機交互界面編輯器, 運用“所見即所得” 的可視化交互技術, 使人機界面的實現直觀簡便。(3)LabWindows/CVI 對每一個函數都提供了一個函數面板, 用戶可以在函數面板上交互式輸入函數的各個參數。用戶還可以通過變量聲明面板交互式聲明變量。由于采用這種交互式編程技術, 大大減少了源代碼語句的輸入量, 減少了程序語法

12、錯誤。(4)LabWindows/CVI 針對測控領域的應用提供了功能強大、使用方便的庫函數, 如ANSI C 庫函數, 高級數據分析庫函數, GPIB 、數據采集、VXI 、RS 232 硬件驅動函數庫, DDE 和TCP/IP網絡函數庫等。(5)LabWindows/CVI 提供變量顯示窗口, 以便觀察程序變量和表達式的變化情況。同時還具備單步執行、斷點執行、過程跟蹤、參數檢查、運行間內存檢查等多種調試手段。4 虛擬儀器應用實例 pH 值是用來表示水中氫離子濃度的一項重要指標, 在廢水處理中必須嚴格控制pH 值在一定范圍內才能排放。我們采用LabVIEW 軟件平臺及它的套裝軟件HiQ ,

13、研制了一種pH 值測量和控制系統。利用LabVIEW 作為開發平臺, 編制VI 程序,通過pc -1200 卡或A/D 和D/A 卡、DAQ (Data Acquisitio數據采集軟件) 實現數據采集、再利用HiQ 軟件實現數據分析處理及數據顯示等功能。 首先, 在面板上建立一個動態顯示系統模擬流程圖的主VI (虛擬儀表程序), 動態顯示各閥門及泵的開關狀態、pH 值的歷史曲線和實時曲線。各功能的實現均采用調用各個子VI 的方法實現。具體的子VI 包括:顯示幫助子VI 、數據采集子VI 、數據處理子VI 、數據顯示子VI 、數據輸出子VI 及報警子VI 。在數據處理子VI 中用case 結構

14、實現對控制方法的選擇。具體的每種控制方法都分別編制成獨立的子VI 以備在數據處理子VI 中調用。主要技術要點有如下幾個:(1) 完成系統畫面的動態顯示。由于LabVIEW沒有提供系統的動態顯示功能, 所以需要定制如閥門、管道、泵等部件的動態顯示模型。(2) 在LabVIEW 中對Win32 動態鏈接庫(DLL)的調用在LabVIEW 中可以通過調用庫函數功能來調用動態鏈結庫(DLL)。動態鏈結庫是一種極其強大的工具, 通過它可以共享許多應用程序中的代碼。(3)建立與HiQ 、DAQ 、Fuzzy Control 的接口HiQ 接口:在LabVIEW 的Diagram 中打開功能模板(Funct

15、ions Palette ) 選Communication > >HiQ , 在此子模板中選Launch HiQ 和Open Notebook兩項, 并用Wire Tool 將它們連接起來。DAQ 接口:打開流程圖(diagram)選中DataAcquisition 子模板, 子模板中包含模擬輸入(AnalogInput)、模擬輸出(Analog Output)、數字輸入輸出(Digital I/O)、定時器(counter）等眾多庫函數。可以方便的進行數據采集、數據輸出。Fuzzy Control 接口:打開流程圖(diagram) 選中Fuzzy Logic 子模板, 選中Lo

16、ad Control 和FuzzyControl , 在Load Control 中引入的模糊邏輯程序, 并將Load Control 的輸出結果輸入到Fuzzy Control 中,可以在脫離Fuzzy Logic Toolkit 環境下運行。使用HiQ -Script 進行編程, 可以實現交互式的功能, 并可以實現交互式功能所不能實現的一些功能, 諸如, 動畫功能、創建曲線對象功能。利用這些功能編出了HiQ -Script 程序, 建立pH 值與pH 傳感器電極電壓、與銅電阻溫度補償之間存在的函數關系。并用2D 、3D 圖形的方式表述結果,在所有這些工作的基礎上, 進一步考慮動態顯示2D 、3D 圖形的可行性。并最終自動生成報表與他人共享技術成果。5 結束語 實踐證明, 采用了虛擬儀器技術并利用虛擬儀器軟件開發平臺后, 整個系統移植到軟件開發平臺下, 其功能迅速增強, 操作界面更加美觀, 檢測時間大大減少, 使用更加方便, 而且其應用范圍不僅在測控儀器方面, 在許多其它方面也可展開應用。參考文獻: 1 駱晨鐘.軟儀表技術及其工業應用 J .儀表技術與傳感器,1999 (1):35-38 . 2 王澤保.LabVIEW 與虛擬儀器設計 J .世界儀