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目前，功能固定的傳統(tǒng)儀器仍然是多數(shù)高等院校進行學(xué)生實驗常用的教學(xué)儀器，這類儀器基本上都是由操作面板、信號輸入端口、檢測結(jié)果輸出端口這幾部分組成，是一臺獨立的實驗裝置，它們的功能都是通過硬件電路或固化軟件實現(xiàn)的。這類傳統(tǒng)儀器的功能和規(guī)模一般是固定的，由儀器生產(chǎn)廠家給定，用戶不可以隨意改變它們的結(jié)構(gòu)和功能。另外傳統(tǒng)儀器價格昂貴，對于一個普通高等院校而言，進行實驗所需的教學(xué)設(shè)備至少要30套以上，每套都造價不菲，其負擔(dān)是可想而知的。而且，臺式機操作復(fù)雜，調(diào)試困難，更重要的其受干擾程度高，在教學(xué)中學(xué)生不容易接受，所有這些使傳統(tǒng)儀器很難適應(yīng)信息時代對儀器的要求。隨著測試技術(shù)和計算機技術(shù)深層次的結(jié)合，出現(xiàn)了虛擬儀器[1]。
1 虛擬儀器簡介
虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)，就是在通用儀器硬件平臺上定義和設(shè)計儀器的功能，用戶在操作虛擬儀器的同時就是在使用一臺專門的電子儀器[2]。
首先，虛擬儀器使用軟件實現(xiàn)，軟件就是儀器，一個機房就可以是一個多功能實驗室。其次，虛擬儀器人機界面好，內(nèi)容豐富，借助虛擬儀器的功能，可以直觀生動的展示其物理實質(zhì)，減輕實驗人員的教學(xué)負擔(dān)，加深學(xué)生的理解。第三，使用虛擬儀器，可以提高實驗效率，降低教學(xué)成本。在教學(xué)中，調(diào)試和校準往往比較費時，而虛擬儀器恰好可以避免這一點，參數(shù)輸入簡便，結(jié)果顯示明確，且儀器不會有任何損壞。實際設(shè)備的更新只是軟件的更新而已。第四，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，可以實現(xiàn)教學(xué)手段現(xiàn)代化。借助虛擬儀器技術(shù)，可以把儀器技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合，可以充分利用計算機資源。在實驗過程中，通過聲、光、動畫等手段的結(jié)合，教學(xué)將會更加生動形象，實現(xiàn)將會更加精確。將來進入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)時代，虛擬儀器將更加顯示出其優(yōu)越性[3]。
2 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)
虛擬儀器包括硬件平臺和軟件兩部分，具體示意圖如圖1所示：
構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺包括兩部分：
1)計算機：各種類型的計算機均可，主要用來管理虛擬儀器的軟、硬件資源，是構(gòu)成虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。
2)輸入／輸出接口設(shè)備：其主要用來完成被測量信號的采集、放大、模／數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。可以根據(jù)實際的情況采用不同的接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串口儀器等。
構(gòu)成虛擬儀器的軟件有兩部分：
1)輸入／輸出接口驅(qū)動程序：主要用來完成特定外部硬件設(shè)備的擴展、驅(qū)動與通信等。
2)應(yīng)用軟件：建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能，來完成測試任務(wù)。
3 LabVIEW 圖形化編程語言
LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instruments)推出的一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境，是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機界面，使用圖標表示功能模塊，使用圖標之間的連線表示各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞。同時，LabVIEW 繼承了高級編程語言的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點，支持模塊化與層次化的設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計增強了程序的可讀性。LabVIEW 使得不熟悉文本式語言編程的設(shè)計者也可以在測控領(lǐng)域建立計算機儀器系統(tǒng)――虛擬儀器，被譽為“科學(xué)家與工程師”的語言[4]。
4 虛擬數(shù)字示波器的實現(xiàn)
本虛擬數(shù)字示波器主要由一塊PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件組成。將它們安裝在一臺運行Windows系統(tǒng)的PC機上，即構(gòu)成一個功能強大的數(shù)字示波器。
4．1 確定儀器的接口形式
DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集接口是基于計算機標準總線的內(nèi)置功能插卡，可以充分利用計算機的資源增加測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性。利用DAQ，可以方便快捷地組建虛擬儀器，實現(xiàn)“一機多型”和“一機多用”。DAQ結(jié)構(gòu)虛擬儀器不但實用而且具有很高的性價比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案。PCI總線傳輸速率高，數(shù)據(jù)吞吐量大，是今后數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)計的主流。因此本虛擬數(shù)字示波器采用一塊美國國家儀器公司(National Instruments，簡稱NI)出品的NI 6024E型PCI總線數(shù)據(jù)采集卡。
4．2 確定接口卡的設(shè)備驅(qū)動程序
本虛擬數(shù)字示波器采用的NI E系列數(shù)據(jù)采集卡采用最新的DAQ―PnP(即插即用)總線技術(shù)，保證了儀器的性能與可靠性。配有的驅(qū)動軟件支持Windows9x／NT等操作系統(tǒng)的不同編程語言，可以方便地對其編程，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、分析處理、顯示表達、輸出控制等多種功能。如果沒有則應(yīng)針對所用接口卡編寫設(shè)備驅(qū)動程序。確定儀器應(yīng)用程序的編程語言LabVIEW編程將軟件的界面設(shè)計與功能設(shè)計獨立開來，修改人機交互界面無需對整個程序進行調(diào)試，這對設(shè)計像儀器操作面板這樣復(fù)雜的人機界面而言是十分方便的。LabVIEW還為用戶提供了函數(shù)擴展功能，利用LabVIEW中的Code interface Node(CIN)，可以調(diào)用C等傳統(tǒng)編程語言寫的程序代碼；利用LabVIEW中的Call Library Function，可以調(diào)用標準動態(tài)鏈接庫(．DLL)。總之，LabVIEW 作為圖形化編程語言環(huán)境，為虛擬儀器開發(fā)提供了一種快捷、方便和功能強大的軟件工具，因此本虛擬數(shù)字示波器采用LabVIEW 進行設(shè)計開發(fā)。
4．3 虛擬數(shù)字示波器的實現(xiàn)過程
下面主要講述如何利用LabVIEW 實現(xiàn)多功能數(shù)字示波器功能。這個系統(tǒng)的基本工作原理是對模擬信號進行數(shù)據(jù)采集后存入數(shù)據(jù)文件，根據(jù)使用者的不同要求由軟件對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)分析、處理，最終在屏幕上顯示處理結(jié)果。系統(tǒng)要求支持雙通道工作，即可以同時分析掃描兩路信號，這種功能的簡易實現(xiàn)也得益于計算機的高速運算能力。計算機只需要多做一組運算，在速度上不會有問題，運算再多做幾組也行；而如果是傳統(tǒng)儀器的話，就需要增加電路器件，提高了電路的復(fù)雜度，而且要同時顯示分析結(jié)果也不方便。由于系統(tǒng)運行需要具備較高的精度，因此對電源的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的抗干擾去噪能力提出了很高的要求。設(shè)計時必須充分考慮外界的電磁干擾及電路穩(wěn)定性等因素，并采取相應(yīng)措施，包括硬件、軟件兩方面。
創(chuàng)建虛擬儀器的過程分三步：① 由于虛擬儀器的形式是仿照實際儀器的面板，所以它的人機對話用戶界面又稱為前面板。前面板可以包括旋鈕、按鈕、圖形顯示器、其它的控制器和顯示器等。用戶可以使用鼠標或鍵盤輸入數(shù)據(jù)，在計算機屏幕上看到結(jié)果；② 虛擬儀器從流程圖中接收命令(用G語言創(chuàng)建)。流程圖是一個編程問題的圖形化解決方案，流程圖也是虛擬儀器的源代碼[2]；③一個虛擬儀器的圖標和連接就像一個圖形(表示某一虛擬儀器)的參數(shù)列表，這樣，其它的虛擬儀器才能將數(shù)據(jù)傳輸給一個子儀器。圖標和連接允許將此儀器作為最高級的程序，也可以作為其它程序或子程序中的子程序(子儀器)[5]。
首先根據(jù)實際要求設(shè)計，在前面板上設(shè)計如圖2所示的器件，其框圖如圖3所示。
在設(shè)計之初，就要考慮到模塊化、層次化的要求。將前面板分為幾個部分：波形顯示部分，通道調(diào)試部分，水平及垂直掃描部分，外加一個停止按鈕。將各個模塊各自獨立，按各自的功能要求進行設(shè)計。其內(nèi)部包含兩部分：信號發(fā)生器和信號處理部分。信號處理部分的功能實現(xiàn)較多，因而對每一個功能采用定制子儀器的方法將其做成一個個子儀器，用特定的圖標表示。此法可減少流程圖的復(fù)雜程度，便于數(shù)據(jù)流的跟蹤和調(diào)試。左邊就是波形顯示控件，右邊最上面的控件為通道選擇部分，中間為水平掃描速率調(diào)整部分，下面為垂直靈敏度調(diào)整部分，左下角是停止按鈕。通道A、通道B、及通道A&B與顯示部分接通。水平掃描速率與垂直靈敏度調(diào)整電路分別接入三種掃描方式的顯示部分的前端。實現(xiàn)了接入、掃描、調(diào)試、顯示各自功能。最后接入數(shù)據(jù)采集卡，可對外接入的模擬信號直接掃描分析。本文介紹的虛擬數(shù)字示波器不僅具有一般臺式數(shù)字示波器的功能，而且充分發(fā)揮了微機強大的功能和軟件設(shè)計的靈活性。
5 總 結(jié)
LabVIEW 是開放型模塊化程序設(shè)計語言，使用它可以快速建立自己的儀器儀表系統(tǒng)，而又不用擔(dān)心程序的質(zhì)量和運行速度。虛擬儀器設(shè)計已經(jīng)成為測試與儀器技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。隨著高速A／D芯片和電路的進一步集成化，可以設(shè)想在不遠的將來，一臺安裝有虛擬儀器軟件的標準微機將會成為一個多功能的測量儀器站，從根本上改變目前專用儀器的研制和生產(chǎn)方式，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在經(jīng)濟效益。
參考文獻：
[1]白
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