虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用

1、 虛擬儀器課程論文 學(xué)院： 信 息 工 程 學(xué) 院 專業(yè)： 電 子 信 息 工 程 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用摘要:較為全面系統(tǒng)地介紹了虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展, 包括虛擬儀器的定義、虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成、虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)等, 并就虛擬儀器應(yīng)用在pH 值的測(cè)量中的情況作了較為詳細(xì)的介紹。關(guān)鍵詞:虛擬儀器;開(kāi)發(fā)平臺(tái);LabVIEW;LabWindows/ CVI ;pH 值測(cè)量 現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步以計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為代表。不斷革新的計(jì)算機(jī)技術(shù), 從各個(gè)層面上影響著、引導(dǎo)著各行各業(yè)的技術(shù)更新?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器系統(tǒng)技術(shù)正以其不可逆轉(zhuǎn)的力量推動(dòng)著測(cè)控技術(shù)的革命。虛擬儀器系統(tǒng)的概念不

2、僅推進(jìn)了以儀器為基礎(chǔ)的測(cè)控系統(tǒng)的改造, 同時(shí)也影響著以數(shù)據(jù)采集為主的測(cè)控系統(tǒng)傳統(tǒng)構(gòu)造方法的進(jìn)化。虛擬儀器的出現(xiàn), 徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀, 開(kāi)辟了測(cè)試計(jì)量技術(shù)的新紀(jì)元.1虛擬儀器的概念與特點(diǎn)虛擬儀器(Virtual Instrument , VI) 是指具有虛擬面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。它利用特定的軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上構(gòu)成虛擬儀器的面板, 并配置相應(yīng)一些硬件, 使計(jì)算機(jī)能完成許多儀器的功能, 從而使個(gè)人計(jì)算機(jī)變成了一種綜合了許多儀器的裝置。使用者操作這臺(tái)計(jì)算機(jī), 就像在操作一臺(tái)自己專門設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)電子儀器。虛擬儀器是測(cè)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物, 它充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功

3、能。用計(jì)算機(jī)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(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果;用計(jì)算機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的信號(hào)分析、處理, 完成多種多樣的測(cè)試功能。總之, 充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源, 可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)等方面的限制,達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的效果。在計(jì)算機(jī)上插數(shù)據(jù)采集卡, 然后用軟件在屏幕上生成儀器面板, 用軟件來(lái)進(jìn)行信號(hào)的分析處理, 實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能, 就是典型的例子之一。2虛擬儀器系統(tǒng)的組成和傳統(tǒng)的儀器一樣, 虛擬儀器一般由3 部分組成:輸入:主要是進(jìn)行信號(hào)調(diào)理, 并將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。輸出:主要是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)并進(jìn)行必要的信

4、號(hào)調(diào)理。數(shù)據(jù)處理:是指按測(cè)試要求對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行各種分析和處理。虛擬儀器的硬件構(gòu)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(tǒng)GPIB (General Purpose Interface Bus) 儀器系統(tǒng)的構(gòu)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(lái), 用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能, 組織大型柔性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。利用GPIB 技術(shù), 可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制, 替代傳統(tǒng)的人工操作方式, 排除人為因素造成的測(cè)試測(cè)量誤差。同時(shí), 由于可以預(yù)先編制好程序, 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試, 從而提高了測(cè)試效率。2.2 基于數(shù)據(jù)

5、采集的虛擬儀器系統(tǒng) 采集的模擬、數(shù)字信號(hào)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換等設(shè)備輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等, 并可通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)反饋控制。根據(jù)需要還可加入信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)DSP 等硬件模塊。2.3 利用VXI 總線儀器實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng) VXI (VME bus eXtension for Instrumentation) 總線為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個(gè)更為廣闊的發(fā)展空間。它是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。由于其標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊化設(shè)計(jì)、使用方便靈活, 已越來(lái)越受到人們的重視。它便于組織大規(guī)模集成化系統(tǒng), 是儀器發(fā)展的一個(gè)方向。2.4 在基于串行口

6、或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng) 將某些串行口儀器和工業(yè)控制模塊連接起來(lái),可組成實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)?；居布_定以后, 就可通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能, 構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)。以VXI 虛擬儀器系統(tǒng)為例, 它至少需要儀器、通信和驅(qū)動(dòng)程序3 種接口軟件,其中儀器接口為儀器與計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議和方法。通信接口按標(biāo)準(zhǔn)方式將儀器連接起來(lái),它是儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間的通信接口, 實(shí)際上就是VXI 系統(tǒng)的I/O 接口軟件。儀器驅(qū)動(dòng)程序接口將通信接口與應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境連接起來(lái)。儀器驅(qū)動(dòng)器是完成對(duì)某一特定儀器控制與通信的一段程序, 它作為用戶應(yīng)用程序的一部分在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。儀器驅(qū)動(dòng)器是虛擬儀器系統(tǒng)的核心, 是完成對(duì)硬件控制

7、的紐帶和橋梁。應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境將計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析、顯示能力與儀器驅(qū)動(dòng)器融合在一起, 為用戶開(kāi)發(fā)虛擬儀器提供了必要的軟件工具和環(huán)境。目前有兩種較為流行的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境:一種是用編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)虛擬儀器, 如LabWindows/CVI 等;二是用圖形編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)虛擬儀器,如LabVIEW 等。3虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái) LabVIEW 是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments)推出的圖形化軟件編程平臺(tái), 如圖2 , 它是一種基于圖形的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言G 語(yǔ)言構(gòu)成的,它可用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)。它是一種結(jié)構(gòu)化解釋型開(kāi)發(fā)平臺(tái)。LabVIEW 的朱正偉等.虛擬儀器技術(shù)及

8、其應(yīng)用 · 55 ·主要特點(diǎn)如下 4 :(1)LabVIEW 使用“所見(jiàn)即所得” 的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面。針對(duì)測(cè)試和過(guò)程控制領(lǐng)域, Lab-VIEW 提供了大量的儀器面板中的控制對(duì)象, 如表頭、旋鈕、圖表等。用戶還可以通過(guò)控制編輯器將現(xiàn)有的控制對(duì)象修改成適合自己工作領(lǐng)域的控制對(duì)象。(2)LabVIEW 使用圖標(biāo)表示功能模塊, 使用圖標(biāo)間的連線表示在各功能模塊間的數(shù)據(jù)傳遞, 使用為大多數(shù)工程師熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語(yǔ)言書寫源程序代碼, 這樣使得編程過(guò)程與思維過(guò)程非常相似。(3)LabVIEW 提供程序調(diào)試功能, 可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行源代碼、在源代碼中的數(shù)據(jù)流連線上

9、設(shè)置探針, 觀察程序運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)流的變化等。(4)LabVIEW 提供了大量的函數(shù)庫(kù)供用戶直接調(diào)用。從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)組運(yùn)算函數(shù)和文件輸入輸出函數(shù)到高級(jí)的數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)和數(shù)值分析函數(shù)。從底層的VXI 儀器、數(shù)據(jù)采集板和總線接口硬件的驅(qū)動(dòng)程序到世界各大儀器廠商的GPIB 儀器的驅(qū)動(dòng)程序, LabVIEW 都有現(xiàn)成的模塊幫助用戶方便迅速組建自己的應(yīng)用系統(tǒng)。(5)LabVIEW 提供DLL 庫(kù)接口和CIN 節(jié)點(diǎn)來(lái)使用戶有能力在LabVIEW 平臺(tái)上使用其它軟件平臺(tái)編譯的模塊。因此LabVIEW 是一個(gè)開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái), 用戶可在該平臺(tái)上使用其它軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)生成的模塊。 目前,

10、LabVIEW 已成為數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析等方面的領(lǐng)先開(kāi)發(fā)平臺(tái), 在世界范圍內(nèi)擁有眾多的用戶, 并成功地構(gòu)造了各種應(yīng)用系統(tǒng)。LabWindows/CVI 是美國(guó)國(guó)家儀器公司所提供的另一套功能卓越的開(kāi)發(fā)平臺(tái), 它以ANSI C 為核心,將功能強(qiáng)大、使用靈活的C 語(yǔ)言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。其主要特點(diǎn)如下 3 :(1)LabWindows/CVI 將源代碼編輯、32 位ANSIC 編譯、聯(lián)接、調(diào)試及標(biāo)準(zhǔn)ANSI C 庫(kù)等集成在一個(gè)交互式開(kāi)發(fā)環(huán)境中。LabWindows/CVI 建立在開(kāi)放式軟件體系結(jié)構(gòu)之上, 以項(xiàng)目文件為主體框架將C 源代碼文件、頭文件、庫(kù)文

11、件、目標(biāo)模塊、用戶界面文件、動(dòng)態(tài)聯(lián)接庫(kù)(DLL)、儀器驅(qū)動(dòng)程序等多功能組件集于一體, 并支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)和TCP/IP 等網(wǎng)絡(luò)功能, 為用戶在原來(lái)C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上建立新一代的虛擬儀器系統(tǒng)提供了完善的兼容性和極大的靈活性。(2)LabWindows/CVI 獨(dú)有的人機(jī)交互界面編輯器, 運(yùn)用“所見(jiàn)即所得” 的可視化交互技術(shù), 使人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)直觀簡(jiǎn)便。(3)LabWindows/CVI 對(duì)每一個(gè)函數(shù)都提供了一個(gè)函數(shù)面板, 用戶可以在函數(shù)面板上交互式輸入函數(shù)的各個(gè)參數(shù)。用戶還可以通過(guò)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(shù), 大大減少了源代碼語(yǔ)句的輸入量, 減少了程序語(yǔ)法

12、錯(cuò)誤。(4)LabWindows/CVI 針對(duì)測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用提供了功能強(qiáng)大、使用方便的庫(kù)函數(shù), 如ANSI C 庫(kù)函數(shù), 高級(jí)數(shù)據(jù)分析庫(kù)函數(shù), GPIB 、數(shù)據(jù)采集、VXI 、RS 232 硬件驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù), DDE 和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)函數(shù)庫(kù)等。(5)LabWindows/CVI 提供變量顯示窗口, 以便觀察程序變量和表達(dá)式的變化情況。同時(shí)還具備單步執(zhí)行、斷點(diǎn)執(zhí)行、過(guò)程跟蹤、參數(shù)檢查、運(yùn)行間內(nèi)存檢查等多種調(diào)試手段。4 虛擬儀器應(yīng)用實(shí)例 pH 值是用來(lái)表示水中氫離子濃度的一項(xiàng)重要指標(biāo), 在廢水處理中必須嚴(yán)格控制pH 值在一定范圍內(nèi)才能排放。我們采用LabVIEW 軟件平臺(tái)及它的套裝軟件HiQ ,

13、研制了一種pH 值測(cè)量和控制系統(tǒng)。利用LabVIEW 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái), 編制VI 程序,通過(guò)pc -1200 卡或A/D 和D/A 卡、DAQ (Data Acquisitio數(shù)據(jù)采集軟件) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、再利用HiQ 軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理及數(shù)據(jù)顯示等功能。 首先, 在面板上建立一個(gè)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)模擬流程圖的主VI (虛擬儀表程序), 動(dòng)態(tài)顯示各閥門及泵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、pH 值的歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線。各功能的實(shí)現(xiàn)均采用調(diào)用各個(gè)子VI 的方法實(shí)現(xiàn)。具體的子VI 包括:顯示幫助子VI 、數(shù)據(jù)采集子VI 、數(shù)據(jù)處理子VI 、數(shù)據(jù)顯示子VI 、數(shù)據(jù)輸出子VI 及報(bào)警子VI 。在數(shù)據(jù)處理子VI 中用case 結(jié)構(gòu)

14、實(shí)現(xiàn)對(duì)控制方法的選擇。具體的每種控制方法都分別編制成獨(dú)立的子VI 以備在數(shù)據(jù)處理子VI 中調(diào)用。主要技術(shù)要點(diǎn)有如下幾個(gè):(1) 完成系統(tǒng)畫面的動(dòng)態(tài)顯示。由于LabVIEW沒(méi)有提供系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)顯示功能, 所以需要定制如閥門、管道、泵等部件的動(dòng)態(tài)顯示模型。(2) 在LabVIEW 中對(duì)Win32 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)的調(diào)用在LabVIEW 中可以通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)功能來(lái)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈結(jié)庫(kù)(DLL)。動(dòng)態(tài)鏈結(jié)庫(kù)是一種極其強(qiáng)大的工具, 通過(guò)它可以共享許多應(yīng)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(kāi)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(xiàng), 并用Wire Tool 將它們連接起來(lái)。DAQ 接口:打開(kāi)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(shù)字輸入輸出(Digital I/O)、定時(shí)器(counter）等眾多庫(kù)函數(shù)。可以方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出。Fuzzy Control 接口:打開(kāi)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(jié)果輸入到Fuzzy Control 中,可以在脫離Fuzzy Logic Toolkit 環(huán)境下運(yùn)行。使用HiQ -Script 進(jìn)行編程, 可以實(shí)現(xiàn)交互式的功能, 并可以實(shí)現(xiàn)交互式功能所不能實(shí)現(xiàn)的一些功能, 諸如, 動(dòng)畫功能、創(chuàng)建曲線對(duì)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(bǔ)償之間存在的函數(shù)關(guān)系。并用2D 、3D 圖形的方式表述結(jié)果,在所有這些工作的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步考慮動(dòng)態(tài)顯示2D 、3D 圖形的可行性。并最終自動(dòng)生成報(bào)表與他人共享技術(shù)成果。5 結(jié)束語(yǔ) 實(shí)踐證明, 采用了虛擬儀器技術(shù)并利用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)后, 整個(gè)系統(tǒng)移植到軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)下, 其功能迅速增強(qiáng), 操作界面更加美觀, 檢測(cè)時(shí)間大大減少, 使用更加方便, 而且其應(yīng)用范圍不僅在測(cè)控儀器方面, 在許多其它方面也可展開(kāi)應(yīng)用。參考文獻(xiàn): 1 駱晨鐘.軟儀表技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用 J .儀表技術(shù)與傳感器,1999 (1):35-38 . 2 王澤保.LabVIEW 與虛擬儀器設(shè)計(jì) J .世界儀