传感器与检测技术7.pdf

第7章 虚拟仪器系统 1986 年美国国家仪器公司(NI)提出了虚拟仪器的概念，标志着一种完全采用新检测理 念、新仪器结构、新检测方法、新开发手段的仪器系统的诞生，使科学仪器的功能和作用 也发生了质的变化。本章介绍了虚拟仪器的概念、特点、发展前景、硬件结构、软件结构， 并对最具代表性的图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW 的特点、功能、应用程序的构成、 工具模板、程序模板、函数模板、程序的运行与调试等作了介绍。最后给出了几个基于 LabVIEW 的数据采集实例。 7.1 概 述 7.1.1 虚拟仪器的概念 随着现代科学技术的发展，人们在对生产过程、居住环境、生活质量等的有效监控与 监测过程中，造就了各种各样科学仪器的诞生。这些仪器种类繁多、功能千差万别，其发 展历程大致可以分为四代。 第一代仪器是模拟式仪器仪表。它们的主要结构是基于电磁机械式机构，其测量结果 是依靠指针显示，也称为模拟指针仪表，如模拟万用表、模拟函数发生器、指针式电压 表等。 第二代是数字化仪器。它们将模拟信号转化为数字信号，以数字形式输出与显示出结 果。如数字万用表、数字存储示波器、数字电压表等。 第三代是智能仪器。这种仪器内部有微处理器，可以进行自动检测，可以代替人脑具 有一定的数据处理能力，故称“智能”仪器，其主要功能模块是硬件与固化的软件，对开 发和应用仍不灵活。 以上三代仪器，对于用户来说是一个封闭的系统，仪器的面板、按钮、旋钮、开关和 显示方式，内部电路及仪器所能提供的功能对这台仪器来说都是固定的，与其他设备的连 接也很受限制，开发这类仪器还必须要用专门的技术和高成本的元部件，因此这类仪器更 新周期长(5 年~10 年) ，价格很高。人们一般把这类仪器称为传统仪器。 随着计算机硬件技术、软件技术、总线技术的高速发展，出现了全新概念的第四代仪 器—— 虚拟仪器(Virtual Instruments ，简称 VI) 。1986 年美国的国家仪器公司(National Instruments Corporation ，简称NI)首先提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器完全采用新的检测 理念、新的仪器结构、新的检测方法和新的开发手段，使科学仪器的功能和作用也发生了 质的变化。虚拟仪器是电子测量技术与仪器领域中的一次技术飞跃。虚拟仪器是当今计算 机辅助测试(CAT)领域研究和应用的热点，它为工程师和科学家提高生产率、测量精度及 系统性能做出了很大的贡献。 NI 公司认为，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完 第 7 章 虚拟仪器系统 ·269 · 成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块 化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的 需求。 通常意义上说，虚拟仪器就是利用 I/O 接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用 计算机软件来实现信号数据的运算、分析和处理，利用计算机显示器来模拟传统仪器控制 面板来输出检测结果，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。一套虚拟仪器系统 就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件(例如插入 式板卡)及驱动软件，它们在一起共同完成传统仪器的功能。计算机在虚拟仪器中处于 核心地位，而完成仪器的各种功能和面板控件均由计算机软件完成，任何一个用户均可以 在现有硬件的条件下通过修改软件来改变仪器的功能，因此软件是虚拟仪器的关键，国际 上也有“软件即仪器”(The Software is the Instrument)之说。 7.1.2 虚拟仪器的特点 与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下优点。 1. 能自由定义，仪器开放灵活 如前所述，传统仪器的功能是由厂方定义的，对用户来说是封闭的、固定的，不方便 进行扩展；而虚拟仪器的功能不是事先由厂家决定，而是由用户根据自己的检测需要用软 件来定义的，从而使得整个仪器的功能以及操作面板就更具个性化；另外，虚拟仪器基于 计算机网络技术和接口技术，比传统仪器更方便与其他仪器设备、网络等连接，易于构成 自动检测系统，易于实现测量、控制过程的智能化、网络