虚拟仪器与LabVIEW

夏璇 陈柏沩

摘要：本文详细描述了虚拟仪器的内涵以及虚拟仪器技术的特点，又对虚拟仪器不同的总线结构和虚拟仪器软件的组成部分进行了详细描述，最后引出LabVIEW这款高效的虚拟仪器软件，帮助大家突破在电子仪器测量方面的限制。

关键词：虚拟仪器，LabVIEW

美国国家仪器公司为满足虚拟仪器的需求，将仪器技术和现代计算机深度结合推出了LabVIEW软件，LabVIEW是沟通二者的桥梁。

虚拟仪器是以计算机为核心，根据用户对仪器的设计定义，用软件实现虚拟控制面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统[1]。用户通过操作虚拟面板，等同于使用一台专用测量仪器一样，达到测量、测试目的。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出和调理，软件才是整个仪器系统的关键，使用者可以通过修改软件，方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以说“软件就是仪器”。从实质上讲，虚拟仪器利用硬件系统（特别是I/O接口设备）完成信号的采集、测量与调理，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用计算机的显示器模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果，从而完成所需的各种测试功能。

虚拟仪器中的“虚拟”主要指的是在外观上控制面板各控件如各种开关、按键、输入通道、放大倍数、滤波特性等参数设置采用与实物相近的图标，在内在上虚拟仪器是利用软件程序实现仪器的测量、测试及分析功能。虚拟仪器技术的特点可概括为以下4点。

（1）性能高，虚拟仪器技术继承了计算机功能超卓的处理器和文件输入输出能力，使数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。

（2）扩展性强，得益于虚拟仪器应用软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的甚至无须软件上的升级即可改进整个系统，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

（3）开发时间少，在驱动和应用两个层面上，目前高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通信方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使得能轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

（4）无缝集成，实际过程中工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的设备提供了标准的接口，帮用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

虚拟仪器可分为基于PC总线、GPIB总线、VXI总线、PXI总线等标准体系结构[2]。

由于个人计算机的用户量及其通用型，基于PC总线的虚拟仪器成为人们的首选。这种硬件一般采用基于PC总线的通用DAQ（ Data AcQuisition）数据采集卡，这类虚拟仪器充分地利用了计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性利用通用型DAQ可方便快捷地组建基于计算机的仪器，易于实现“一机多型”和“一机多用。

对已有的专业仪器，尤其是专业数字式仪器，为了扩展其功能或提高性能，往往采用“专用”总线实现与计算机的连接。多数这类仪器配有GPIB（ General Purpose Interface Bus，通用接口总线）所以利用此类仪器构建基于计算机的虚拟仪器一般利用GPIB实现。

VXI系统最多可包含256个装置，主要由主机箱、控制器、具有多种功能的模块仪和驱动软件、系统应用软件等組成，具有即插即用的特性，但VXI价格较高多用于尖端测试。

虚拟仪器软件由VISA库、仪器驱动程序、应用软件三部分组成[3]。

（1）VISA库是标准I/O函数库和相关规范的总称，起着连接计算机与仪器的作用。VISA只解决了仪器接口的可互换（即改变接口或总线方式不必修改测试程序），但没有解决更高层次的针对不同仪器的可互换性。

（2）仪器驱动程序是指能实现某一仪器系统控制与通信的软件程序集，是应用程序实现仪器控制的桥梁。仪器的驱动程序由仪器生产商以源码形式提供给用户使用，每个仪器模块都有自己的仪器驱动，常用的虚拟仪器设计软件（如 LabVIEW等）集成了大量常用仪器的驱动程序。

（3）应用软件

应用软件是直接面向操作用户的程序，该软件建立在仪器驱动之上。通过的测控操作界面（或称为仪器面板）丰富的数据分析与处理功能等完成自动测试任务。虚拟仪器应用软件的开发工具有通用编程软件和专业图形化编程软件两类。通用编程软件主要有Visual Basic与Visual C++，对开发者编程技术要求较高，同时对虚拟仪器也要了解。专业图形化编程软件LabVIEW是NI公司软件专门为虚拟仪器的开发而计，对开发者的要求较低，只要了解软件总体功能及要实现的虚拟仪器功能就可快捷方便进行开发。

LabVIEW自1983年推出以来经过几十年的发展已经成为最受欢迎的虚拟仪器应用软件。由LabVIEW开发的程序由VI文件组成，Vi文件主要包括前面板、程序框图以及图标和连线板五部分。

前板采用图形化界面用来模拟传统仪器的操作面板，可以用作数据显示、参数设置的界面。前面板创建完毕以后，可使用程序框图来添加源代码。程序框图是图形化源代码的集合，图形化源代码又称G代码或程序框图代码，它决定VI的运行方式。程序框图代码使用图形化代码来控制程序框图对象。图标主要用来表示VI，图标上留有VI的输入输出连接口，不仅简洁地表示了VI还利于后续的连线操作。连线板用来连接不同模块，使模块之间能够进行数据传输，并且软件对于不同的数据类型会使用不同外观的连接线以便于区分。

参考文献

[1]龙华伟. LabVIEW数据采集与仪器控制[M].清华大学出版社，2016：P9

[2] Jeffrey Travis. LabVIEW大学实用教程[M].电子工业出版社，2016：P32

[3]阮奇桢. 我和LabVIEW[M].北京航空航天出版社，2010：28