论虚拟仪器LabVIEW的发展及应用

赵 洁，张 璐，李 桃

(1.中北大学机电工程学院，山西太原030051;2.中北大学信息与通信工程学院，山西 太原030051;3.中北大学机械工程与自动化学院，山西太原030051)

0 引言

所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试任务。其实质是将传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结舍起来，以实现并扩展传统仪器的功能。

1 虚拟仪器的优势

传统仪器一般是一台独立的装置。从外观上看，它一般有操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分。操作面板上一般有一些开关，按钮、旋钮等。检测结果的输出方式有:数字、指针式表头、图形窗口、打印输出等。从功能方面分析传统仪器可分为:信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几个部分。传统仪器的功能都是通过硬件(或固化的软件)来实现的。这种框架结构决定了它只能由仪器厂家来定义、制造，而且功能和规格一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能［1-2］。

表1 传统仪器和虚拟仪器的对比

2 虚拟仪器开发环境—LabVIEW

随着微电子技术、计算机技术、软件技术以及网络技术的高度发展及其在电子测控技术与仪器上的应用，新的测控理论、方法、测控领域以及新的仪器结构不断的出现，在许多方面已经冲破仪器的概念，电子测控仪器的功能和作用发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国成功开发了图形化的计算机语言——LabVIEW。

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。图形化编程开发平台的特点是基于通用计算机等标准软硬件资源平台，实现构建灵活、层次体系明晰、功能强大且人机界面友好的测控系统，因此在国内外许多测控应用中被广泛采用［5］。

图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。因此，Labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率［6-7］。

3 LabVIEW的国内外应用现状

3.1 应用于生产检测

LabVIEW已经成为用于测试测量领域的工业标准化开发工具。LabVIEW结合NITestStand测试执行环境和该领域中最大的仪器驱动程序库，为整个系统建立稳固完整的检测管理平台。

3.2 应用于研究与分析

运用LabVIEW，可在汽车、能源研究和其它众多工业领域的应用系统中进行实时数据的分析和计算;对于要求声音、振动、图像处理、时频分析、小波和数字滤波的应用系统，LabVIEW特别提供各种附加工具包以加速系统开发。

3.3 应用于过程控制和工厂自动化

可利用LabVIEW来建立众多的过程控制和工业自动化应用系统。在LabVIEW平台下，可以实现高速、多通道的测量和控制。对于大型复杂的工业自动化和控制系统，有专门的LabVIEW数据记录和监控模块，用于监控多通道I/O、与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于PC机的控制。

3.4 应用于机器监控

对于要求有实时控制、振动分析、视觉和图像分析或运动控制的机器监视和预先维护的应用系统，LabVIEW是理想的选择。LabVIEW系列产品，包括用于可靠、确定性控制的实时LabVIEW(LabVIEW RT)软件，就可以快速、准确地建立起功能强大的机器监视和自动控制应用程序。

3.5 IPC多任务测控系统

LabVIEW有着强大的功能和广阔的应用范围，但就目前国内的现状来看，绝大多数的用户还是把LabVIEW作为虚拟仪器，仅仅利用它来进行数据的处理和显示，忽略了LabVIEW强大的数据采集和控制功能［8］。此系统的任务可以分为下位机和上位机任务两大类。

下位机任务主要有:采集任务主要是模拟量采集和开关量采集;控制任务包括直流电动机的控制和步进电动机的控制;数据通信任务将采集出的数据实时传送至上位机上;从上位机接收控制命令。

上位机任务主要有:整点制表任务系统分别在0点、8点、16点制表，完成规定时间的电压、电流等测量数据的存储或结果的输出，便于以后对历史数据的查找，这也是测控系统的常规工作;数据的计算通过采集的数据计算电压的偏差、波动以及频率等量;动态显示任务对整个系统的各种数据实现动态的显示，便于管理者掌握系统的状态。动态显示对系统资源的消耗较大，所以从下位机任务中分离出来;数据通信任务将系统的动态数据发布到其它控制台，通过局域网实现远程监控。

4 LabVIEW的数据采集

在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。使用计算机对现实世界中的信息实现显示和处理，其前提条件是将计算机和现实世界联系起来。这需要将现实世界中的各种信号(统称模拟信号)转换为计算机可以识别、存储的信号(统称数字信号)，这一过程称为数据采集(DAQ，Data Acquisition)［9］。

数据采集是对多路模拟信号进行数字化测量，从而获得大量数据以便进行分析和处理。它是外部被测模拟信号进入测量系统的必经前置通道。数据采集系统主要包括以下几个部分:信号调理模块、采样保持模块、模数转换模块以及其它模块，如定时/计数器，数模转换等［10］。组建一个基于计算机的现代测试系统，数据采集卡的选择是非常重要的。它的主要技术指标如下:

(1)A/D转换芯片的类型:主要分为直接比较型和间接比较型。前者是将输入的模拟信号直接同标准的参考电压相比较得出数字量;后者是将输入模拟电压转换为一个中间量，将中间量再转换为数字量。

(2)数据分辨率:分辨率是数据采集设备的精度指标，用模数转换器的数字位数来表示。

(3)通道数:指能够同时采样的通道数目，一般根据测试任务选择。

(4)采样率:表示单通道采样能使用的最高频率。如果是多通道采样，则能够到达的采样率是最高频率除以通道数。

(5)数据总线接口类型:不同的总线接口类型的数据板卡的接口硬件形式不一样，数据传输的规则和速度也不一样。目前主要有 PCI、ISA、VXI和 PXI。

图1 数据采集系统结构

图1表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。

在基于计算机的系统测量到物理信号之前，需要通过传感器(或转换器)将物理信号转换为电信号。为了更精确地测量信号，信号调理配件能放大低电压信号，并对信号进行隔离和滤波。此外，某些传感器需要有电压或电流激励源来生成电压输出。信号调节设备可以用插入式DAQ卡在将测量的信号转换为数字信息前对其进行调节。DAQ系统由软件控制—获取数据行、分析数据并得出结论。

5 结论

Labview是一个功能强大的虚拟仪器编程环境，也是一个基于计算机的自动化实验室，它大大提高了研究人员的工作效率。因而可以说，虚拟仪器是跨跃物理世界与数字世界的桥梁和纽带，在统一的信息世界内涵里，连接着物理世界与数字世界。结合电子计算机技术的巨大优势和潜力，为人们带来了前所未有的便利和发展空间。

［1］周渭.渡边健藏，近年来国外仪器与测量技术发展趋势［J］.仪器仪表学报，2005，26(7):764 －770.

［2］廖开俊，刘志飞.虚拟仪器技术综述［J］.国外电子测量技术，2006，25(2):6 －8.

［3］彭代慧，祝诗平，余建桥.虚拟仪器及其在远程测控中的应用［J］.中国测试技术，2006，32(3):113 －115.

［4］张毅刚.虚拟仪器的技术介绍［J］.国外电子测量技术，2006，25(6):1 －6.

［5］孙亚飞，陈仁文，周勇，等.测试仪器发展概述［J］.仪器仪表学报，2003，24(5):480 －484.

［6］王承，何志伟，许东芹.虚拟仪器——现代仪器发展的新阶段［J］.测控技术，2001，20(10):9 －11.

［7］秦树人.虚拟仪器——测试仪器从硬件到软件［J］.振动、测试与诊断，2000，20(1):1 －6.

［8］James Truchard.虚拟仪器的未来［J］.测控技术，2002，21(9):1－2.

［9］韩慧莲，徐晓东，张伦.虚拟仪器通用测试软件的设计与实现［J］.电子测量与仪器学报，2002，16(4):55－59.

［10］赵建，涂满平，陈国荣.虚拟仪器的软件设计［J］.测控技术，2003，22(10):36 －38.