基于LabVIEW的虚拟仪器技术研究与应用.doc

摘 要:LabVIEW被认为是虚拟仪器技术最有影响力和发展前景的软件平台。本文阐述了LabVIEW 虚拟仪器的设计原理，详细介绍了LabVIEW的发展历程和研究进展，并举例介绍其应用现状。最后对基于LabVIEW虚拟仪器技术的前景做出展望。 关键词：LabVIEW 虚拟仪器 发展历程 研究进展 应用现状 1 引言 在这个信息技术日新月异的时代，利用计算机和网络等技术对传统产业进行改造已是大势所趋。虚拟仪器技术正是计算机技术及网络通信技术与传统仪器技术融合的产物。美国国家仪器公司(National Instruments，简称NI）于20世纪80年代中期，首先提出了“软件就是仪器(The Software is the Instrument）”这一虚拟仪器新概念.所谓的虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI），就是在以计算机为核心所组成的硬件平台上，利用其显示功能虚拟仪器控制面板,测试分析功能由软件实现的一种计算机仪器系统.虚拟仪器技术充分利用了最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能,一直成为发达国家自动测控领域的研究热点。虚拟仪器的核心是仪器软件化设计理念。近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发软件平台,如美国HP公司的HPVEE与HPTIG,Tektronix公司的EzTest和TekTNS，以及HEM Data公司的SnapMaster平台等,但最早和最具影响力的要数NI公司的LabVIEW开发环境. LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器集成环境）是NI公司推出的具有革命性的图形化虚拟仪器设计平台,它内置信号采集、测量分析与数据显示功能,摒弃了传统开发工具的复杂性,在提供强大测控功能的同时，还保持系统的灵活性，让您可以无缝地集成一套完整的应用方案1.虽然只有近二十年的发展史，可它已经渗透到各行各业，成为科学家和工程师们进行自动测控与仪器应用开发的首选工具.本文就LabVIEW虚拟仪器技术的研究、现状及发展前景作一个概述。 2 LabVIEW虚拟仪器设计原理 虚拟仪器系统一般由硬件和软件组成，硬件是虚拟仪器的基础,而软件是实现虚拟仪器的关键,任何用户都可以通过修改软件的方法很方便地改变、增减仪器系统的功能和规模.虚拟仪器技术的出现，开辟了用户自主设计仪器的新时代，为各层次设计者提供了广阔的思维空间。可以说，计算机是虚拟仪器的心脏,软件是虚拟仪器的灵魂。所以，计算机硬件技术和软件技术的发展都是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素。构造一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能。所以,提高计算机软件编程效率就成了一个非常现实的问题。 2。1 虚拟仪器系统的硬件构成 虚拟仪器系统的硬件主要是由个人计算机或者工作站和硬件接口模块组成。其中计算机是主体,主要用来提供实时高效的数据处理性能.硬件接口模块包括仪器硬件和各种通用接口总线,主要用来采集、传输信号.仪器硬件如各种传感器、插入式数据采集卡（DAQ）、信号调理器等.通用接口总线用来把独立的仪器连接到计算机上，如RS232串行总线、GPIB通用接口总线、USB通用串行总线、VXI总线和PXI总线等，可以借不同接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元调配并组建成为中小型甚至大型的虚拟仪器自动测试系统.因此计算机和硬件接口模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。 2。2 LabVIEW虚拟仪器应用程序的构成 LabVIEW是NI公司推出的一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言.它把复杂、烦锁、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能（图形),再用线条把各种功能（图形）连接起来。LabVIEW中编写的源程序，很接近程序流程图.所以，只要把程序流程框图画好了，程序也就差不多编好了. LabVIEW图形编程语言中的基本编程单元是VI（Virtual Instrument，虚拟仪器）,VI包括三个部分：前面板（Front Panel)、框图程序(Block Diagram)和图标（Icon）连接器(Connector)。前面板既接受来自框图程序的指令,又是用户与程序代码发生联系的窗口.这个窗口模拟真实仪表的前面板，用于设置输入和观察输出,输入量称为控件（Controls),输出量称为指示器（Indicators）。当把一个控件或指示器放到前面板上时,框图中相应地放置一个端子(Terminals），这个端子不能随意被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除.用户可以使用多种图标，如旋钮、开关、按钮、图表、文本框、图形等，使前面板易看易懂。2。3 LabVIEW虚拟仪器的特点 LabVIEW给用户提供了一个理想的程序设计环境和虚拟仪器开发平台,面向的是没有编程经验的用户（尤其是不熟悉C语言或Basic语言的用户）,而不是编程专家,它使得科研和工程人员可以摆脱对专业编程人员的依赖。因此LabVIEW适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员,被誉为工程师和科学家的语言.作为一种高水平的程序设计语言，同传统的编程语言相比，可以节省大约80 的程序开发时间，而其运行速度却几乎不受影响,体现了极高的效率. LabVIEW以其直观简便的编程方式、众多源码级的设备驱动程序、多种多样的分析与表达功能支持,满足用户的不同需求.其特点主要体现在以下几个方面：LabVIEW不同于基于文本的编程语言（如VB和VC），它是一种完全图形化编程语言通常称为G编程语言（Graphical Programming Language），用图标代替文本代码创建应用程序，简明直观、易学易用.LabVIEW的前面板是模拟真实仪表的前面板，但是它的功能却是真实的，能够代替实际的仪器发挥作用。LabVIEW使用数据流程序模式，可同时执行多个LabVIEW子程序.LabVIEW中的VI具有模块化结构和层次化结构,每一个VI可以单独执行,或者被其他程序当作子VI来调用.LabVIEW 提供了各种各样的、功能强大的虚拟仪器集成函数库和专用程序，以便用户能够快速组建自己的应用系统。LabVIEW提供DLL接口、CIN（C Interface Node）节点，使得其成为一个开放的开发平台；还直接支持动态数据交换（DDE）、结构化查询语言（SQL）、TCP和UDP网络协议等。LabVIEW采用编译方式运行32位应用程序,解决了用解释方式运行程序的其它图形化编程平台运行速度慢的缺陷。支持多种操作系统平台，如Macintosh、Power Macintosh、HPUX、Sun SPARC、Windows 3。X/98/2000/NT等.在以上任何一个平台开发的LabVIEW应用程序都可以直接移植到其它平台上。 3 基于LabVIEW的虚拟仪器技术发展历程与研究进展 进入80年代，计算机在测试与控制领域应用越来越多，NI的工程师们意识到：需要一种强大的软件平台，让用户通过他们的计算机获得更简单有效的测试与控制。苹果公司的Macintosh为这种即将诞生的图形化软件语言提供了一个最好的环境:G语言。不久后,也就是1983年6月,NI为基于计算机的测量和自动化开发出的一个软件包-LabVIEW问世。它的目标是简化程序的开发工作,让工程师和科学家能充分利用PC机的功能,快速简便地完成自己的工作2。1986年10月推出的LabVIEW 1。0 For Macintosh引发了仪器工业的革命。1990年1月，Macintosh机的第二版推出，它提供了图形编译功能，使得LabVIEW中的VI可以与编译C语言一样的速度运行。1992年，LabVIEW的多平台版本问世，使其可以在Macintosh、Microsoft Windows环境以及Sun Solaries等平台上运行。1993年10月，LabVIEW 3.0版本开发完成，同时提供给用户的是一个应用系统生成器(Application Builder），它使得LabVIEW的VI变成一个可以独立运行的程序3.为了支持更多的操作系统平台,1994年4月，LabVIEW for Windows 32推出,紧接着在同年10月又推出了LabVIEW for power Macintosh。1995年10月,LabVIEW for Windows 95开发成功。1997年5月，LabVIEW 4。0版本问世 。1998年2月，版本升级到LabVIEW 5。0 。1999年2月，LabVIEW for Linux问世,同年NI公司推出了基于Windows 95/Windows NT4.0的LabVIEW 5。1,它特别增加了网络功能,借着它的新NI DataSocket技术，用户可与其Internet启动应用程序共用数据，不用担心网络协议或数据格式,从而提高了开发网络应用程序的能力。2000年8月LabVIEW 6i 问世,不仅适用于更多的操作系统平台，而且将智能化测量与控制技术进一步扩展到了Internet网。2001年12月，版本升级到LabVIEW 6。1。2003年5月，NI公司推出了LabVIEW 7 Express版本，这是该公司LabVIEW图形化编程语言全系列产品的一次重要升级。它极大地简化了测量和自动化应用任务的开发，同时还将LabVIEW使用范围进行了扩充.其新特性包括Express VI（虚拟仪器程序）和交互式仪器控制与数据采集，并新增RT(实时）、FPGA和PDA模块.一年后，LabVIEW 7。1迅速推出，它将Express技术扩展到自动化测量技术和RT应用系统中。 经过二十多年的发展,现在的LabVIEW已经成为一个功能强大而又灵活的虚拟仪器和分析软件应用开发工具.基于LabVIEW的虚拟仪器技术的研究是虚拟仪器适应形势发展的必然要求.随着近年来互联网技术的发展,虚拟仪器网络化已经成为研究的热点之一.虚拟仪器不再局限于一台独立的PC机，仪器使用联接功能来分配工作任务变得越来越普遍，最典型的例子就是超级计算机、分布式监控设备及数据/结果远程可视化。另外，商业计算机（PC机)技术开始逐渐与嵌入式系统融合,虚拟仪器的功能也在进一步扩展，包括了更多嵌入式和实时功能.随着消费者对智能型汽车、电器和住宅等消费品需求的增加，嵌入式系统仍然会保持迅猛的发展势头。它的发展促进虚拟仪器实用性的开发,使其能应用到更多不同的领域中.下一代虚拟仪器将能够快速方便地与蓝牙(Bluetooth)、无线以太网和其他标准的网络技术融合。此外，虚拟仪器软件还要能更好的描述与设计分布式系统之间的定时和同步关系,以便帮助用户更快速地开发和控制这些常见的嵌入式系统4。 4 基于LabVIEW的虚拟仪器技术应用现状 LabVIEW自诞生以来,在研发设计、实验测试验证、生产测控等方面取得了广泛的应用,遍布电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工、科研、教育、军事等诸多行业领域。从交通监控系统到大学实验室,从部件自动测试到工业过程控制都有LabVIEW的存在，尤其在测试与测量领域，LabVIEW更是成为工业标准,其国际市场的占有率高达65，远远超过了其竞争对手5。这些都充分表明LabVIEW应用的广泛性和实用性。 目前,虚拟仪器在发达国家中的设计、生产、使用已经十分普及。在美国,虚拟仪器系统及其图形编程语言已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制.美国Geomatica公司利用基于LabVIEW的虚拟仪器技术开发的一套AgriMate自动灌溉系统,已成为当地农民监控用水、降低费用的有效工具6.阿尔卡特公司采用LabVIEW在很短的时间里开发了一套自动测试平台,用于测量Litespan系统中ISDN电话设备的比特误码率（BER）.挪威CARDIAC公司开发的基于LabVIEW 平台的测试海洋石油、大气、水流的MPFM系统7已经成功应用。在欧洲外壳石油钻探平台，LabVIEW实时软件运行在紧凑型FieldPoint I/O模块上，测量石油和天然气的压力和液位8。 我国虚拟仪器的设计、生产、使用起步不久。从90年代开始,国内的一些大学相继开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作，如:清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、国防科技大学、成都电子科技大学、中国科技大学等9.现在,国内已经有不少公司、科研院所进行虚拟仪器技术的研究。清华大学用G语言和虚拟仪器提升电工实验教学水平，改善了实验条件；该校机电系以LabVIEW 6i软件为平台,采用NI公司的多功能数据采集卡，并结合自行研发的采集装置，开发了一套具有采集分析和特征提取功能的先进脑电模型信号测量系统。相比以前的利用A/D转换器与计算机进行并口 5 通讯的方式,大大减少了开发周期，提高了测量质量，而且界面美观、接口方便.中国科学院构建了基于LabVIEW的同步辐射实验系统。系统应用表明，G语言有利于实验室标准化和实验系统的持续发展更新，非常适用于同步辐射这种大型综合实验.上海毛麻科学技术研究所应用NI的DAQ和LabVIEW，构建了数据检测处理系统，用于服装面料的质量测定.从1998年投入使用以来，提高了整个质量测定系统的精确度和稳定性.上海法雷奥汽车电机雨刮系统有限公司利用LabVIEW和NI公司的数据采集卡,研制了一套在线检测系统，已成功地应用到大众宝来A4轿车雨刮器电机生产中，在线测试电机电性能及电机振动量，同时进行测试数据存储及条形码打印。上海聚星仪器有限公司是NI在中国的联盟商之一（VI Service Network)，致力于汽车电子、电信产品的测试与测量，运用LabVIEW和NIDAQmx，仅仅在一个月的时间内就完成支持2。5G手机的整个EDGE测试系统的集成.解决方案与原先的传统解决方案相比，成本降低了将近一半，同时使测试能力得到大大扩展。THOMSON SDM在深圳的公司,利用NI公司的温度模块 (FP-TC-120)和湿度模块（FPAI-111）作为硬件，LabVIEW 6.1作为软件支持,动态实时地监控公司内二十多个试验箱内的交变温湿度.广西省也有利用LabVIEW开发平台,实现农作物繁育环境监测自动化、数据记录无纸化和参数统计图表化的试验案例.目前在诸多成功案例中，有不少正在向商业化发展。 5 前景 LabVIEW作为一个功能强大的图形化编程软件，是开发虚拟仪器的一种方便快捷的工具。作者认为,基于LabVIEW的虚拟仪器技术将沿着高性能、多功能、集成化和网络化方向发展。首先，性能将进一步提高.为了满足不同领域、不同用户的需求，LabVIEW的性能将不断增强,实时性也将越来越好.其次,目前虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准,使得资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，生产、维护和开发的费用降低,这些非常有利于LabVIEW应用范围的扩大。最后，随着Internet技术的发展，基于LabVIEW的虚拟仪器技术也必将朝着网络化方向发展。未来，网络化虚拟仪器将有无限的发展前景。继“计算机就是仪器、“软件就是仪器”概念之后，“网络就是仪器的提法也已出现，它确切地概括了仪器的网络化发展趋势11。利用网络和虚拟仪器技术建立设备远程监测及故障诊断系统是一个新的发展方向，它采用LabVIEW构造虚拟仪器的平台，再结合其它相关的技术如DataSocket技术和底层传输协议(TCP，UDP，DDE,PPC或Appleevent）编程等来实现远程网络监测与诊断。目前这一技术已经取得一定成果,远程联网监测分析技术也越来越得到重视。 基于LabVIEW的虚拟仪器技术还在向更广泛的领域发展。作者认为，把LabVIEW虚拟仪器技术应用到农业领域也有很大的发展空间.国外已经有在农业上应用的成功案例，国内目前应用的还很少，大多处于研究试验阶段。例如,利用LabVIEW开发农业气象实时监测系统，可以及时采集各种气象环境数据，为农业天气及灾害预报、病虫害预测预报以及农作物的栽培管理提供及时准确的信息。自动化、智能化、网络化和数字化将是今后农业发展的主要方向之一，而基于LabVIEW的虚拟仪器技术正是适应了这种现代农业的发展要求.因此，它将会在现代农业测试、农业自动化和农业信息化方面有所突破和发展.