摘要和目錄 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r s c i e n c e ，l a r g e s c a l ei n t e g r a t e d c i r c u i t t e c h n i q u e a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e ，t h er e g i o n o fi n s t r u m e n t t e c h n i q u e t a k e s p l a c e e n o r m o u s l y , a n dv i r t u a lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u eh a sd e v e l o p e di nt h er e g i o n t h ea p p e a r a n c eo f r e l a t e ds o f t w a r em a k e sv i r t u a li n s t r u m e n t st o r e p l a c et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sg r a d u a l l ya n dt o b e c o m eak i n do f m a i nt r e n di ni n s t r u m e n t a lr e g i o n t h et e c h n i q u eo fw e bb r e a k st h r o u g hr e s t r i c t so ft h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nm e t h o da n d m a k e sp e o p l em o r ec o n v e n i e n t b yt h e m o d i f i c a t i o no nt h es o f t w a r e ，s o m ed i f f e r e n tv i r t u a l i n s t r u m e n t sc a nb ed e v e l o p e d ，w h i c hi n c r e a s e st h es y s t e mf l e x i b i l i t yg r e a t l y w i t ht h eg r a d u a l o p e n i n go fe l e c t r o n i c sl a b o r a t o r y , t r a d i t i o n a lm a n a g e m e n tm o d eh a sb e e ni n c o m p e t e n tw i t hl a r g e n u m b e r so fd a t a ，s u c ha su s e ri n f o r m a t i o n ，e x p e r i m e n td a t a w h e nw e b t e c h n i q u ee x p a n d st ot h e r e g i o no fi n s t r u m e n t ，i n f o r m a t i o ns y s t e ma n dm e a s u r e m e n ts y s t e mc a nb el i n k e dw i t hn os e a m ，s o c u r r e n te l e c t r o n i cl a b o r a t o r yc a nb ed e v e l o p e dt ob eak i n do f v i r t a a lw e b l a b o r a t o r y , w h i c hm a k e s t h el i m i t e dr e s o u r c e sc a nb es h a r e df u r t b e s t as e r i e so fv i r t u a li n s t r u m e n th a sb e e nd e s i g n e ds u c c e s s f u l l yb a s e do np c i - 6 0 2 4 ed a q b o a r da n dl a b v i e w7e x p r e s ss o f t w a r et h em a i nw o r ko f m yp r o j e c ti st og e ts o m es o l u t i o no f e x p e r i m e n t a lm a n a g e m e n ts y s t e m ，b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t sw i t ht h ec o m b i n a t i o no fd a t a b a s e t e c h n i q u ea n dw e bt e c h n i q u e t h es y s t e mc a nm a n a g eu s e ri n f o r m a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t a e f f e c t i v e l y ，r e c o r dt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s ，a n dm a k et e a c h e r sr e a dt h er e p o r t sm o r ec o n v e n i e n t t h ea r t i c l e g i v e s t h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o n so ft h eh a r d w a r e s y s t e m ，s o f t w a r es y s t e m a n d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t w i t has e r i e so fv i r t u a li n s t r u m e n t sb a s e do n l a b v i e w7e x p r e s s ，t h ep r o c e s so fd e s i g n i n gav i r t u a li n s t r u m e n th a sb e e ni n t r o d u c e db r i e f l y t w od i f f e r e n ts c h e m ea n dt h e i r a d v a n t a g e so rd i s a d v a n t a g e sh a v e b e e np r o p o s e dt o r e a l i z e e x p e r i m e n t a lm a n a g e m e n ts y s t e mw i t haa p p l i c a t i o ns e r v e ro f t o m c a ta n dad a t a b a s eo f m y s q l t a k i n ga d v a n t a g eo f n e t w o r kt e c h n i q u ea n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e ，n e t w o r ke x t e n s i o no f v i r t u a li n s t r u m e n t sc a nm a k em o r er e s o u r c e st ob es h a r e do nt h ew e b a tl a s t ，a u t h o rg i v e st h e d e t a i ls o l u t i o n so f v i r t u a lw e b l a b o r a t o r ya n dp r o p o s e ss o m en o t i c e n e e d e dq u e s t i o n s 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 1 1 虛擬儀器 1 1 1 虛擬儀器技術的由來 電子技術的飛速發展及其在各方面的廣泛應用，對儀器的“智能”要求越來越高，儀器 中微機的任務不斷加重，儀器在很多方面逐漸向微計算機靠攏。此外，隨著微計算機和智能 儀器的普及，測試系統中包含的重復部件越來越多，而冗余的部件往往不能容錯。因此，需 要統籌地考慮儀器與計算機之間的系統結構。在這種背景下1 9 8 2 年出現了一種新型的、 與p c 機配合使用的模塊式儀器，自動測試系統結構也從傳統的機架層迭式結構發展成為模 塊式結構。與傳統儀器不同的是，模塊式儀器本身不帶儀器面板，因此必須借助于p c 機強 人的圖形環境和在線幫助功能，建立圖形化的“虛擬的”儀器面板，完成對儀器的控制、數 據分析與顯示。這種與p c 機結合構成的，包含! # 際儀器使用與操作信息軟件的儀器，稱為 “虛擬儀器”。它是計算機技術介入儀器領域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。 1 9 8 6 年，美國n i 公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 提出了虛擬儀器的概念，提出了“軟什即 儀器”的口號，徹底打破了傳統儀器只能由生產廠家定義，用戶無法改變的局面，從而引起 儀器和自動化工業的一場革命，代表著從傳統硬件為主的測量系統到以軟什為中心的測餐系 統的根本性轉變。簡單的說，一套虛擬儀器系統就是一臺工業標準計算機或。l 作站，配上功 能強大的應用軟件、低成本的硬件( 例如插入式板卡) 及驅動軟件，它們在一起共同完成傳 統儀器的功能。 從虛擬儀器概念提出至今，有關虛擬儀器技術的研究方興未艾。研究人員在虛擬儀器硬 件接口、虛擬儀器軟件及其設計方法等方面做了許多有意義的研究工作，并己開發了許多實 用的虛擬儀器系統，如 式儀器、總線式儀器、計算機化儀器等，其共同點是大多強調其軟 件面板、虛擬界面、控制環境以及數學模型和軟件方法。典型的虛擬儀器模式可以理解為， 除了信號的輸入和輸出以外，儀器的其他操作，如測量、控制、變換、分析、顯示等功能均 由軟件來實現，它們依據某種通用或專用總線標準或規約，或以某種接口形式，與計算機進 行通信，由計算機統一進行調度和管理的一種數字化儀器。 最初n i 公司提出的虛擬儀器概念實際上是一種編程思想，這種思想可簡單地表述為： 一個v i 可以由前面板、數據流框圖和圖標連接端口組成，前面板相當丁真實物理儀器的操 作面板，而數據流框圖就相當于儀器的電路結構。，隨著現代測試水平與儀器技術的發展，目 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 前虛擬儀器概念已經發展成為- - f e e g , j 新的儀器設計思想，成為設計復雜測試系統和測試儀器 的主要方法和手段。先進的計算機總線技術有力地促進了虛擬儀器技術的發展，包括高速總 線技術v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n s ) 、p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n s ) 、u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 、i e e e1 9 3 4 ( f i r e w i r e ) 、基于網絡的 遠程測量技術、智能虛擬儀器驅動技術i v i ( i n t e r c h a n g a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ) 等。 采用這些新技術的測試儀器，預計其技術性能可比傳統獨立的臺式儀器提高1 0 倍以上，而 且系統互換性和互操作性顯著提高。未來的電子測試儀器除了擁有更強大和更完善的功能之 外，體積將會更小，甚至可以移植到被測試的設備或電路中去，并且具有自我診斷、自我校 準和自我感知的能力。 1 9 8 6 年l o 月，美國n i 公司推出了圖形化虛擬儀器專用開發平臺l a b v i e w ，它采用獨特 的圖形化編程方式，編程過程簡單方便，是目前晟受歡迎的虛擬儀器主流開發平臺。在軟件 上，為了兼顧其他高級語言開發者的習慣，n i 還推山了l a b w i n d o w s c v i 、c o m p o n e n t w o r k s 笛交互式開發平臺。經過1 8 年的發展，n i 公司從止式發布l a b v i e wi 0 到目前的l a b v i e w 7 1 ，幾乎不到兩年就推出一個新版本，可見虛擬儀器技術進步的迅速。美國h p 公司的h p v e e 、t e k t r o n is 公司的e zt e s t 和t e kt n s 以及美國h e md a t a 公司的s n a p m a r t e r 平臺軟 件，也是國際上公認的優秀虛擬儀器開發平臺。目前，虛擬儀器技術已經在軍事、航空、航 天、通信、測試與測量、現代汽車、半導體、生物醫學等世界范圍的眾多領域得到廣泛應f | = j ， 如圖1 所示。 圈i 虛擬儀器技術的應用領域 1 1 2 虛擬儀器定義 所謂虛擬儀器，是指在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義t 具有虛擬 面板，其儀器的大部分測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統。儀器的面板由顯示 在計算機上的軟面板來代替，信號的獲取和信號的分析、處理、存儲及打印等功能完全由軟 2 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 件來實現。其實質是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制面板，以多種形式 表達輸山檢測結果：利用計算機的軟件功能實現信號數據的運算、分析和處理：利用i o 接口通信設備完成信號的采集與傳輸，最終完成各種測試功能”1 。 1 1 3 虛擬儀器的發展前景 虛擬儀器作為現代儀器儀表發展的方向，己迅速成為一種新的產業，尤其在發達國家中 發展更快，其設計、生產和使用已經十分普及。美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的 虛擬儀器制造國。到1 9 9 4 年底，虛擬儀器制造廠已達9 5 家，共生產l o o o 多種虛擬儀器產 品，銷售額達2 9 3 億美元，占整個儀器銷售額7 3 億美元的4 。到1 9 9 6 年，虛擬儀器己 在儀器儀表市場中占有l o 的份額。生產虛擬儀器的主要廠家n i 、h p 等公司，這些公司生 產有數百個型號的虛擬儀器產品。同時，虛擬儀器系統及其圖形化編程語言，在美國已作為 各人學理工類專業學生的一門必修課程。 國內虛擬儀器研究的起步較晚，最早的研究也是從引進消化n i 的產品開始。但從9 0 年代開始，國內的一些大學相繼開展了虛擬儀器系統的研究與開發工作，如：哈爾濱一l 業人 學、重慶大學、國防人學、成都電子科技大學、中國科技大學等，止在積極開展虛擬儀器的 研究工作，研制具有自主知識產權的虛擬儀器軟什平臺，并開發相應的虛擬儀器設備。國家 自然科學基金委員會已將虛擬儀器研究作為現代機械t 程科學前沿學科之一，并被列為“十 五”期間優先資助領域。國內專家預測，未來的幾年內，我國將有5 0 的儀器為虛擬儀器。 不久，我國將會有大批的企業使用虛擬儀器系統對生產設備的運行狀況進行實時監測。隨著 微型計算機的發展，各種有關虛擬儀器開發軟件不斷誕生，虛擬儀器將會逐步取代傳統的測 試儀器而成為測試儀器的主流。 1 1 4 虛擬儀器技術的優點 虛擬儀器技術就是基于p c 技術的、用戶自定義的測試和測量解決方案，其4 大優勢在 于：性能強性價比高、擴展性強、開發時間短，以及出色的集成功能”1 。 性能強性價比高 以軟件為主的測量系統，充分利用了常用臺式計算機及工作平臺的計算、顯示和互聯網 等的強人功能。雖然p c 機和集成電路技術在過去的2 0 年里有著顯著的發展和提高，但是， 軟件才是在功能強大的硬件基礎上創建虛擬儀器系統的真止關鍵所在。虛擬儀器是在p c 技 術的基礎上發展起來的，所以降低了系統的開發成本和維護成本，而且完全“繼承”了以現 3 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 成即用的p c 技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能強大的處理器和文件i o ，在數 據導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。隨著數據傳輸到硬驅功能的不斷加強，以及 與p c 總線的結合，高速數據記錄已經較少依賴人容量的本地內存。以一臺6 0 g 的示波器為 例，在采用虛擬儀器技術的情況下，只要將一臺基于p c 的數字轉換器放置在p c 機中，就能 以高達每秒i o o m b 的速度將數據導入磁盤。 另外，由于傳送的信號大多是數字信號，數據的處理兒乎是軟什實現的，從而大大降低 了環境干擾和系統誤差的影響。 擴展性強 虛擬儀器的硬、軟件具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點。為提高測試系 統的性能，可以方便地加入一個通用儀器模塊或更換一個儀器模塊，而不必購買一個全新的 系統，大大有利于測試系統的功能擴展。 虛擬儀器改變了傳統儀器由廠家定義、用戶：j 云法改變的模式。系統的功能、規模等可以 根據用戶的需要，通過軟件的修改、增減，方便地同外設、網絡及其它應用連接，為虛擬儀 器加入新的測量功能，故虛擬儀器可作為許多儀器設備來使用。 開發時間短 在驅動和應用兩個層面上，優秀虛擬儀器開發平臺已經將其高效的軟件構架與計算機、 儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起，給用戶提供最方便的、最靈活的操作以及強大 的功能，讓用戶輕松地配置、創建、部署和維護高性能、低成本的測量和控制解決方案。 另外，由于充分利用了計算機技術，將信號的分析、顯示、存儲、打印和其它管理集中 交由計算機來處理，完善了數據的傳輸、交換等性能，使得組建系統變得更加靈活和簡單， 增強了數據處理能力。 出色的集成 虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復 雜， 程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，但是這些不同設備間的連 接和集成總需耗費大量時間，并不是輕易可以完成的。虛擬儀器軟件平臺為夫部分i o 設備 提供了標準的接口，例如數據采集、視覺、分布式i 0 等等，幫助用戶輕松地將多個測昔設 備集成到單個系統，減少了任務的復雜性。 1 1 5 虛擬儀器的硬件系統 虛擬儀器的硬件平臺一般由兩部分組成：計算機和i o 接口設備。計算機，一般為一臺 4 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 p c 機或工作站，它是硬件平臺的核心。i o 接口設備，它主要完成對被測輸入信號的預處理 ( 如采集、放大、模數轉換) 。根據不同的總線及其相應的i o 接口設備，利用p c 機總線的 數據采集卡版( d a q ) 、g p i b 總線儀器、v x i 總線儀器模塊、p x i 總線儀器和串行總線儀器等， 虛擬儀器硬什系統構成方式大致如圖2 所示“1 。 + 1 信號調理f + | 數據采集卡 h 十，1g ，z e 接口儀器卜 | o p i b 口卡卜 測 | 串行口儀器j p l c | 控 i 一一 1 1p c 機 i 對 1 。1 似1 儀器 1 1 ll 曲v i e w 軟件平臺i 象 ii蹦x 1 儀器l 。r -7 。 | 現場總線( f i e l d b m ) 設備| 呻 f醣采集、d s ，卜+ - 7 l計算機網絡信號設備卜， 圖2 虛擬儀器的硬件系統 1 1 5 1 計算機系統 p c 機或工作站是虛擬儀器系統的核心，它完成數據的處理和結果的顯示。利用計算機 圖形顯示技術和多媒體技術，將復雜的數據計算和數據處理推向后臺，把測控的結果用數字、 曲線、圖象、圖形、聲音等形式提供給用戶。 1 1 5 2 接口硬件設備 d a q 系統 它是以數據采集板、信號調理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的插 式儀器系統，這 種系統采用p c i 或i s a 計算機本身的總線，將數據卡板插入計算機的相應插槽中即可，容 易普及使用。 g p i b 系統 g p i b 技術是i e e e 4 8 8 標準的虛擬儀器早期的發展階段，它的出現使電子測量由獨立的 單臺手1 二操作向大規模自動測試系統發展，典型g p i b 系統有一臺p c 機，一塊g p i b 接口卡 和若干臺g p i b 式的儀器通過g p i b 電纜連接而成。g p i b 測試系統的結構和操作命令簡單， 第一幸虛擬儀器技術的現狀及發展 適合在要求高精度，但不要求對計算機高速傳輸的情況下應用。 串口系統 它是以s e r i a l 標準總線儀器與計算機為硬什平臺的系統。包括符合r s 一2 3 2 標準的p l c 系統和單片機系統。 v x i 系統 它是以v x i 標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺的系統。v x i 總線是高速計算機 總線v m e 總線在儀器領域的擴展。由于它具有標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時 和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持等優點，很快得到廣泛的應用。 p x i 系統 p x i 總線在p c i 總線內核技術上增加了成熟的技術規范和要求形成的，增加了多板同步 觸發總線的參考時鐘、用于精確定時的星形觸發總線以及用丁相鄰模塊的高速通訊的局部總 線。標準的p x i 模塊化儀器系統有8 個插槽，還可與c o m p a c t p c i 交互操作，可與g p i b 或 v x i 集成，組成大規模、多用途的系統。 1 1 6 虛擬儀器的軟件系統 虛擬儀器軟件體系結構主要包含兩個層次：用戶應用程序和接口程序其中接口程序是 聯系用戶應用程序和底層硬件設備的基礎。每一種接口程序都是為了提高編程靈活性和數據 吞吐鼉而設計的。不管儀器使用的計算機或者操作系統是什么，最終編寫的用戶應用程序都 是可移植的。 當給定計算機的計算能力和必需的儀器硬件平臺后，構造和使用虛擬儀器的關鍵是應用 不同軟件實現不同的功能。虛擬儀器的應用軟件包含以下四個方面：集成的開發環境、儀器 的硬件接口和虛擬儀器的用戶界面、儀器數據庫。虛擬儀器最核心的思想：是如何利用計算 機的軟件和硬件資源，使得硬件拄術軟件化和虛擬化，晟大限度地降低系統成本，增強系統 的功能和靈活性”1 。虛擬儀器軟件系統框架從底層到頂層包括三個部分：v i s a 庫、儀器驅動 程序、應用軟件，如圖3 所示。 第一章虛捌儀器技術的現狀及發展 圖3 虛擬儀器的軟件結構 l _ l - 6 1v i s a 庫 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e e t u r e ) 庫實質就是標準的i o 函 數庫及其相關規范的總稱，一般稱這個i o 函數庫為v i s a 庫。它駐留于計算機系統之中， - 執行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，用來實現儀器的控制。對丁 儀器驅動程序開發者來說，v i s a 庫是一個可調劇的操作函數庫或集合。 1 1 6 2 儀器驅動程序 儀器驅動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合，是連接上層應用軟 件和底層輸入輸出( i o ) 軟件的紐帶和橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅動程序，儀 器廠商將其以源碼的形式提供給用戶，用戶在應用程序中調用儀器驅動程序。 1 1 6 3 應用軟件 應用軟件建立在儀器驅動程序上，主要包括儀器面板控制軟件和數據分析處理軟件，完 成利h j 計算機強大的圖形功能實現虛擬儀器面板，給用戶提供操作儀器、顯示數據的人機接 口，及數據采集、分析處理、顯示、存儲等任務。 虛擬儀器的應用軟件由f i = f j 戶編制，可采用各種編程軟件，如c 、b a s i c 、d e l p h i 等。在 當今這個信息時代提高軟件編程效率的關鍵是采用面向對象的編程方式，可視化編程語言 環境v i r t u a lc + + 、v i r t u a lb a s i c 的推出，在軟件開發上邁出了可喜的一步。目前。基于 c 語言的l a b w i n d o w s c v i 、加載在v i r t u a lb a s i c 下的c o m p o n e n tw o r k s 以及e l e c t r o n i c s w o r k b e n c hv 4 0 和v is u a l l a b 等，都使v c 和v b 成為強大的虛擬儀器開發平臺。此外，n i 公司還和m i c r o s o f t 合作開發了m e a s u r e m e n ts t u d i o ，專門為熟悉v b 或v c + + 語言的“| _ ：程技 術人員所設計的，用戶可以根據自己的需要選用v b 或v c + 十。m e a s u r e m e n ts t u d i o 集成了開 發虛擬儀器所需的控件對象、過程、方法或函數，這為具有v b 或v c 編程經驗的用戶開發慮 擬儀器提供了極人的方便”1 。同時。l a b v i e w 、h p v e e 等g 語言的推出也使得虛擬儀器開發更 加簡單易行。 第一章虛擬儀器技術的現狀鼓發展 虛擬儀器軟件的一個關鍵要求是能開發可重用的代碼模塊，并允許用戶從其它代碼模塊 中分級調用。 1 2 應用軟件解決方案 1 2 1v i s u a lc + + 環境下的虛擬儀器軟件設計 v i s u a lc 十十提供了能使高級語言與匯編語言混臺編程的編譯系統，使得編程人員對接口 軟什的開發較為方便【7 】。而且，用c + + 編寫的接口軟件能夠不作任何修改地被其它任何語言 編弓的用戶應用程序所調用，這非常有利于用戶應用程序的開發，也便于接口軟件的維護與 升級。c + + 與其他高級語言有良好的接口，便于程序間的相互調用。 以數據采集 為例，簡述v i s u a lc + + 環境下的虛擬儀器軟件設計原理，如圖4 所示： 接口程序 用戶應用程序 圖4 虛擬儀器軟件總體計框圖 數據采集模塊的主要任務是獲取初始化采樣 、給定采樣昔基址、定義控制字節，然后 啟動采集，對數據口進行讀、寫操作，最后將采集的數據送入數據管理模塊。 數據管理模塊接受來自a d 采樣昔或采樣數據文件的采樣數據，將數據進行預處理和 變換后送入虛擬儀器模塊，經過處理后的采樣數據如何顯示的任務交給虛擬儀器模塊的來完 成。 虛擬儀器模塊對應于具體的虛擬儀器。 1 2 2v i s u a lb a s i c 環境下的虛擬儀器軟件設計 v i s u a lb a s i c 是一種具有很好圖形用戶接口( g u i ) 的程序設計語言，同時又是一種完全 結構化程序設計的面向對象的程序設計語言，綜合運用了b a s i c 語言結構化特點及g u i 可視 化設計t ：具，各種控制器、f 拉式菜單、窗口、對話框等，非常適合虛擬儀器前面板的設計 開發。 v b 提供了豐富的a p i ( 應用程序接口) 函數。數據的采集由硬件完成，通過接口程序 在v b 下形成數據文什，運用各種不同的數據處理軟件，對數據進行處理，然后利用v b 豐 r 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 富的繪圖功能在虛擬界面上顯示動態波形。 1 2 3基于a c t i v e x 控件的虛擬儀器開發 簡單地說，a c t i v e x 是一種體系結構，它允許使用不同編程語言開發的軟件組件在網絡 環境中相互操作。a c t i v e x 體系結構使用了m i c r o s o f t 的組件對象模型及分布式組件對象模 型標準c o m ，允許不同的組件對象實現本地相互交談，而d c o m 則提供在網絡上對象 之間的通信4 1 。 a c t i v e x 引入了“軟件組件”的概念。因此，軟件不必再編寫成一個大型完整且獨立運 行的系統。為了能使軟件完成更大更復雜的任務，將其模塊化、獨立化，這種模塊就是“組 件”。并組件完成特定的任務，其發展方向是能跨應用程序、跨平臺、跨網絡運行。組件對 象技術徹底改變了目前軟件生產開發的模式，這種技術節省了開發時間、資金，使程序的二 次開發變得更加簡單高效。 基于軟件組件的概念，將虛擬儀器按功能劃分成若干模塊，如采集模塊、分析模塊、顯 示模塊。將儀器軟面板視作一系列開關、旋鈕、波形顯示面板等的集合。將各個實現不同功 能的模塊創建成a c t i v e x 控件，于是，構造虛擬儀器的工作便是按測試要求將各種a c t i v e x 控件組合在一起的過程。當測試系統要求改變時，只需將a c t i v e x 控件重組。這一技術充分 體現了虛擬儀器不同丁傳統儀器的一些優點：用戶自己定義、可重復利用。 目前，開發a c t i v e x 控什工具有v b ，v c + + ，d e l p h i 等。利用a c t i v e x 控件可創建基于 網絡平臺的虛擬儀器。 1 2 4l a b w i n d o w s c v i 下的虛擬儀器開發 l a b w i n d o w s c v i 是n i 公司推出的一套面向測控領域的軟件開發平臺。它以a n s i c 為核 心，將功能強大、運用靈活的c 語言平臺與數據采集、分析和表達等測控專業工具有機的結 合起來。它的集成化開發平臺，交互式編程方法，豐富的控件和庫函數大大增強了c 語言的 功能，使熟悉c 語言的開發人員在組建檢測系統、自動測量環境、數據采集系統、過程監控 系統時有一個理想的軟件開發環境。l a b w i n d o w s ，c v i 也是開發l a b v i e w 驅動程序的最好丁 具l 。 l a b w i n d o w s c v l 本身雖不能提供用于現代數字信號分析和處理技術的功能函數和模 塊。但它是一種文本式編程語言，可利用向導開發i v i ( i n t e l l e c t u a lv i r t u a li n s t r u m e n t s ，智能 虛擬儀器) 儀器驅動程序和創建a c t i v e x 服務器如建立l a b w i n d o w s c v l 與m a t l a b 之間 9 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 的接口，調用m a t l a b 功能函數，運行m a t l a b 環境f 的程序，以實現l a b w i n d o w s c v i 與m a t l a b 的混合編程，同時，它可以為其它工程開發c 目標模塊、動態鏈接庫( d l l ) 、 c 語言庫。其次，可生成脫離l a b w i n d o w s c v i 開發環境的虛擬儀器，用戶最終看見的是和 實際的硬件儀器相似的操作面板；l a b w i n d o w s c v l 具有強大的網絡功能，支持常用的網絡 協議，方便網絡儀器、遠程測控儀器的開發；對t 二經典數字信號處理技術，l a b w i n d o w s c v l 提供了用丁儀器控制、數據采集利分析的交互式a n s i c 編譯軟件包，用于快速樣機開發的 代碼生成工具和內部編譯器以及包含d a q 、g p i b 、p x l 、v x i 、r s 2 3 2 4 8 5 等各種儀器通訊 總線標準的所有功能函數。 1 2 5基于g 語言的虛擬儀器軟件設計 以上虛擬儀器軟件設計方案雖然行之有效但是對于普通的計算機用戶或工程師米說， 使用起來有一定的難度。然而，相應的測試軟件開發環境妖期以來并不理想。用戶花在編制 測試軟件上的工時與費用相當高，即使利用v c 、v b 、d e l p h i 等工具軟件也會感到開發周期 偏氏。以圖形化軟件編程方法和集成開發環境為標志的虛擬儀器開發環境是虛擬儀器技術研 究內容之一。近年來，各大儀器公司開發出了許多高效的基于圖形編程的虛擬儀器開發平臺， 其中最優秀的當屬n i 公司的l a b v i e w 和h p 公司的h p v e e ，它們都是面向儀器、檢測、 t ：業監控的圖形化通用編程語言。 h p v e e 是采用行業人員所熟悉的圖標等圖形化符號來代替文本程序語言，把復雜繁鎖、 費時的語言編程簡化成簡單、直觀、易學的圖形編程。與傳統的編程技術相比，它可節省 8 0 的編程時間，程序運行速度卻兒乎不受影響。v e e 編程語言還允許調用v c 、v b 等語 言編寫的程序，具有一定的開放性。h p v e e 提供了四十多個廠家制造的4 5 0 種儀器驅動程 序庫，還支持用戶根據需要用驅動器寫入t 具( d w t ) 編寫新的儀器驅動程序。這些儀器包括 g p l b 儀器、v x i 儀器，用戶可隨意調用儀器驅動器圖象組成的方框圖，以選擇任一廠家的 任一儀器。h p v e e 還具有一組數學運算及分析目標模塊庫，如信號處理、信號發生、數字 濾波、曲線擬合等目標模塊。編程時，只需調用所需要的驅動器圖象、目標模塊等，輸入相 關參數，并按人們所熟悉的測試流程用線條連接起來，就基本上完成了編程工作嘲。 l a b v i e w 采用數據流框圖編程，適合任何編程任務，也是一種通用編程語言。l a b v i e w 強人的硬什驅動、圖形顯示能力和便捷的快速程序設計為過程控制和j _ = 業自動化應用提供了 優秀的解決方案。日前，已經成為測試與測量領域的工業標準，通過g p i b 、v x l 、p l c 、 串行設備和插卡式數據采集板構成實際的數據采集系統。它具有工業界最大的儀器驅動程序 1 0 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 庫，同時還支持通過i n t e m e t 、a c t i v e x 、d d e 和s q l 等交互式通信方式實現數據共享，使 得復雜的測試任務變得簡單易行【”。 1 3 l a b v i e w 簡介 1 3 1基于圖形的集成化程序開發環境 l a b v i e w 是一種基于圖形的集成化程序開發環境，實現了虛擬儀器的概念，它是一套 專為數據采集與儀器控制、數據分析和數據表達而設計的圖形化編程軟件，增強了用戶在標 準的計算機上配以高效經濟的硬件設備來構建自己的儀器系統的能力。l a b v i e w 是一種結 構化解釋型開發平臺。結構化是指l a b v i e w 的程序完全支持順序結構、循環結構和條件結 構3 種標準結構。同時又是由模塊化的形式組成的，它的每一個子程序都稱為一個v 1 ， 子程序問可以互相調用。所謂解釋型是指用l a b v i e w 開發的軟件、無法在w i n d o w s 操作系 統門割安運行，所以軟件必須在l a b v i e w 的平1 芻支持r 運行，也就是說l a b v i e w 不能生 成真正的可執行( e x e ) 文件。 1 3 2面向對象的編程語言 l a b v l e w 又是一種面向對象的編程語言一一g 語言，程序代碼是框圖的形式。它像j a v a 或c 等其它計算機高級語言一樣，是一種通用編程系統，具有各種各樣、功能強大的函數 庫，包括數據采集、g p i b 、串行儀器控制、數據分析、數據顯示及數據存儲，甚至還有目前 十分熱門的網絡功能。 l a b v i e w 具有完善的仿真、調試工具，如設置斷點、單步等其動態連續跟蹤方式，可 以連續、動態地觀察程序中的數據及其變化情況，比其它語言的開發環境調試更方便、更有 效。與其它計算機語言相比，l a b v l e w 有一個特別重要的不同點：其它計算機語言都是字符 代碼行，而l a b v i e w 采用的是圖形化編程語言。對于熟悉儀器結構和硬件電路的硬件上程師、 現場工程技術人員及測試技術人員來說，編程就像設計電路圖一樣。 另外l a b v l e w 支持多種系統平臺。在任何一個平臺上開發的l a b v i e w 應用程序可直 接移植到其它平臺上。 1 4v i 程序簡介 使用l a b v i e w 開發平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為v l 。一個v i 由交互式用 1 1 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 戶接口、數據流框圖和圖標連接端口組成，各部分功能如f p j ： 1 v i 的交互式用戶接口與真實物理儀器面板相似，稱為前面板，如圖5 所示。前面扳 由控制、指示和修飾( d e c o r a t i o n ) 構成，可以包含旋鈕、刻度盤、開關、吲表和其他界面 【：其，允許用戶通過鍵盤或鼠標獲取數據并顯示結果。控制是用戶設置和修改v i 程序中輸 入量的接口，在某種意義上相當于c 語言中的輸入語句s c a r l f ；指示則用于顯示由v i 程序 產生或輸出的數據，相當于c 語言中的輸出語句p r i n t f i 修飾的作用僅是將前面板點綴得更 加美觀，并不能作為v i 的輸入或輸出來使用。 2v i 從數據流框圖接收指令。框圖是一種解決編稃問題的圖形化方法，如圖6 所示， 事實上，它就是v i 的程序代碼。每一個前面板都有一個框圖程序與之對應。框圖程序由節 點( n o d e ) 和數據連線( w i r e ) 組成。節點是v i 程序中的執行元素，類似于文本編程語言 程序中的語句、函數或者子程序。節點之間由數據連線按照一定的邏輯關系相互連接，可定 義框圖程序內的數據流運動方向。 圖5 前面板 圖6 數攆 流框圖 3 v 1 模塊化特性。一個v i 既可以作為上層獨立程序，也可以作為其他程序( 或子程序) 。 當一個v i 作為子程序時，稱作s u b v l 。v i 圖標( 如圖7 所示) 和連接端口( 如圖8 所示) 的功能就像一個圖形化參數列表，可以在v i 與s u b v i 之間傳遞數據。 第一章虛擬儀器技術的現狀及發展 圖7v i 圖表 p o l a r i t y 駕r i “s 。i n l g ；：i i ：| ；l l i i l i ：i ：o p “r e 。s h “o 。o “t ( 登) ( ) = 燃f 二卜 ( ) r e f e 州r e n 。c 。e b ”| 5 1 r 葡卸l j v e r s h o o e r r o r e r r o r )i l - , ：, , e r r o ro u t “n ( n o _ 曩l l p e r c e n tl e v e is e t t i n g s - _ 胡t l = = = = = = = = = m e a s u r e m e n t 第二章幕于l a b v i e w 的實驗管理系統設計 第二章基于l a b v i e w 的實驗室管理系統 設計 2 1 課題研究的內容和意義 隨著測控技術和計算機技術的不斷發展，越來越復雜的測試條件、高度自動化的工業化 大生產迫切需要功能更強大、成本更低廉、系統更靈活的新一代測試儀器。從模擬技術向數 字技術過渡、從單臺儀器向多種功能儀器組臺過渡、從完全由硬件實現儀器功能向軟硬件結 合方向過渡、從簡單的功能組合向以個人計算機為核心的通用虛擬測試平臺過渡、從硬件形 式向軟什包形式過渡，代表了今后電子測試儀器的發展方向。 實驗是大學理工科教育的一個重要環節，是提高學生動手能力，培養創造能力和綜合素 質的一個雖為有效的手段，很多學科都是以實驗課程為基礎的。缺少了實驗的支持，1 ：科學 科的科研活動就無法進行。然而，實驗系統是一個資源高度密集的系統，這包含三個方面： 1 實驗設備需要大量資金的投入。 2 實驗體系的建立和維護，需要大量的人力成本投入。 3 實驗教學需要大量的教師資源。 在個人計算機出現以前，高校實驗室一般采用功能單一、價格昂貴的傳統儀器來供學生 實驗中使用，投資費用較大，儀器的維護和保養也比較麻煩。隨著高等教育的不斷普及和發 展，對丁科專業學生的實驗教學要求進一步的提高，加劇了實驗系統不足的現狀。目前，在 我國的不少高等院校中所使用的教學實驗儀器，仍然是傳統的物理實驗儀器為主。自2 0 世 紀9 0 年代以來，在計算機技術的推動下，以虛擬儀器為標志的通用化、智能化和網絡化測 量儀器及測試系統得到了迅猛發展，使得測量儀器和數據采集系統的設計方法和實現技術產 生了深刻的變化。為了改善實驗條件、改革實驗教學方法和實驗手段、更新實驗教學內容、 提高實驗教學課程的開設水平，利用計算機技術和網絡技術，把虛擬儀器引入實驗教學已經 成為一種必然趨勢。 學校的規模不斷地擴大，學生的數量相應地增加，學生實驗的管理是一項比較復雜的上 作。傳統的實驗管理模式已經不能適應現代化管理的需要，手工的數據收集和處理顯得非常 凼難。隨著電子實驗室的逐步開放，虛擬網絡實驗室的建設，實驗者不僅僅只局限于在校的 第二章篳于l a b v i e w 的實驗管理系統設計 本專業學生，或只限于在實驗室本地進行實驗，這樣，用戶信息的收集和管理、實驗數據的 管理已經不是傳統管理模式所能勝任的工作。因此，結合數據庫技術和網絡技術建立一套實 驗管理系統是非常必要的。實驗管理系統是一個基于網絡的自動化信息系統，對用戶信息、 實驗數據進行有效的管理，實時地記錄用戶的實驗過程，方便實驗教師管理實驗、上交實驗 報告，批閱實驗報告，學生也可以隨時隨地( 有計算機和網絡的地方) 的進行實驗，使實驗 室實現真止意義上的開放。 2 1 1 研究內容 1 以l a b v i e w7e x p r e s s 為平臺開發山一系列虛擬實驗儀器，如虛擬函數信號發生器、 虛擬烈通道示波器、虛擬毫伏表、數字i o 等等。 2 結合虛擬儀器，用t o m c a t 作為w e b 服務器，后臺使用m y s q l 數據庫，進行實驗管理 系統的開發。 2 1 2 方案制定 應用程序之間的通信模式主要有三種：客戶機服務器( c s ) 模式、瀏覽器服務器( b s ) 模式利c s b 模式。c s 模式主要由客戶應用程序( c 1 i e n