虚拟电子测量仪器技术

摘 要 近年来出现的虚拟仪器突破了传统仪器的束缚，是仪器发展史上的一次革命。虚拟仪器技术是以计算机为核心的测试测量仪器组建技术，由计算机操纵，利用高性能的软硬件平台及模块化硬件板卡，结合高效灵活的应用软件，完成各种测量、测试任务。

【关键词】虚拟仪器 测量 LabVIEW

1 虚拟仪器概述

虚拟仪器（Virtual Instrumentation）是一种计算机控制的仪器系统，以通用化计算机作为核心的硬件平台，由使用者自己设计定义，具有计算机操作界面，测试功能由软件来实现。它通过应用程序，将通用化计算机与功能化硬件相结合，这样使用者可以通过友好图形界面，自己操作计算机，完成对被检测量的采集、判断、分析、显示、存储数据等功能。

1.1 虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器是以计算机为基础的软硬件测试平台，它可代替传统测量仪器并自由构建专有仪器系统。传统的测量仪器受到硬件的限制不能发挥很大的互联。而虚拟仪器将仪器硬件搭载到计算机平台，再加上应用软件，将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合，大大缩小硬件成本和体积，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理。

1.2 虚拟仪器系统的构成

虚拟仪器系统由硬件和软件构成，硬件是基础，软件是核心。基本硬件是计算机和信号采集调理部件。计算机自身包括微处理器、储存器、显示器等部件；信号采集调理部件为GPIB仪器控制模块，VXI/PXI，仪器模块/总线标准模块以及数据采集卡。软件构成主要有开发平台软件和用户应用软件。目前使用最多的计算机语言是美国国家仪器公司（national instruments，NI）的LabVIEW。LabVIEW全称laboratory virtual instrument engineering workbench（验室虚拟仪器集成环境），是功能强大灵活的仪器和分析软件应用开发工具，图形化，用图标来代替文本行，创建应用程序。

LabVIEW具有以下主要特点：图形化的仪器编程环境；高效内置的程序编译器；灵活的程序调试手段；数据采集与仪器通信应用的支持；数据处理和分析函数库；支持多种系统平台；开放式的开发平台等。LabVIEW程序包括三个部分：前面板、框图程序、图标和接线端口。前面板模拟真实仪器前面板；框图程序利用图形语言控制前面板上的对象；图标和接线端口把LABVIEW程序定义成子程序，实现模块化编程。

2 虚拟电子测量仪器概述

2.1 传统仪器测量系统概述

传统电子测量仪器，如信号发生器、逻辑分析仪、示波器、频谱分析仪等，都是硬件化的技术方案，因其结构上的先天局限性，决定了相互之间没有令人满意的互联与通信机制，不能实现充分的信息与资源共享，所以在不改变设计思路的情况下，难以组建成综合测试系统或电子测量平台，也就不能完成对被测系统的综合分析、评估，进而得出准确判断。

2.2 虚拟电子测量仪器集成系统设计概述

虚拟仪器技术是以计算机为核心的测试测量仪器组建技术，由计算机操纵，利用高性能的软硬件平台及模块化硬件板卡，结合高效灵活的应用软件，完成各种测量、测试任务；除信号的输入输出外，测量、控制、分析、变换、显示等功能均由软件来实现。

2.3 虚拟仪器与传统仪器测量系统比较的优点

虚拟仪器技术的优势是，使用者可以自定义专用仪器系统，功能灵活容易构建，应用面广。它符合“硬件软件化”发展趋势，被称作“软件仪器”。它的功能齐全且多样化，价格合理，因此具有很强的竞争力，在仪器计量领域有很大的发展空间。它主要有以下特点：软件是虚拟仪器的核心；性价比高；缩小仪器厂商与使用者之间的距离；扩展性强，开发维护费用低，可配置性强；有良好的人机交互界面；信息量大，测试过程完全自动化，数据可编辑、打印、存储，有完整的时间记录和测试说明；通过软、硬件的升级，可便捷地提升测试系统的水平和能力；信号电缆少，故障率低，有操作保护；系统开放、灵活，功能可更改，技术更新快；可以和其他设备互联；软、硬件都具有模块化、开放性、可重复使用及互换性等特点。

3 虚拟电子测量仪器设计原理

虚拟电子测量仪器的软件应用程序，由LabVIEW编程环境开发，动态链接库通过CLF节点调用，达到与USB控制器的互联通信。LabVIEW程序编写分为前面板和后面板，前面板有登陆界面和各个虚拟仪器界面。后面板是编程程序框图，对前面板的各个模块进行编程，再把它们整合在一起，组成一个大的、整体的程序框图。

程序设计中，使用软件模板提供的旋钮、按钮、开关、数字显示、图表、图形等控件，在前面板设置输入输出对象，按照使用者的实际需求，设计图形化交互界面。框图程序设计是图形化程序的源代码，与前面板一一对应，使用软件提供的结构控制、数值运算、字符串运算、数组运算、布尔运算、信号分析、波形处理、文件输入输出、仪器控制等控件，按照使用者的需求，控制和分配前面板的输入输出。程序中的数据信号根据程序逻辑关系，沿数据线流动，满足“数据流驱动”。

在虚拟电子测量仪器中，硬件部分由USB控制卡，信号发生卡和信号采集卡组成。12V电源供电，通过USB2.0连接到计算机，与软件连接相通。

参考文献

[1]林君，谢宣松等.虚拟仪器原理及应用[M]. 北京：科学出版社，2006.

[2]李江全等.虚拟仪器设计测控应用典型实例[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3]李江全，李玲，刘媛媛.案例解说虚拟仪器典型控制应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4]林继鹏，茹锋.虚拟仪器原理及应用[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5]石博强.虚拟仪器设计基础教程[M].北京：清华大学出版社，2008.

[6]张崇雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京：电子工业出版社，2007.

作者单位

榆林职业技术学院神木校区 陕西省榆林市 719300