15 虚拟仪器技术2004.docx

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1、1.5 虚拟仪器技术 通过前面的介绍，相信对虚拟仪器已经有了基本的了解，可能也很想在实际工程中应用一番。但是如何才能得到虚拟仪器呢？要想获得虚拟仪器的使用通常有两种途径： 一是，由专业的虚拟仪器系统集成商提供，他们具有丰富的、专业的虚拟仪器开发技能和经验。他们会按照你的要求为你专门设计开发虚拟仪器，并可提供专业级的维护和升级。这种方式特别适合仪器综合技术性能要求高，而应用面又比较窄的情况下。 二是，采用虚拟仪器技术由自己设计实现，通过学习和实践将自己塑造成为具有专业虚拟仪器开发技能和经验的开发者。只要掌握了一定的虚拟仪器技术，就可以按项目要求自行设计虚拟仪器。如果条件成熟，甚至你也可以发展成为

2、专业级的虚拟仪器系统集成商。 什么是虚拟仪器技术？本节将介绍什么是虚拟仪器技术以及虚拟仪器技术和虚拟仪器之间的关系。 1.5.1 虚拟仪器技术概述 首先要说明的是：我们之前所谈到的“虚拟仪器”概念和这里所要介绍的“虚拟仪器技术”概念是两个完全不同的概念。虚拟仪器指虚拟仪器技术的具体应用实例。通俗地讲：“虚拟仪器”是“虚拟仪器技术”的产物或结果。虚拟仪器技术指设计实现虚拟仪器的设计方法和高效的开发环境和硬件体系架构，包括软、硬件之间的有效连接，是一整套很复杂的现代技术集合。 事实上，美国NI公司不仅是虚拟仪器概念的创建和提出者，同时还创造、发明了一整套虚拟仪器设计、制造方法被我们称之为：虚拟仪器

3、技术。这其中包括一个开放的、灵活的虚拟仪器软件开发环境以及与软件平台相适应的硬件体系架构和管理体系。 NI公司良好愿景是：提供完整的与现代科学技术同步发展的虚拟仪器技术，让所有科学家和工程师都能够通过虚拟仪器技术来轻松地参与并主宰工业自动化测量和应用。简单的讲，采用虚拟仪器技术将降低科学家和工程师在工业自动化测量和应用方面的门槛。现在，世界上众多的科学家和工程师借助于NI公司的图形化系统设计平台，彻底改变了测试、测量与控制应用程序的设计开发。无论是否有相关的经验，工程师和科学家都能够迅速、高效地连接测量与控制硬件、分析数据、共享结果并发布最新的应用系统。 20多年来NI公司始终保持着这样的愿景

4、，从来未发生过动摇和改变。目前，NI公司也是全球唯一一个即可提供图形化系统设计开发平台，又可提供各种硬件模块支持的虚拟仪器技术专业制造、开发商。这种软、硬件都来自同一个公司的好处是：软件和硬件之间是无缝链接的，可以充分发挥和利用软、硬件的全部技术特性。当然，最大的受益者应该还是它的使用者。 虚拟仪器技术发展到今天，NI公司的宗旨就是结合现代科学技术不断的改进和提高虚拟仪器技术，并充分利用各种方式宣传、指导和推广虚拟仪器技术的应用。比如：利用网络资源无偿的提供视频技术讲座、技术文档（技术白皮书）、实例代码、开办社区论坛等。广大工程师和科学家充分利用这些资源深入探讨、交流虚拟仪器技术实例代码和应用

5、案例，从而更加促进了虚拟仪器技术的不断发展。 NI公司的商业运作模式是为系统集成商及科学家和工程师提供完整的虚拟仪器技术，并为虚拟仪器技术的应用提供全方位的技术支持。当然，这其中包括一些收费的技术培训和开发资质认证工作。换句话说，NI公司在提供虚拟仪器技术的同时，并不参与虚拟仪器系统集成的具体业务。这完全符合虚拟仪器的基本特点，由用户来定义或设计虚拟仪器的测量功能。唯一的例外出现在模块化仪器方面，为展示虚拟仪器特点提供一些应用程序实例。 几年来，我们通过在图形化系统设计平台上不断进行虚拟仪器设计和开发的实践，已经明显感觉到自身技术实力得到稳定地提升。其实，除了努力学习之外，找到一个理想的、适合

6、的工具图形化系统设计平台无疑是十分重要的一个因素。 实事求是的讲，虚拟仪器技术是一门综合性很强的工程设计、应用开发技术，是多种现代科学技术的完美融合。正是有了NI公司所提供的完整的虚拟仪器技术作为全面的支撑，虚拟仪器才有了今天的广泛应用。 为什么总是在强调NI公司所提供的虚拟仪器技术呢？我们先看看虚拟仪器技术的基本构成。虚拟仪器技术可以简单的分解为以下几个主要部分：虚拟仪器软件开发环境虚拟仪器硬件体系架构虚拟仪器管理体系架构 世界上有许多公司也在开发虚拟仪器技术，比如：各种硬件模块、分析处理软件等，但是在这三方面作的性能最好的、连接最有效的、系统级的只有NI公司。 NI公司的虚拟仪器技术体系架

7、构请参见图1.5.1-1。图中从上至下分别是系统管理软件、三种不同的开发语言环境、众多的硬件平台。 图1.5.1-1 下面就这几部分内容做以介绍，以期大家能够对虚拟仪器技术有一个更加深入的了解。 1.5.2 虚拟仪器技术之一虚拟仪器软件开发环境 软件在虚拟仪器中的重要性无须再多说了。软件指为计算机编写的程序集合，说到程序也必将涉及到计算机的编程语言。虚拟仪器技术中的软件开发环境应指针对某种计算机语言的程序设计、调试、发布等一系列编程环境。 其实，虚拟仪器程序设计，并非一定要局限在使用那种特定的计算机语言上，现有的许多种计算机编程语言，比如：象C+、C、C#、Java、VB、VC 等都可以实现虚

8、拟仪器的程序设计。但是纵观虚拟仪器的发展历史，可以说用于虚拟仪器程序设计的最方便、最好的编程环境还得说是NI LabVIEW。这早已经获得业界的一致公认。1.5.2.1 NI LabVIEW NI LabVIEW是NI公司20多年前推出的一个虚拟仪器软件开发环境，现已发展现已成为一个符合工业标准的多平台、多语言、多用途、一体化的系统级虚拟仪器技术软、硬件开发环境。 这其中包括了LabVIEW 图形化编程语言在内的虚拟仪器应用项目管理、调试、运行、发布等等一整套环节。 在虚拟仪器软件开发环境中，NI Developer Suite（NI 开发者套件）应该是一个最有效的、开放的、灵活的、适应多种需

9、求的虚拟仪器软件开发平台。其中包括三种不同的计算机语言环境：LabVIEW，LabVIEW是NI公司的旗舰产品。是强大、开放、图形化的虚拟仪器软件开发环境（也是本书要介绍的主要内容）。由于LabVIEW采用的是图形化的编程方法，所以无论是否有过编程经验的工程师或科学家使用它时都可以快速、高效地与测量和控制硬件通信，并进行数据分析及处理。LabWindows/CVI，它是一种久经验证的ANSIC集成开发环境，专为习惯使用C语言的工程师和科学家提供用于创建测试和控制应用的全套编程工具。NI LabWindows/CVI兼有ANSIC的耐用性、复用性和特定的工程性能，并适用于于仪器控制、数据采集、分

10、析和用户界面的开发。Measurement Studio，是一个专为Visual Studio 2005、Visual Studio .NET 2003和Visual Studio 6.0使用者设计的集成式套件，它包括用于测试、测量和自动化等应用的大量函数类和控件。Measurement Studio提供专为工程师们所设计的.NET和ActiveX用户界面控件、先进的科学分析和为测试应用而优化的数据采集(DAQ)和仪器控制类库等，从而大大缩短了应用程序的开发时间。 Developer Suite中还包括其它核心组件和一些可定制的专业工具包以及相应的驱动软件，这部分的内容可以通过NI公司的网站获

11、得，这里就不多谈了。 尽管NI公司为不同的虚拟仪器爱好者提供了不同的虚拟仪器编程环境LabVIEW，LabWindows/CVI， Measurement Studio，但受于本书的内容所限，我们还是以图形化化编程语言LabVIEW为表述主体。 1.5.2.2 LabVIEW LabVIEW是NI公司的旗舰产品，是一种图形化的计算机编程语言，这种创新式的编程语言目前已经发展成为图形化系统设计平台。数百万工程师和科学家们使用 LabVIEW图形化编程环境，借助于直观的图标和连线方法来开发复杂且类似流程图的测量、测试和控制系统。LabVIEW既能无可比拟地集成了数千款硬件设备驱动，也能通过上百个内

12、置库实现高级分析和数据的可视化。LabVIEW平台可在多个目标平台和操作系统中扩展，所以自1986年推出后便成为行业领袖。 从最简单的温度测量到对全球最大粒子加速器的高速控制，工程师和科学家们使用LabVIEW图形化系统设计平台已解决诸多应用难题。此外，用户还可将新的LabVIEW项目整合于现有系统，因为LabVIEW几乎能连接任何测量设备与设计工具。 图1.5.2.2-1在LabVIEW中，还包括了以下工具包：NI LabVIEW Signal ExpressDatabase Connectivity 工具包Internet 工具包Report Generation for MS Offic

13、e 工具包Advanced Signal Processing 工具包Digital Filter Design 工具包PID and Fuzzy Logic 工具包DataFinder 工具包 在实际接触LabVIEW之前，我们通常将计算机应用划分为软件设计和硬件设计两个体系，即便是在工程设计应用中也基本上是这样划分的。虚拟仪器的出现淡化了这两部分间的界限，因为我们似乎无须再关注如何进行硬件设计，设计的重点已经转向了软件设计方面。这对过去一直从事硬件电路设计的工程师而言是一个难以接受的事实，因为他们十分惧怕程序设计工作。可是基于图形化的编程语言LabVIEW的发明帮助我们解决了这个问题。这种

14、图形化的编程方法很适合我们，很适合我们的工程应用工作。特别是它在与硬件模块（NI的硬件模块）进行有效连接方面给于了更有力的支持。 在这样一个平台下，他们所缺乏的应该只有高效实现测量任务的“想像力”。换句话说，现在他们将关心的重点放在了测量任务的本身，而不是如何实现测量的问题。 1.5.3 虚拟仪器技术之二虚拟仪器硬件体系架构 在虚拟仪器设计中我们似乎已经回避了硬件设计的问题，这是因为NI公司已经把这些工作全部承担起来了。NI作为全球DAQ技术与市场的领先者，提供了基于各种总线的产品系列（USB, PCI, PCI Express, PXI, PXI Express, wireless, and

15、 Ethernet等），并不断融合最前沿的商业技术，打造一个“数据采集超市”，让工程师们根据自身应用需求选择最适合的一款，实现工程创新！ 图1.5.3-1图1.5.3-2 实际上，NI提供的硬件产品几乎涵盖了所有工业应用领域。 1.5.4 虚拟仪器技术之三虚拟仪器管理体系架构NI TestStand NI TestStand是一个简单易用的测试管理环境，用于组织、控制以及运行您的自动化原型开发、验证以及制造测试系统。 使用NI TestStand，整合使用您擅长的编程语言开发的测试程序，快速构建测试序列。NI TestStan基于一个高速的多线程执行引擎构建，其强大的性能可以满足您最苛刻的测试

16、吞吐量需求。同时该软件它是可完全自定义的，因此您可以对它进行 修改与增强，以满足各种特殊需求， 包括自定义操作员界面、生成自定义报告以及修改序列执行需求。使用NI TestStand，您可以将精力集中在测试一种特定的产品上，其他诸如序列化、执行以及报告等任务将由NI TestStand为您进行管理。 序列开发环境 调试 多线程并行测试 用户管理 可自定义的报告 可自定义的操作界面 源代码控制整合 数据库记录图1.5.4-1NI DIAdem NI DIAdem提供基于配置的技术数据管理、分析以及报告生成工具，交互式地帮助您对数据进行挖掘和分析。 快速进行数据搜索和挖掘，寻找趋势和相关性 载入并分析包含超过1000亿个数据点的数据集 使用交互式可视化工具研究数据、比较测试运行、寻找异常 创建可重用的专业报表，共享您的结果图1.5.4-2