1、 课程名称: 虚拟仪器 学 院: 机电工程学院 专 业: 仪器仪表工程 姓 名: 刘 学 号: 4 2 论文介绍：经过一学期的虚拟仪器学习，对 LabVIEW 的使用有了更深入的了解，有很多思维和方法在今后的学习中值得借用，在此感谢万老师的辛勤付出。本论文主要论点：LabVIEW 的发展历史、研究现状及其展望，并分析与其它平台的比较优势，本人测控专业且目前研究方向主要涉及到 FPGA 的应用，所以文章分析了 LabVIEW 与 MATLAB 和 FPGA(现场可编程门阵列)等平台的融合，并在此基础上分析 LabVIEW 最新的应用实例，最后做出总结与展望。0.引言随着计算机技术、大规模集成电路
2、技术和通讯技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨人的变化， 美国于 1986 年首先提出基于计算机技术的虚拟仪器(Virtual lnstruments 简称 )的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就好象在操作一台自己设计的专用的传统电子仪器。它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。它由计算机、应用软件和仪器硬件组成。无论哪种虚拟仪器系统, 都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式 PC 或工
3、作站等各种计算机平台(甚至可以是掌上电脑) 上，加上应用软件而构成的 1。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。1.虚拟仪器发展历史及现状LabVIEW( Laboratory Virtual Instrument Engineering Work bench，实验室虚拟仪器工程平台) 是由美国 NI 公司( National Instruments ，国家仪器公司) 创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具，在实
4、验测量、工业自动化和数据分析领域有着重要作用。1.1 虚拟仪器发展历程现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物，随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展,新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念,电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在此背景下，1986 年美国国家仪器公司(National Instruments，NI)提出了虚拟仪器(Virtual Instrument，VI) 的概念 2。虚拟仪器的发展大致经历了三个发展阶段：第一阶段：早期的虚拟仪器，通用接口总线(GPIR)标准的建立。通过 GPIB
5、和 RS- 232 总线将计算机连接起来以实现与检测仪器的通信，从测量仪器获得数 据，并通过各种数据分析函数库等软件工具来完成对于数据的分析处理和显示。第二阶段：开放式仪器。随着微处理器和 DSP (Digital signal processing) 技术水平和性能价格比的不断提高，逐渐以标准的插入式数据处理卡 (Plig- in PC DAQ)，后来发展到即插即用的数据卡，来取代原来的传统测量仪器以完成数据 采集的任务。第三阶段：虚拟仪器在软件和硬件方面不断取得突破性进展。20 世纪九十年代虚拟仪器框架得到了广泛认同和采同。以面向对象技术为基础的虚拟仪器开 发软件已经成为标准的虚拟仪器开发
6、平台， 图形化编程成为主流，NI 公司的 LabView7.1 就是典型的代表。 1997 年，美国国家仪器( NI)推出了具有系统时钟、同步触发总线功能 PXI 总线，其具有 PCI 总线和 VXI 总线两者的优势。发展到这一阶段，人们认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自 动化的关键。 1.2 虚拟仪器研究现状虚拟仪器技术目前在国外发展很快，从二十世纪 70 年代的 GPIB，到 80 年代出现 VXI，再到 90 年代出现的 PCI 总线成为主流产品，直到 1997 年 NI 公司推出了 PXI 测平台，目前是多种平台共存的状态。以美国国家仪器公司(NI 公司 )为代表
7、的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为理工科学生的一门必修课程。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者用这些公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响力的开发软件，是 NI 公司的 LabVIEW 软件和LabWindows/CVI 开发软件。 LabVIEW 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI 是为熟悉 C 语言的开发人员准备的、在 Windows 环境下的标准 ANSI C 开发环境。除了上述的优秀开发软件之外，
8、美国 HP 公司的HP - VEE 和 HPTIG 平台软件，美国 Tektronix 公司的 Ez - Test 和 Tek - TNS 软件，以及美国 HEM Data 公司的 Snap - Master 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件 3。在国内已有很多院校的实验室引入了虚拟仪器系统，早期的有上海交通大学、暨南大学、华中科技大学、四川大学等。 华中科技大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“ 航空电台二线综合测试仪 ”将 8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构
9、建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。此外，国内己有几家企业在研制 PC虚拟仪器，哈尔滨工业大学仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列。目前，凌华、研华、研祥等诸多工控公司也纷纷踏入到虚拟仪器硬件的行业中来，开发以虚拟仪器开发平台的测控系统。2.LabVIEW 的比较优势尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为：虚拟仪器是在 PC 基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统，和传统仪器相比,虚拟仪器具有巨大的优越性：(1)融合计
10、算机强大的硬件资源,突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制,大大增强了传统仪器的功能；(2)利用计算机丰富的软件资源,实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源,增加了系统灵活性.通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理;通过图形用户界面技术,真正做到界面友好、人机交互；(3)虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点； (4)传统仪器开发和维护费用高，价格较昂贵,而虚拟仪器开发时间短，开发和维护费用低，价格低廉；(5)传统仪器技术更新周期长，一般为 5- 10 年,而虚拟仪器技术更新周期短，一般仅有半年至一年；(6)传统仪器中硬件是
11、关键, 而且固定、不灵活,而虚拟仪器软件才是关键, 其仪器硬件的软件化, 增加了系统灵活性；(7)传统仪器连接的设备数量有限, 而且功能单一, 使用不便。而虚拟仪器能支持计算机网络技术和接口技术，具有方便、灵活的互联能力，可以通过网络联络周边众多仪器，实现测量、控制过程的自动化、智能化、网络化。与传统仪器相比较, 虚拟仪器具有性能高、扩展性强、开发效率高、无缝集成等优势，用户可根据自己的需要,选用不同厂家的产品,使仪器系统的开发更为灵活,效率更高,缩短了系统组建时间。3.LabVIEW 与 MATLAB 的混合编程测试是虚拟技术成熟应用的领域,LABVIEW 是一种图形化开发环境，可以以最少的
12、成本、最快的速度开发出测试的应用程序。它具有强大的数据采集功能，直观的基于数据流的图形编程界面,灵活可扩展以及整体功能的完整性。MATLAB 是一种直观高效的计算机语言。它为数据分析和数据可视化 ,算法和应用程序开发提供了最核心的数学和高级图形工具。MATLAB 中有很多应用程序开发工具，工具箱，数据存取工具，状态流图，模块集，代码生成工具等。然而，LABVIEW 在数据处理分析方面没有 MATLAB 的功能强大，对一些简单的数据处理是可以的，对于处理比较复杂的分析 LABVIEW 就显得比较复杂了，都是通过调用模块来实现的,而它仅仅是拥有比较简单的一些模块，也仅仅是一种开发界面。MATLAB
13、 就不同了,它是一种语言 ,并且在数据处理方面是它的强项,可以根据用户自己的需要编写不同的数据处理程序。MATLAB 在数据采集及网络通信方面又远远不及 LABVIEW，所以 LABVIEW 与 MATLAB的结合会让搭建起来的测试系统更加完美 4。3.1 LabVIEW 与 MATLAB 混合编程的实现LabVIEW 与 MATLAB 混合编程的方法有很多，最简单的就是通过MATLAB Script 节点，只需要直接调用节点，将 M 文件写入脚本中即可，然后通过对 MATLAB Script 添加输入输出端子就可以实现 LabVIEW 与 MATLAB的交互数据 5。但是调用 MATLABS
14、 cript 节点会打开 MATLAB 界面，这样可能会干扰前台程序，并且脚本执行完毕后，MATLAB 也不会关闭。用该方法实现LabVIEW 与 MATLAB 的混合编程 ,简单,实用,其缺点是没有脱离 MATLAB 的环境,而只是将它在后台执行。图 1 是 LabVIEW 应用程序调用 MATLAB 函数的示意图。D D E 会话通道L a b V I E W 程序D D E 客户模块服务请求服务响应M A T L A B 应用程序D D E 服务器模块图 1 LabVIEW 调用 MATLAB 函数的示意图还有一种实现方法是利用 ActiveX 与 MATLAB 连接，ActiveX 是
15、微软公司推出的一个技术集的统称，这项技术可以使用重用代码,并能将多个程序连接在一起实现复杂的计算要求。LABVIEW 作为一个客户端支持 ActiveX 自动化，它可以调用其他的 ActiveX 控件，获得其属性和方法。图 2 示意了使用 Matlab 作为 ActiveX 服务器的一般工作流程：创建 M a t l a b对象向 M a t l a b传入数据调用 M a t l a b命令处理数据从 M a t l a b读取结果释放 M a t l a b对象图 2 Matlab 对象的使用过程作为 Active 客户 Matlab 实际上是一个 ActiveX 容器，它可以创建并控制在
16、其中的 ActiveX 对象。表 1 列出了 Matlab 中提供的操纵 ActiveX 对象的命令。表 1 Matlab 中的 ActiveX 控制命令命令 作用actxcontrol 创建一个 Activex 控制actxserver 创建一个 ActiveX 自动化服务器set 写接口的一个属性get 读接口的一个属性invoke 调用接口的一个方法propped it 请求 ActiveX 控制显示内建的属性页release 释放一个 ActiveX 对象一个简单的 LabVIEW 与 MATLAB 的混合编程，主要是通过 MATLAB 从文本中读取一组数据，再将这组数据交互给 Lab
17、VIEW，然后 LabVIEW 运用TCP 协议进行点对点通信。编写这个程序的目的只是希望能充分运用 LabVIEW与 MATLAB 各自的优点，能让虚拟测试系统更加的智能化。首先利用 MATLAB 想把文件名为“dw1.RWV”这样一个文件中的数据有效的读取出来，编写程序如下：%读取文本数据 dw 1.RWVfid=fopen(dw 1.RWV,r); %打开文件c=textscan(fid,%f,headerlines,81); %textscan 可以一行一行的读入 ,也可以跳过前面若干行。这里读取第 81 行的数据fclose(fid); %关闭文件y1=c1 %显示读取的数据 c 为
18、元胞数组,要从中把数据提取出来。因为该文件前半段是一些测量说明，真正有用的数据是后半段,所以采用了跳行读取，用 LabVIEW 不好实现，而用 MATLAB 就可以简单的将数据读取出来。再将读取的一维列矩阵转成一维行矩阵，这些都可以在 MATLAB 中简单的实现，而采用 LabVIEW 则比较复杂。3.2 LabVIEW 与 MATLAB 混合编程的实例LabVIEW 的每个程序就是一个 VI，它包括前面板和框图窗口 Function 选项板的 Mathematics/Formula 子选项板上访问 MATLAB 脚本节点，把脚本节点放置到框图上并调节合适的大小，使用 Operationing
19、 或 LabVIEW 工具直接向 MATLAB 脚本节点中输入脚本， 也可以在 MATLAB 脚本节点的快捷菜单中选择 Import 导入已进写好的脚本。MATLAB 脚本节点与它外部 LabVIEW 框图程序靠脚本节点的输入输出来连接，可以在脚本节点的快捷菜单中选择 Add Input/Add Output 添加输入输出 6。为了便于调试，在导入脚步到 LabVIEW 之前，先在 MATLAB 环境内编写并运行。使用 MATLAB 脚本节点的关键:(1) LabVIEW 使用 Active X 技术来实现 MATLAB 脚本节点，因此 MATLAB 脚本节点须在 Windows 平台上运行；
20、(2) Computer 上须安装 MATLAB 才能使用 MATLAB 脚本节点，因为执行MATLAB 脚本节点须调用 MATLAB 脚本服务器；(3) 因为 LabVIEW 和 MATLAB 是两种不同的编程语言，有各自的数据类型定义，所以结合应用时 LabVIEW 和 MATLAB 脚本节点内外数据类型须匹配。实现 MATLAB 脚本节点调用过程举例：将构建 MATLAB 脚本节点应 VI，目标是在 MATLAB 中产生并绘图显示给定数量的随机数，同时脚本还将计算随机数的平均值用于输出，如图 3、图 4、图 5 所示。 图 3 调用 MATLAB 脚本节点的框图程序图 4 调用 MATL
21、AB 脚本节点的前面板图 5 使用脚本节点生成 MATLAB 图MATLAB 与 LabVIEW 的结合可以让虚拟仪器更加的完善，让搭建起来的测试系统更加的智能化，在应用方面得到更大的扩展。4. LabVIEW 最新的应用实例现场可编门阵列(FPGA) 的广泛运用使得 FPGA 实验成为许多工科学生的重要课程之一，但是由于 FPGA 实验的硬件设备成本较高，实验室资源有限，再加上实验室的时间和空间限制，不能很好地满足所有学生的实验需求。目前校园 网络资源发展良好，在教学楼和宿舍公寓，学生都能很方便地使用网络资源，这为虚拟实验室的发展提供了良好的环境。通过基于虚拟仪器的 FPGA 实验平台，学生将不受时空限制地使用网络虚拟仪器，能够便捷地访问学校 FPGA 硬件资源，做一些 FPGA 的基础编程，并通过远程操作及观察实验程序的验证，让学生 对 FPGA 及 VHDL 语 言有基础的理解和运用，达到学校硬件设备的有效利用。基于虚拟仪器的 FPGA 实验平台是一个虚拟的 FPGA 实验平台，用户可以
