1 虚拟仪器及LabVIEW介绍
1.1 虚拟仪器概述
测量仪器发展至今，大体经历了四代历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。
由于微电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生了突破性的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司（National Instruments）在20世纪80年代最早提出虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念，同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包LabVIEW。NI公司宣称“The Software is the Instrument”，即“软件就是仪器”。在这里，计算机是虚拟仪器的核心设备，该仪器的功能是通过软件仿真实现的。它将传统仪器由硬件电路实现的数据分析处理与显示功能，改由功能强大的计算机来执行，所以计算机是其核心；当计算机与适当的I/O接口设备配置完毕，虚拟仪器的硬件平台就被确定，此后软件就成为仪器的关键部分，这也是“软件就是仪器”之说的来由。这意味着只要按照测量原理，采用适当的信号分析技术与处理技术，编制某种测量功能的软件就可构成该种功能的测量仪器。
虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响，同时对改善高校实验教学仪器设备，提高教学质量也是一个福音。
1.2labview简介
LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写
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程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。
1.3 虚拟仪器技术
1.3.1 虚拟仪器的定义
虚拟仪器（Virtual Instrument）是基于计算机的仪器。在计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器是基于通用计算机的测试、测量和控制系统，由于能充分利用计算机的软硬件资源，因此虚拟仪器具有功能强大、结构灵活和性价比高等特点，可在很大范围内替代传统仪器。虚拟仪器通常具有一个或多个友好的虚拟面板（人机界面），用户可通过虚拟面板很方便地进行操作。用户可对虚拟仪器的功能和用途进行定义、组合和扩展，从而更快、更省和更方便的解决测试、测量和自动化的应用问题。
下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。
被 测 对 象 信 号 调 理 数 据 采 集 卡 数 据 处 理 虚 拟 仪 器 面 板 图1-1 常见虚拟仪器应用方案
虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分组成。
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1.3.2 虚拟仪器硬件平台
(1) 计算机
它一般为一台PC机或者工作站，它是硬件平台的核心。虚拟仪器使用的个人计算机中，微处理器和总线成为最重要的因素。
其中，微处理器的发展是最迅速的，它使虚拟仪器的能力得到极大地提高。80年代末制造的虚拟仪器频率分析仪完成一个1024点的快速傅立叶变换需要1秒钟的时间；今天的系统可以在1毫秒内完成同样的运算，速度提高了一千倍。这意味着，如果以前人们是用虚拟仪器来做快速傅立叶变换观察信号，那么今天可以利用它进行高速的实时运算，并将之应用于过程控制和其它控制系统中。
总线技术的发展也为提高虚拟仪器的处理能力提供了必要的支持。PCI总线性能比ISA总线提高了近十倍，使得微处理器能够更快地访问数据。使用ISA总线时，插在电脑中的数据采集板的采集速度最高为2MBps；使用PCI总线时，最高采集速度可提高到132MBps。由于总线速度的大大提高，现在可以同时使用数块数据采集板，甚至图象数据采集也可以和数据采集结合在一起。
(2) I/O接口设备
I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、摸/数转换。不同的总线有其相应的I/O接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集卡/板（简称为数采卡/板，DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有5种类型，如图1-2所示。
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I/O接口设备 PC-DAQ GPIB仪器 被测信号 串口仪器 计算机 VXI模块 PXI模块
图1-2虚拟仪器的构成方式
·PC—DAQ系统
PC—DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用计算机本身的ISA总线，将数采卡/板（DAQ）插入计算机的空槽中即可。
·GPIB系统
GPIB系统是以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。
·VXI系统
VXI系统是以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。
·PXI系统
PXI系统是以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。
·串口系统
串口系统是以Serial标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。
无论上述哪种VI系统，都通过应用软件将仪器硬件与计算机相结合。 考虑到PC—DAQ插卡式虚拟仪器在五种虚拟仪器系统中，是虚拟仪器最基
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本最廉价的构成形式。在经费不足或时间不充裕的情况下经常被采用，下面就对这种虚拟仪器系统做简单的介绍。
它的硬件平台主要有PC计算机和数据采集卡（DAQ卡）组成。 数据采集卡（DAQ卡）由以下几个部分组成：
1. 多路开关。将各路信号轮流切换的放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。
2. 放大器。将前一级多路开关切换进入待采集信号放大（或衰减）至采样环节的量程范围内。通常实际系统中放大器作成增益可调的放大器，设计者可根据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。
3. 采样保持器。取出待测信号在某一瞬时的值（即实现信号的时间离散化），并在A/D转换过程中保持信号不变，如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样/保持器。
4. A/D转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，目前通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。
以上四个部分都处在计算机的前向通道，是组成数据采集卡的主要环节，与其它有关电路如定时/计数器、总线接口电路等集成在一块印刷电路板上，即构成数据采集卡（DAQ卡），完成对信号数据的采集、放大及模/数转换任务。
PC--DAQ插卡式虚拟仪器系统充分利用了PC计算机的机箱、总线、电源及软件资源，但是因而也受到PC计算机机箱环境和计算机总线的限制，存在诸多的不足，如电源功率不足、散热条件差等。
1.3.3 虚拟仪器的软件
开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两类。
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文本式编程语言：如C ,Visual C + + , Visual Basic等 图形化编程语言：如 LabVIEW,HPVEE等
这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。本文中，虚拟仪器设计所涉及的是LabVIEW虚拟仪器编程语言。
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