引言

20 世紀(jì)80 年代中后期，國外提出了“虛擬儀器”、“虛擬系統(tǒng)”的概念，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及其在測量與儀器上的應(yīng)用,測試領(lǐng)域的新理論、新方法以及儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn),突破了傳統(tǒng)儀器的概念,繼而開創(chuàng)了儀器儀表的新時(shí)代——虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)最核心的思想就是利用計(jì)算機(jī)的硬/軟件資源,使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化(虛擬化),以便最大限度的降低系統(tǒng)成本,增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和靈活性。

虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。其基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。在這里,硬件僅是為了解決信號的輸入輸出,軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。當(dāng)基本硬件確定了以后,就可以通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件甚至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替。虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)已成為儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，代表著一起發(fā)展的最新方向和潮流，是信息技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域，開創(chuàng)了個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器時(shí)代，是測量儀器工業(yè)發(fā)展的一個(gè)里程碑，其思想將更多地滲透到未來電子測量儀器和自動化測試技術(shù)的發(fā)展中去，有著廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 硬件組成

虛擬儀器的硬件平臺主要是解決信號的輸入輸出，由計(jì)算機(jī)和I/O 接口設(shè)備組成的,計(jì)算機(jī)是硬件平臺的核心,一般是工作站、工控機(jī),亦可以是普通的帶總線插槽的個(gè)人計(jì)算機(jī). I/O接口設(shè)備負(fù)責(zé)被測信號的采集、調(diào)整、放大,以及A/D 轉(zhuǎn)換。本文中硬件由工控機(jī)及其接口，數(shù)據(jù)采集卡和放大及濾波電路構(gòu)成，其原理框圖如圖1 所示：

本設(shè)計(jì)用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備是采用 NI 公司生產(chǎn)的1200 系列Lab-PC-1200，這是一種性能優(yōu)良低價(jià)位適合PC 及兼容機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡,它能夠完成信號采集(A/D),數(shù)字信號的模擬輸出(D/A)及定時(shí)/計(jì)數(shù)功能。它具有8 個(gè)12 位模擬量輸入通道, 2 個(gè)12 位模擬量輸出通道, 24 個(gè)數(shù)字量I/O 接口和3 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。Lab-PC-1200 輸出的模擬信號通過濾波器進(jìn)行濾波平滑、放大后即可使用。其中濾波器的選擇視輸出信號頻率范圍而定,放大倍數(shù)根據(jù)實(shí)際需要分不同的檔位。

2 儀器面板設(shè)計(jì)

儀器軟件開發(fā)采用的是美國 NI 公司的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI，它是基于C語言的半圖形化軟件開發(fā)平臺，將使用靈活的C 語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來，利用它的集成開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C 語言的功能，為熟悉C 語言的開發(fā)設(shè)計(jì)人員便于編寫檢測系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供的一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。面板設(shè)計(jì)過程包括創(chuàng)建控件和修改控件屬性兩部分，設(shè)計(jì)的前面板如圖 2 所示。

2.1 創(chuàng)建控件

用戶界面共 6 個(gè)控件：兩個(gè)Graph 控件，三個(gè)Ring 控件，一個(gè)Command Button.。啟動CVI 在工程窗口中選擇File→New→User Interface(*.uir)，打開用戶界面編輯窗口，在其中點(diǎn)右鍵，依次選擇Graph 控件，Ring 控件和 Command Button.，依次拖放好各自位置。

2.2 修改控件屬性

波形選擇 Ring 控件主要是要產(chǎn)生幾種波形選項(xiàng)，包括無，正弦波，三角波，鋸齒波，方波。雙擊Ring 控件進(jìn)行設(shè)置，將Label 設(shè)置為“波形選擇”將Constant Name 設(shè)置為“WAVEFORM”將Callback Function 設(shè)置“WaveFormChooseCB”,然后通過Label/ValuePairs…設(shè)置Ring 控件的選擇項(xiàng)。Graph 控件和Command Button 控件設(shè)置與Ring 控件類似。修改完成后，選擇 File→Save as，保存.uir 文件，其文件名為信號發(fā)生器.uir 保存，點(diǎn)擊Save 關(guān)閉保存文件對話框。

3 儀器程序設(shè)計(jì)

儀器的程序設(shè)計(jì)是整個(gè)虛擬儀器的核心部分，在用戶完成用戶界面設(shè)計(jì)后，CVI 可自動生成程序的框架以及缺醒消息處理函數(shù)，只要在這些函數(shù)中添加所需的代碼即可完成程序的設(shè)計(jì)。具體操作如下：在用戶界面窗口菜單中選擇Code→Generate All Code，點(diǎn)OK 鍵即可進(jìn)入代碼編輯窗口，即可生成程序的框架，限于篇幅有限，本文只寫出自己根據(jù)儀器需要自己編寫的部分代碼。首先在源代碼窗口main 函數(shù)上方輸入如下代碼聲明變量和函數(shù)，如

編寫調(diào)用函數(shù)show_wave()

當(dāng)點(diǎn)擊用戶界面上的波形選擇時(shí)，程序?qū)⒆詣訄?zhí)行WaveFormChooseCB 函數(shù)，實(shí)現(xiàn)函數(shù)波形和頻譜的產(chǎn)生并顯示。

添加完成以上代碼添加后，在源代碼窗口里選擇File→Save，以文件名信號發(fā)生器.c 保存源文件。

4 調(diào)試運(yùn)行

在工程窗口中選擇：Edit→Add Files To Project…→All Files，依次將前述用戶界面文件，源程序代碼文件以及自動生成的頭文件添加到工程文件中，現(xiàn)在已完成信號發(fā)生器.prj。選擇工程窗口Run→Debug 信號發(fā)生器_dbg.exe 執(zhí)行代碼，編譯過程中LabWindows/CVI 會發(fā)現(xiàn)程序缺少ansi_c.h 引用并彈出對話框詢問是否在源文件中加入引用語句，點(diǎn)擊Yes 添加該應(yīng)用文件，接著根據(jù)提示在運(yùn)行前保存對文件‘信號發(fā)生器.c’的修改。

運(yùn)行時(shí)，我們選擇鋸齒波為例，在波形選擇鍵選中鋸齒波，幅值為1.12V，頻率為62.39Hz，在波形顯示上得到一個(gè)鋸齒波并在頻譜顯示上顯示其頻譜，如圖3。

5 結(jié)論

本文通過以 LabWindows/CVI 為虛擬儀器的開發(fā)工具進(jìn)行虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)，充分利用了計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大信息處理能力和LabWindows/CVI 強(qiáng)大的開發(fā)功能與靈活的編程手段，最終實(shí)現(xiàn)了虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)，可以看出虛擬儀器給用戶提供了一個(gè)充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間，可根據(jù)用戶自己的設(shè)想及要求，通過編程來設(shè)計(jì)、組建自己的儀器系統(tǒng)，它的靈活、開放，技術(shù)更新周期短，可隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和用戶的需求進(jìn)行儀器與系統(tǒng)的升級，在性能維護(hù)和靈活組態(tài)等多個(gè)方面有著傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。