虚拟仪器技术在实验室的应用研究

2013-11-23杜奔新

实验技术与管理 2013年12期

王超，李可，杜奔新

（北京航空航天大学航空与科学工程学院，北京 100191）

实验室是高校校内的实践基地，是培养学生创新能力和实践能力的重要场所，对培养具有实践和创新能力的高素质人才有着重要的作用［1］。在测控领域，随着低成本、高性能计算机的普及运用，采用虚拟仪器技术的数字化测量平台逐渐成为测量仪器的主流趋势。虚拟仪器技术利用计算机强大的计算能力和灵活的软件技术，在有限的硬件基础上，实现符合要求的、全新的测量仪器体系。与传统的测量仪器相比，它能够明显地提高实验的测量精度和实验的效率［2］。

虚拟仪器主要由硬件和软件两部分组成：其中硬件分为数据采集部分和数据分析显示部分；软件部分是虚拟仪器的核心，通过编制软件，可以实现众多的仪器功能。虚拟仪器的开发软件通常分为通用开发软件和专用开发软件。通用开发软件就是常见的高级编程语言，比如 Visual C＋＋、VB、Delphi、Java等；专用开发软件是指专业化的图形化编程软件，例如Lab－VIEW、LabWindow／CVI或者 VEE等［3－4］。

1 测控虚拟仪器开发软件的优势比较

在开发虚拟仪器的方面，专业开发软件（例如LabVIEW）比通用开发软件（例如Visual C＋＋）具有明显的优势。

Visual C＋＋是一种通用且强大的编辑语言，开发者具有较高的自由度，可以自定义具有独特个性的虚拟仪器，这是其他开发软件不能比拟的。LabVIEW是美国NI公司推出的业界领先的工业标准图形化编程工具，主要用于开发测试、测量与控制系统。它是一个开放性的开发环境，使用图标代替文本代码创建应用程序，拥有大量与其他应用程序通信的VI库。在开发虚拟仪器方面，LabVIEW比Visual C＋＋有以下几方面优势［5－7］。

（1）Visual C＋＋是一种传统的文本代码编程语言环境，而LabVIEW是一种图形化编程语言环境。图形化编程环境具有形象生动、便于理解的特点。通过LabVIEW的图形化编程语言，在开发过程中可以很快编写出所需要的程序界面。LabVIEW提供了丰富的图形控件，程序内容由一个个表示函数的图标和图标之间的数据流的连线构成。而使用Visual C＋＋编程就需要记忆复杂的语法和函数原型。因此，Lab－VIEW的图形化开发环境更符合通常的思维习惯，从而使编写程序的过程也变得简单、快捷。

（2）用Visual C＋＋编写的程序，是根据代码的语句和指令的先后顺序来决定程序的执行顺序。而LabVIEW采用数据流的编程方式，程序框图中结点之间的数据流向决定程序的执行顺序。

（3）在开发系统时，经常会用到多线程技术。在处理多个并行的线程的时候，用Visual C＋＋需要花费一定的时间和精力编写众多线程代码，用来提高程序的运行效率；而在LabVIEW编程环境中实现了自动多线程，不用再为定义线程去浪费时间和精力。这样便使处理器的性能得到充分的利用，尤其在多处理器的环境下，优势更加明显。

（4）为利用多种编程语言的优势，在进行混合编程时，Visual C＋＋能够和大多数的编程语言进行混合编程，通用性比较好，但是在调用其他语言时，编写的代码有时过于复杂。而LabVIEW也提供了大量的接口与外部语言进行混合编程。通过DLL、CIN结点、ActiveX、.NET或Matlab脚本节点等技术，可以轻松实现LabVIEW与其他语言的混合编程，在编写的过程中不用编写复杂的代码，有效地提高了编程效率。

（5）由于Visual C＋＋是通用性的软件，与底层硬件进行通信需要编写相应的代码，虽然其通用性比较好，但过程比较复杂、繁复，对于硬件设备的适应性不强。而LabVIEW为开发者提供了大量的驱动和专用工具，几乎能够和绝大多数硬件接口连接。这又省去了开发者许多的宝贵的时间和精力。

以上几点可以看出：LabVIEW在开发速度上具有绝对的优势。通常使用LabVIEW开发应用系统的速度比使用其他编程语言快4～10倍。这得益于图形化的开发环境和LabVIEW本身集成的大量驱动程序和函数库。因此，LabVIEW对于开发虚拟仪器更加具有针对性［8－9］。

2 Visual C＋＋与LabVIEW开发虚拟仪器应用比较

实验室引进先进的实验技术，可以减少人力和物力的浪费，极大地提高实验效率，同时也可以使学生紧跟技术前沿和科学技术的发展［5－6］。在实验室测控领域，基于虚拟仪器的数字化测量平台已得到广泛的应用。目前实验室比较常用的有Visual C＋＋和Lab－VIEW等开发平台。本文以本校实验室的环境模拟测控系统为例予以说明。

该实验室的环境模拟测控系统，利用计算机的接口连接外部硬件。通过接口，将要输出的控制信号传递给硬件，控制硬件的工作模式，同时将硬件工作产生的相关数据传递给计算机，通过软件处理，实现仪器面板上各个模拟环境变量的测量、显示等功能。整个系统由Visual C＋＋编写而成，人机界面友好、操作简单，可以满足实验室大部分实验的数据测控工作（见图1）。

图1 环境模拟测控系统硬件图

由于整个系统由VISUAL C＋＋编写而成，需要开发者对VISUAL C＋＋编程语言非常熟悉，而且整个编程周期比较长。然而，现在流行的测控软件LabVIEW对编写者的要求却不是很高，比较容易掌握，因此可以大大缩短系统的编写周期，提高系统编写的效率。

本文利用LabVIEW开发了与上述实验室的环境模拟测控系统相似的环境模拟测控系统，从中体会到LabVIEW确实可以极大地提高开发效率，主要体现在以下几方面。

2.1 系统程序的编程环境友好

LabVIEW的编程环境十分友好，它具有以下几方面的优点。

（1）编辑和调试方便。LabVIEW有开发、测试和调试等多种工具，其特点是：模块执行时为高亮度显示，可在单步模式下进行调试、使用线式探针和断点跟踪调试，可以跟踪和监视块间的执行流向，如果程序有错，就会给出错误列表信息。

（2）丰富的帮助体系。相关的“帮助”详细介绍了每个图标及其相关的内容，在线即时帮助窗口可迅速提供一般问题的解答、在线手册、错误代码、用户支持信息等。这些在开发系统的过程中，可以帮助用户更加快捷地完成系统的开发。

（3）LabVIEW提供了大量详细的实例帮助用户进行开发。开发系统时可以直接利用这些实例，也可以按照自己的需要进行修改，免去了从头开始建立程序的工作，从而也提高了开发效率。这些都是Visual C＋＋所不及的。

2.2 系统界面的搭建

LabVIEW的前面板集成了大量用于搭建界面的控件，无需用户重新筹划，只需用户根据需要制定人机界面。使用LabVlEW的图像控制工具箱生成的图形或引入其他绘图工具绘制的图形，都可以用来表示仪表符号和系统框图。用户可以很方便地搭建出自己所需要的软件界面。其控件丰富程度远远超过了Visual C＋＋的控件种类。与Visual C＋＋编程语言相比，可以极大地提高界面设计的效率。

2.3 系统程序的编写

所设计的环境模拟测控系统分为3层：顶层、逻辑层和驱动层。顶层负责人机界面和系统状态；逻辑层负责配置、数据处理、数据存储等；驱动层负责与硬件通信［5］。本系统主要是实现数据的采集和控制信号的输出。整个系统的组成除计算机和仪器之外，还必须建立仪器与计算机之间的通路以及上层应用程序。通路属于驱动层设计内容，上层应用程序属于逻辑层和顶层设计工作。通路包括总线技术和针对不同仪器的驱动程序，上层应用程序用于发送控制命令，仪器控制面板的显示以及数据采集、处理、分析、显示和存储等。

LabVIEW支持数千种仪器的驱动；支持多种总线的连接方式。在本系统的底层程序设计中，使用Lab－VIEW提供的VISA库函数［10］，不需要自己去编写与仪器通信的程序。VISA支持大多数仪器总线连接。本系统主要是通过串行总线实现仪器的控制，只需要通过VISA库函数进行配置参数就可以实现系统的I／O功能。而使用Visual C＋＋进行底层程序的设计，需要对仪器和总线有相当的了解，才能够编写底层程序，实现系统的I／O功能。如果使用Visual C＋＋开发系统，还需要编写纷繁复杂的代码，与LabVIEW相比，既增加了程序编写的难度，也增加了时间成本。

对于上层应用程序的设计，LabVIEW把复杂、繁琐、费时的代码语言编程简化为简单易懂的图形编程。LabVIEW是建立在目标定向和数据流程序设计基础上的，被连接的图标之间的数据流控制着程序执行的顺序。所以用LabVIEW开发系统，不需花时间去定义众多的变量；在编写所需的VI时，也不必考虑传统编程语言的许多语法细节，只需要在函数菜单中选择需要的函数，按照程序要求进行连线，即可实现数据流的流动。这样设计出的程序简洁、直观、易懂，便于提高开发效率以及后续的维护。

相比之下，Visual C＋＋需要严格按照文本代码的编写规范进行编写程序，尤其要注重代码的顺序指令。在Visual C＋＋开发的系统中，为了方便定义各个传感器采集数据的变量，优化数据结构，在Access数据库里面定义了所有的传感器变量［11］，需要繁复地定义要集数据采集硬件的信息，过程比较繁琐。

利用LabVIEW开发时，只需要通过VISA库函数就可以轻松地读出实时测得的实验数据值，通过简单的处理，即可实现数据的实时显示、处理和存储。特别是LabVIEW还以图形方式提供了大量的波形显示和信号分析处理功能，使得数据的显示和处理更加方便，也很容易发现错误并立即改正。与Visual C＋＋相比，利用LabVIEW作为开发工具，可以极大地节省时间。

在环境模拟系统开发过程中［12－14］，逻辑层的各项功能通常由数个较小的单元实现。在用LabVIEW开发系统时，各个单元都相互独立，由功能齐全的模块构成。这些模块可以独立运行、编辑和测试。本系统将文件配置、硬件配置、数据处理以及数据存储查询等功能均进行了模块化处理。这样就可以提高代码模块的可重复利用性，使得整个系统的结构层次比较清楚、有条理，可以方便地调试、测试模块的性能，轻松地集成到更高层次的系统内。与Visual C＋＋相比，这样的编程形式，可以极大地减少开发所用的时间，同时使整个系统结构更加的清晰，便于制定更加简洁高效的解决方案，也利于以后的系统维护。

3 结束语

在实验室测控领域，无论是在资金方面还是在技术方面，虚拟仪器都具有明显的优势，利用专业虚拟仪器软件进行测控领域开发有很好的前景。LabVIEW具有强大的用户界面，使用图形编程方法设计图形程序，使用数据流编程，具有可独立运行的应用程序，可提高用户的效率。与利用Visual C＋＋开发的虚拟仪器相比，利用LabVIEW软件开发虚拟仪器，不仅可以大大简化虚拟仪器的研制过程，明显缩短其开发周期，而且使多种仪器性能的改进和维护也变得更加容易。

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［1］刘湘梅.高校实验室建设的思考［J］.科技资讯，2012（31）：193，195.

［2］刘民岷，杨平，吴浩文.基于虚拟仪器的实验室建设［J］.实验技术与管理，2002，19（1）：93－95，101.

［3］尚振东，王群燕，韩建海.基于LabVIEW的虚拟仪器在测试技术实验中的应用［J］.中国现代教育装备，2007（1）：119－121.

［4］王英红，秦化渤，闫芳，等.LabVIEW虚拟仪器开发平台及其应用分析［J］.辽宁工学院学报，2004，24（5）：16－18.

［5］宋波，陈一民.关于虚拟仪器开发工具的比较与选取［J］.国外电子测量技术，2006，25（8）：1－5.

［6］时秋兰，赵伟，侯国屏.基于LabVIEW环境开发虚拟仪器的几点体会［J］.电测与仪表，2001，38（12）：29－33.

［7］张千锋.浅谈LabVIEW在语言程序实现中的优势［J］.机电产品开发与创新，2010，23（3）：119－121.

［8］陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社.2007.

［9］杨乐平，李海涛，肖凯，等.虚拟仪器技术概论［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［10］蒋薇，赖青贵，张晓波.基于LabVIEW的仪器通信技术研究［C］／／中国核学会2011年学术年会论文集：中国核科学技术进展报告第2卷.北京：原子能出版社，2011：44－47.