基于虛擬儀器的虛擬實驗應(yīng)用研究

蘇培華

（西安外事學(xué)院 陜西 西安710077）

實驗是人類認(rèn)識世界的一種重要方法， 與理論教學(xué)相比，在直觀性、實踐性和創(chuàng)新性方面實驗教學(xué)更具優(yōu)勢。 然而傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式中往往發(fā)生一些不盡如人意的情況，如受時間和空間的制約嚴(yán)重、實驗場地和設(shè)備不足、實驗經(jīng)費投入不足、師資配備不足、實驗內(nèi)容、教學(xué)方式陳舊等。 為了解決上述問題，各種不同的實驗方法應(yīng)運而生，隨著虛擬實驗技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，將虛擬實驗應(yīng)用于實際工作開始成為它的發(fā)展方向。 目前很多國內(nèi)外組織都已經(jīng)開展了虛擬實驗系統(tǒng)的研究和建設(shè)工作，特別是在一些著名的大學(xué)和研究所中，已經(jīng)建好并投入使用了一些虛擬實驗系統(tǒng)，而且這項工作在國外的開展情況優(yōu)于國內(nèi)。

LABVIEW 是NI[1]公司研發(fā)的一套開發(fā)平臺軟件，主要是實現(xiàn)虛擬儀器的軟件開發(fā)，與其他程序設(shè)計軟件不同，它是一種圖形化的編程語言—又被形象地稱為G 語言[2]，顧名思義，它能夠以更加直觀的編程方式、更加多樣的表達(dá)分析功能，更加快捷地為用戶構(gòu)建自己所需的虛擬儀器。 特別是在進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試和儀器實現(xiàn)等方面，作為一種面向用戶的編程工具，LABVIEW 可以幫助使用者提高工作效率[3]。 因此，LABVIEW 被廣泛地應(yīng)用于教育界、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和各級實驗室，并被視為數(shù)據(jù)采集和儀器控制的標(biāo)準(zhǔn)軟件。

由于LABVIEW 采用的是這種直觀的圖形編程方式，它能夠?qū)⑵渌幊陶Z言繁瑣的語言編程程序簡化成為利用菜單提示方式進(jìn)行功能選擇，并且各種功能只需要用線條連接，操作簡便可行， 初學(xué)者亦很好掌握， 深受專業(yè)用戶及新手的青睞。與傳統(tǒng)的編程語言相比，圖形編程方式能夠節(jié)省八成以上的開發(fā)設(shè)計時間，但程序運行速度卻基本不受影響，具有極高的效率。 此外，利用LABVIEW 開發(fā)的虛擬儀器產(chǎn)品，用戶可以方便地根據(jù)實際需要重構(gòu)新的儀器系統(tǒng)[4]。

1 使用LABVIEW 設(shè)計虛擬儀器的方法

作為一種圖形化的編程語言， 在使用LABVIEW 編程時基本上不需要進(jìn)行代碼的編寫， 取而代之的是使用流程圖來進(jìn)行程序的編寫[5]，利用對專業(yè)術(shù)語、圖標(biāo)和各種概念的熟悉認(rèn)知，LABVIEW 為用戶提供了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和儀器編程系統(tǒng)虛擬化的便捷途徑。

LABVIEW 圖形化程序設(shè)計的方法是在面向?qū)ο蠹夹g(shù)及數(shù)據(jù)流技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)設(shè)計的， 不同對象間的數(shù)據(jù)流決定了程序的執(zhí)行順序， 這與其他傳統(tǒng)程序設(shè)計語言中的使用的線性執(zhí)行順序有所不同， 除此之外用戶還可以通過連接不同功能模塊實現(xiàn)應(yīng)用程序的快速開發(fā)。 大家所熟知的傳統(tǒng)控制流程執(zhí)行部分在此被形象地圖形化描述為邊界結(jié)構(gòu)，用戶利用應(yīng)用程序生成器即可方便地生成虛擬儀器， 具體程序設(shè)計步驟如下[6]：

1) 確定設(shè)計方案。用戶利用專業(yè)知識對所需設(shè)計的虛擬儀器進(jìn)行總體功能設(shè)計， 力求使虛擬儀器具有實際儀器的所有功能。

2) 根據(jù)功能建立前面板。 利用LABVIEW 的控制模塊，從中選擇對象， 按設(shè)計方案及實際儀器面板布局進(jìn)行虛擬儀器前面板的確立。

3) 確立程序設(shè)計流程圖。 鑒于LABVIEW 的流程圖是圖形化的， 用戶可以方便的從功能模塊上選擇實現(xiàn)方案功能的各圖標(biāo)對象，并使用連線進(jìn)行連接，從而實現(xiàn)不同對象間的數(shù)據(jù)傳遞。

4) 數(shù)據(jù)流程序設(shè)計。 各模塊中的數(shù)據(jù)流即程序的執(zhí)行順序。

5) 模塊化設(shè)計。 同其他高級語言相同，LABVIEW 在建立虛擬儀器時采用的是模塊化的設(shè)計方案， 也就是說， 利用LABVIEW 設(shè)計的虛擬儀器既可以獨立運行，也可以被作為其他虛擬儀器的一部分來使用。 這樣可以對模塊進(jìn)行自我補充，為以后的使用帶來方便，更進(jìn)一步提高了開發(fā)設(shè)計的效率。

鑒于以上設(shè)計方法，文中僅以虛擬示波器為例，簡單介紹使用LABVIEW 建立虛擬實驗儀器的過程。 其他虛擬儀器的創(chuàng)建方法可按照該方法進(jìn)行擴展， 最終構(gòu)建出滿足用戶使用要求的、具有完整功能的虛擬實驗系統(tǒng)。

2 基于虛擬儀器的實驗設(shè)備開發(fā)過程

為保證設(shè)計開發(fā)的虛擬示波器具有傳統(tǒng)示波器應(yīng)有的功能，首先確定虛擬示波器應(yīng)具有以下功能[7]：

1)電壓幅值的測量。 即可以測量直流信號、交流信號的電壓幅值。

2)信號頻率的測量。 即可以測量交流信號的周期，并以此換算出交流信號的頻率。

3)波形的顯示。 即可以在虛擬示波器前面板上顯示交流信號的波形如正弦波，方波等。

4)單通道測量。 即兩個通道可以分別進(jìn)行信號測量。

5)雙通道測量。 即可以在屏幕上同時顯示兩個信號的波形，也就是雙蹤測量功能。

為了實現(xiàn)上述功能， 示波器前面板應(yīng)具有相應(yīng)功能按鈕，具體設(shè)計如下：電源按鈕，掃描速度旋鈕，電壓選擇旋鈕，上下調(diào)整旋鈕，左右調(diào)整旋鈕，電壓標(biāo)準(zhǔn)旋鈕，掃描速度標(biāo)準(zhǔn)旋鈕，為同步旋鈕，為亮度調(diào)整旋鈕，為聚焦調(diào)整旋鈕以及各種功能選擇鍵等。

在對虛擬示波器功能設(shè)計后， 開始利用LABVIEW 進(jìn)行虛擬示波器的圖形化設(shè)計。 虛擬儀器創(chuàng)建首先從前面板的創(chuàng)建開始， 前面板的設(shè)計中需要將虛擬示波器的全部功能具體體現(xiàn)出來，在對功能明確之后再進(jìn)行程序框圖的編寫。在本次設(shè)計中，需要使用數(shù)據(jù)變量初始化，選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計，循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及部分的數(shù)據(jù)處理函數(shù)， 這寫程序設(shè)計思路同其他高級編程語言類似，只是將代碼轉(zhuǎn)化成了更易于理解的圖形。同時還要用到LABVIEW 為用戶提供的各種控件， 如信號生成控件VI、旋鈕控件VI 等。 最后，在程序框圖的編寫過程中，還需要自行創(chuàng)建多個LABVIEW 子VI， 通過集成控件及自行設(shè)計子用于各虛擬元器件部分功能的實現(xiàn)。

按照LABVIEW 的開發(fā)過程， 首先設(shè)計虛擬示波器的前面板。模仿實際示波器前面板，這里設(shè)計了各種按鈕、旋鈕、圖形對象、控制對象，并設(shè)計出顯示區(qū)域，通過鼠標(biāo)鍵盤等輸入設(shè)備以及各種旋鈕設(shè)置輸入振幅， 頻率偏移以及交流直流判斷等輸入值并最終在虛擬現(xiàn)示屏上觀察輸出量。 通過點擊工具模板上的控件可以增減按鈕及旋鈕的數(shù)量， 位置也可以自己設(shè)置， 雙擊操作工具或標(biāo)簽工具中的數(shù)值欄可以改變數(shù)字控制中輸入值， 從而實現(xiàn)虛擬示波器前面板的功能按鈕分布及功能參數(shù)修改，真正實現(xiàn)與實際示波器的功能對接。參照實體示波器進(jìn)行位置調(diào)整后，虛擬示波器的前面板如圖1 所示。

圖1 虛擬雙蹤示波器前面板Fig. 1 Front panel of the virtual oscilloscope

其次進(jìn)行虛擬示波器的程序框圖設(shè)計。具體過程如下：在前面板窗口中點擊主菜單windows，并從中選擇程序框圖，這樣既可切換到框圖程序窗口， 該窗口可以顯示出與前面板對象對應(yīng)的各個端口。 根據(jù)示波器實際功能各變量之間的相互關(guān)系，在功能模板中找到實現(xiàn)該功能所需的節(jié)點，然后將節(jié)點圖標(biāo)放置到框圖程序窗口中并用數(shù)據(jù)連線將所需各端口以及相應(yīng)節(jié)點的圖標(biāo)連接起來（一定要注意端口，節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流），這樣一個完整的框圖程序就完成了。 這一部分充分體現(xiàn)出了LABVIEW 作為一種圖形化編程語言的優(yōu)越性， 用戶可以方便的在程序框圖窗口中增加和減少端口， 調(diào)整端口的位置，控制端口與節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流，從而快速地進(jìn)行控制的修改。 上述前面板對應(yīng)的虛擬示波器的程序框圖如圖2 所示。

圖2 虛擬雙蹤示波器程序框圖Fig. 2 Program diagram of the virtual oscilloscope

為了方便以后的使用， 這里將已完成的虛擬示波器模塊化，也就是創(chuàng)建虛擬示波器對應(yīng)圖標(biāo)。 在LABVIEW 中，一個虛擬儀器的圖標(biāo)就是某一虛擬儀器的參數(shù)列表， 用戶可以通過該圖標(biāo)設(shè)置其參數(shù)， 同時其它的虛擬儀器也就能將數(shù)據(jù)傳輸給子儀器。若一個虛擬儀器建立了自己對應(yīng)的圖標(biāo)，并且可以和其它子儀器連接，這個虛擬儀器即成為高一級的程序，也就可以被其它程序或子程序進(jìn)行調(diào)用， 從而實現(xiàn)了LABVIEW 的模塊化功能。 此次設(shè)計的虛擬示波器除了可以單獨實現(xiàn)各項測量功能外， 還可以作為一個功能模塊連入其他設(shè)計中，極大地方便了以后的使用。

最后對上述虛擬示波器進(jìn)行運行測試。 無論使用哪種編程語言， 開發(fā)設(shè)計后的運行和調(diào)試程序都是至關(guān)重要的一個步驟。在LABVIEW 中，程序的運行可以通過運行和連續(xù)運行兩種方法進(jìn)行，其運行結(jié)果可以清晰地顯示出來。如果某個虛擬儀器程序在語法上存在錯誤， 面板工具條上的運行按鈕將會變成一個折斷的箭頭，這就是指出程序執(zhí)行到此處出錯，無法繼續(xù)。 點擊該按鈕， LABVIEW 即彈出錯誤清單窗口，通過點擊列表中的錯誤，選用其中的Find 功能，出錯的對象或端口就會高亮顯示。用戶對其修改后才會取消相應(yīng)的高亮顯示，程序繼續(xù)向下進(jìn)行直至錯誤列表被清空。通過以上設(shè)計過程，本文最終實現(xiàn)了虛擬示波器預(yù)定的各項功能正常進(jìn)行。

3 虛擬示波器調(diào)試與結(jié)果分析

對于程序的調(diào)試，在LABVIEW 中可以利用單步運行、設(shè)置斷點、設(shè)置探針等方案來顯示數(shù)據(jù)流動方向，以此實現(xiàn)對程序的調(diào)試。 通過以上方法設(shè)計出的虛擬示波器其前面板可以實現(xiàn)前述各旋鈕功能， 進(jìn)而最終實現(xiàn)利用虛擬示波器替代傳統(tǒng)示波器對各種信號進(jìn)行測量， 對信號波形進(jìn)行顯示以及進(jìn)行雙蹤測量。 以下對虛擬示波器的雙蹤測量及顯示功能進(jìn)行分析。

以PC 機為平臺將設(shè)計好的虛擬信號發(fā)生器與虛擬元器件相連接。用虛擬信號發(fā)生器來產(chǎn)生不同頻率和幅值的波形，通過虛擬元器件來顯示、測量、處理和分析這些波形，來檢測虛擬元器件的性能。 以下以虛擬示波器A、B 兩通道同時顯示波形為例進(jìn)行測試。

為了進(jìn)行雙通道波形顯示， 首先在虛擬示波器的前面板上應(yīng)將“通道選擇”設(shè)置為“A+B”，即雙蹤顯示。 其中可以將“CHA”通道和“CHB”通道分別設(shè)置為正弦波、三角波、方波、鋸齒波，并可通過相應(yīng)旋鈕對各信號進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如調(diào)節(jié)幅值、頻率等旋鈕來改變波形的幅值和頻率等，虛擬屏幕上可顯示相應(yīng)疊加后的波形，圖3 為顯示波形中的兩種效果圖。

圖3 雙通道波形顯示Fig. 3 Double channel waveform display

從圖示與實際傳統(tǒng)示波器顯示結(jié)果對照后可以發(fā)現(xiàn)，波形清晰并吻合， 可以在參數(shù)變化后及時做出反應(yīng)顯示正確波形，失真較小，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)示波器進(jìn)行實驗，具有推廣價值。

4 結(jié)束語

本文以虛擬示波器為例，對基于虛擬儀器的實驗儀器應(yīng)用進(jìn)行了研究， 闡述了LABVIEW 圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。 利用LABVIEW軟件所提供的高性能模塊化硬件，結(jié)合各種測試、測量和自動化的應(yīng)用， 最終實現(xiàn)了用虛擬示波器替代實際示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)的測試。鑒于各種主客觀因素，此次只利用LABVIEW 開發(fā)了虛擬示波器， 對其他虛擬儀器還未有涉及， 在今后的研究中，可以逐步對先電工電子類的其他儀器進(jìn)行虛擬化設(shè)計，實現(xiàn)此類課程實驗的虛擬化。 當(dāng)然，虛擬實驗還不僅局限于此，在此基礎(chǔ)上可以向工科其他課程擴展， 并且可以將虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程相結(jié)合， 使得虛擬儀器的應(yīng)用徹底擺脫時空限制，真正實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗。

[1] NI.Integrating the internet into your measurement system data socket technical overview [J].National Instruments，2005：3-5.

[2] National Instruments [J]. G Programming Reference Manual,1998：49-60

[3] 劉君華. 基于LABVIEW的虛擬儀器設(shè)計[M]，北京：電子工業(yè)出版杜，2003.

[4] 張愛平，等.LABVIEW入門與虛擬儀器[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5] 張易知，等. 虛擬儀器的設(shè)計與實現(xiàn)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[6] National Instruments [J]. The Measurement and Automation Catalog,2002:49-137.

[7] 段玉生，王艷丹，何麗靜.電工電子技術(shù)與EDA基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.