基于LabVIEW的虚拟万用表设计【文献综述】

毕业设计开题报告

测控技术与仪器

基于LabVIEW的虚拟万用表设计

一、前言

实验操作在整个学习过程中有着不可或缺的重要地位。它能提高学生的动手能力，也能培养学生的创造能力和综合素质。此外，许多学科都以实验为基础，一旦缺少了实验，所谓的教学和科研都将失去其意义。学生只有通过足够的实验才能更加深入地理解和掌握所学的理论知识和应用技术，也只有通过实验，才能将理论更好地与实践结合起来。

数字万用表因其具有准确度与分辨力较高、过载能力强、抗干扰性能好、功能多、体积小、重量轻、还能从根本上消除读取数据时的视差等优点而被广泛使用。但是，由于数字万用表是通过断续的方式进行测量显示的,因此不便于观察被测电量的连续变化过程及其变化的趋势。而且伴随着技术的发展、仪器设备的老化，实验设备也必须进行相应的更新，否则，仪器设备的准确度、分辨力等各项指标都趋于不精确，对实验的结果有着巨大的影响，甚至与原来的已知结果背道而驰，从而对调动学生的学习积极性、培养创新精神、加强实践动手能力都十分不利。而实验设备更新所需要的资金，比如一台美国福禄克F1508数字万用表报价2600元，一台Agilent34410A报价近万元，对于各高等院校来说，也是一笔不小的负担。为解决这一矛盾，以较少的资金获得不断更高的性能，引入“虚拟仪器”这一概念是十分必要的。

所谓虚拟仪器（Virtual Instrumentation），就是在以计算机为核心的硬件平台上，仪器功能由用户设计和定义，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统[1][2]。虚拟仪器的实质是尽量采用通用I／O接口设备来完成信号的采集测量与调理以降低设备成本；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘来操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样[3]。

因此，与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下优点：

(1) 融合计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。因此 ,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[4][5]。

由此可看出，虚拟仪器是当代电子测量仪器的发展趋势之一。本设计拟实现的虚拟万用表，综合利用了虚拟仪器技术、计算机软件技术和数字集成电路技术，具有较高的技术含量和实用性，还可将其作为网络虚拟实验室的一部分以达到软件共享、仪器共享和远程控制的目的。因此，对于虚拟万用表的研究，有着较大的科研意义和现实意义。

二、主题

虚拟仪器系统中，常用的仪器用开发软件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等，其中以LabVIEW应用最为广泛。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。不仅可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以被用来开发大型的分布式数据采集与控制系统。

传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向。因此，1986年，图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW一经美国NI公司推出，就标志着虚拟仪器软件设计平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。

国外虚拟仪器技术自上世纪80年代由美国NI公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。近年来，世界各国的许多大型自动测

控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发平台，但最早和最具影响力的还是NI公司的图形化开发平台LabVIEW（NI 也推出了基于C 语言模式的了Labwindows ／CVI 等交互式开发平台）。虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。美国是虚拟仪器的诞生地，目前也是全球最大的虚拟仪器制造国[6]。例如，在美国Lawrence Livermore国家实验室，一个花费2000万美金的极为复杂的飞秒激光切割系统就是基于LabVIEW开发的。

国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化NI的产品开始。国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一,列入过为“十五”期间优先资助领域。目前有些研究已取得可喜成绩，如由重庆大学测试中心秦树人教授承担的国家863 项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”，所研发的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的新技术。这项成果表明我国在虚拟式仪器方面走出一条与欧美技术线路完全不同的自主创新路子,并成为国际上嵌入式一体化虚拟仪器研发的先行者[7]。

在我国有许多高校，如清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、华中科技大学、复旦大学、上海交通大学、国防科技大学、成都电子科技大学、中国科技大学、暨南大学、四川大学等数十所高校已展开了虚拟仪器技术领域的研究、开发和教学[5]，NI公司也已2006年在中国高校广泛推广虚拟仪器技术列入了战略发展规划（NI 中国高校推广计划），这标志着自提出虚拟仪器的概念之后，虚拟仪器技术在我国也进入了一个全新的快速发展时期。由此可以看出：我国高校在发展与推广虚拟仪器技术进程中的重要地位[6]：

1、高等理工科院校具备研发和推广虚拟仪器技术的得天独厚的实力。高等学校，特别是高等理工科院校的相关技术力量雄厚，有相当的研究实力，又有广大理工科学生作为教学和推广的对象，在我国创新研究、推广应用虚拟仪器技术中起着桥头堡的作用，有责任、也有实力推动虚拟仪器新技术在我国的发展。

2、高校发展虚拟仪器技术有利于高校自身实力的加强，而且引入虚拟仪器进行实验和教学，容易实现以下目标：

(1)先进仪器的低成本化 (2)缩短新型仪器的开发周期 (3)降低仪器的维护、配置成本

(4)容易实现基于网络的交互式实验和教学 (5)强化学习、实验过程的自主性和自创性

随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善, 虚拟仪器将向以下三个方向发展:

1、外挂式虚拟仪器

PC- DAQ 式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统,但是,由于基于 PCI 总线的虚拟仪器在插入 DAQ时都需要打开机箱等,比较麻烦,而且,主机上的 PCI 插槽有限, 再加上测试信号直接进入计算机,各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁,同时,计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响, 故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。

2、PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统

PXI总线在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点,具有高度的可扩展性、良好的兼容性、极高的传输速率,以及比VXI更高的性价比, 因此,基于PXI总线的虚拟仪器硬件将会得到越来越广泛的应用。

3、网络化虚拟仪器

尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起, 不过NI等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品,使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性,我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起,使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享,减少了设备重复投资。现在,有关 MCN ( Measurement and Control Net-works ) 方面的标准正在积极进行, 并取得了一定进展。由此可见,网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景[8]。

三、总结

实验操作在整个学习过程中有着不可或缺的重要地位。数字式万用表因其准确度与分辨力较高、过载能力强、抗干扰性能好等优点而在实验室中广泛使用。但是，传统的数字式万用表也具有一些缺点，比如数据的连续记录比较困难、更新换代价格较为昂贵等等。而虚拟仪器技术可以较好地解决上述问题。

虚拟仪器技术是一门较为新颖的技术，其思想是尽可能的利用价格较为低廉的通用I/O来获取信号，而较为复杂的信号处理和分析任务则依靠PC来加以实现。这样，当仪器升级换代时，仅需更新其通用I/O部分，而软件升级基本无需太多的费用，仪器整体升级换代的价格得以大幅压缩。同时，功能强大的PC在保证仪器功能实现的同时，还具有比传统仪器更加人性化的人-机界面和更加强大的数据储存、处理能力。

本设计拟基于LabVIEW实现数字万用表的常用功能，包括交直流电压、电流测量，电阻测量，二极管测量，电容测量等。虚拟万用表的软件由LabVIEW8.5加以实现，硬件部分则使用具有16通道输入的NI ELVIS II+。

四、参考文献

[1]龙华伟，顾永刚，labVIEW8.2.1与DAQ数据采集[M],清华大学出版社，2008.8 [2]岳静,虚拟仪器及其发展前景[N],西安航空技术高等专科学校学 [3]宁歆,基于LabVIEW的虚拟数字示波器的设计与实现[C], 2006.04.01 [4]李铁军,李学武,高育鹏.虚拟仪器技术及其在数据采集中的应用 [ J ].现代电子技术, 2005 (9) : 79 - 81.

[5]李震,柯旭贵,汪云祥.虚拟仪器的发展历史、研究现状与展望[J].安徽工程科技学院学报,2005,18,(4):1-4.

[6]黄进文,虚拟仪器新技术及其在我国的发展现状与展望[N],科技创新导报,2008

[7] 重庆大学虚拟仪器关键技术的研究课题验收[N],科技日报,2006-12-19. [8]杨东浩,虚拟仪器技术及其应用[J].甘肃科技纵横,2007.05第35卷第6期 [9]黄松岭，吴静，虚拟仪器设计基础教程[M]，清华大学出版社，2008.10 [10]陈锡辉,张银鸿，LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M]，清华大学出版社，2007.07

[11]杨智，袁媛，贾延江，虚拟仪器教学实验简明教程:基于LabVIEW的ELVIS[M]，北京航空航天大学出版社，2008.03

[12]王磊，陶梅，精通labVIEW 8.X[M],电子工业出版社，2008.05