摘要：LabVIEW是當(dāng)今最流行的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，文中介紹了用LabVIEW開(kāi)發(fā)基于GPIB總線的虛擬儀器的全過(guò)程及其硬件和軟件要求，并給出了一個(gè)開(kāi)發(fā)實(shí)例。實(shí)例為用LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)一臺(tái)帶有GPIB接口磁測(cè)量?jī)x進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，構(gòu)建自己的虛擬儀器。與臺(tái)式儀器相比，該虛擬儀器最突出的優(yōu)點(diǎn)是不需要其它數(shù)據(jù)采集卡便可完成磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)采集測(cè)量，并將采集結(jié)果保存到文件，以供后續(xù)分析使用，從而大大擴(kuò)展了原有臺(tái)式儀器的功能。 關(guān)鍵詞：LabVIEW GPIB 實(shí)進(jìn)采集 前言 數(shù)據(jù)采集、儀器控制和自動(dòng)化測(cè)試是實(shí)驗(yàn)室研究經(jīng)常遇到的實(shí)際任務(wù)。LabVIEW的出現(xiàn)使普通的實(shí)驗(yàn)室工作者也能在較短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建自己的測(cè)控系統(tǒng)。LabVIEW采用圖形化語(yǔ)言進(jìn)行編程，拋棄了傳統(tǒng)的文本編程方式，程序開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單直觀，開(kāi)發(fā)時(shí)間大大減少。 盡管現(xiàn)有的測(cè)試測(cè)量?jī)x器能提供很高程序上的測(cè)量自動(dòng)化操作，但有時(shí)仍然不能滿足實(shí)際測(cè)量的需要，因?yàn)閷?shí)際的測(cè)量要求往往隨實(shí)際的測(cè)量環(huán)境和測(cè)量目的不同而發(fā)生改變，但臺(tái)式儀器的功能一般是固定不變的。例如一些臺(tái)式儀器雖然能對(duì)某些物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，但它并不能將整個(gè)測(cè)試過(guò)程的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，儀器本身僅僅相當(dāng)于一個(gè)物理量指標(biāo)器。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量分析并記錄其測(cè)量結(jié)果，必需進(jìn)行額外的工作。方法之一是利用儀器本身的模擬輸出接口，配一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)模擬輸出信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)分析處理。方法之二是利用儀器本身提供的編程接口，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。與第一種方法相比，第二種方法不需要額外的硬件，使得測(cè)試系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單、方便。 GPIB（General Purpose Interface Bus）是儀器與各種控制器（最常見(jiàn)的是計(jì)算機(jī)）之間的一種標(biāo)準(zhǔn)接口，許多儀器都帶有此接口。就編程語(yǔ)言而言，強(qiáng)大、靈活的儀器控制功能使LabVIEW成為開(kāi)發(fā)虛擬儀器的首選編程語(yǔ)言，而且利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的虛擬儀器具有很好的外觀效果，其用戶界面可與實(shí)際儀器的操作面板相媲美。本文介紹了用LabVIEW開(kāi)發(fā)基于GPIB接口的虛擬儀器的一般步驟，并給出了一個(gè)實(shí)際的開(kāi)發(fā)實(shí)例。 GPIB總線虛擬儀器的硬件描述 GPIB接口是一種8位數(shù)字并行通訊接口，其數(shù)據(jù)傳輸速度為1Mbyte/s。GPIB設(shè)備分為聽(tīng)者（Listeners）、說(shuō)者（Talkers）和控制器（Controllers）。說(shuō)者負(fù)責(zé)發(fā)出消息（數(shù)據(jù)或命令），聽(tīng)者負(fù)責(zé)接收消息（數(shù)據(jù)或命令），控制器（通常是一臺(tái)計(jì)算機(jī)）負(fù)責(zé)管理總線上的消息，并指定通訊連接和發(fā)送GPIB命令到指定的設(shè)備。有些GPIB設(shè)備在不同的時(shí)候可以扮演不同角色，有時(shí)充當(dāng)說(shuō)者，有時(shí)充當(dāng)聽(tīng)者，有時(shí)又作為控制器。GPIB接口的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)一個(gè)接口可以將多個(gè)GPIB設(shè)備連接在一起，同時(shí)完成多種不同物理量的測(cè)量。GPIB的基地址共有31個(gè)，為了獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，連接設(shè)備一般超過(guò)15個(gè)，對(duì)于普通的測(cè)量這已經(jīng)足夠了。開(kāi)發(fā)基于GPIB總線的虛擬儀器一般需如下硬件:計(jì)算機(jī)、帶有GPIB接口的測(cè)試儀器、GPIB接口卡和GPIB連接電纜。測(cè)試儀器的類型及數(shù)量取決于實(shí)際的測(cè)試要求，儀器本身還要有與之配套的傳感器。GPIB接口卡主要用于將儀器與計(jì)算機(jī)相連，各GPIB接口之間用GPIB連接電纜連接。 GPIB總線虛擬儀器的軟件要求 用LabVIEW開(kāi)發(fā)一個(gè)基于GPIB總線的虛擬儀器的軟件包括:LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)、GPIB接口卡驅(qū)動(dòng)程序和儀器的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序（不是必需的）。當(dāng)然如果有儀器的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，創(chuàng)建虛擬儀器就更加方便了。儀器的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)儀器通信和控制的具體過(guò)程，里面封裝了復(fù)雜的儀器編程細(xì)節(jié)，為用戶使用儀器提供了簡(jiǎn)單的函數(shù)接口，用戶不必對(duì)儀器硬件有專門的了解，就可以通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序來(lái)使用這些儀器。圖1為基于GPIB總線的虛擬儀器結(jié)構(gòu)示意圖。 開(kāi)發(fā)實(shí)例 在此，結(jié)合開(kāi)發(fā)實(shí)例介紹了用LabVIEW開(kāi)發(fā)基于GPIB總線的虛擬儀器的全過(guò)程。實(shí)例為對(duì)一臺(tái)現(xiàn)有帶有GPIB接口的磁測(cè)量?jī)x進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并開(kāi)發(fā)出一個(gè)可完成磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)采集測(cè)量，并將采集結(jié)果保存到文件，以供后續(xù)分析使用的磁測(cè)量虛擬儀器。實(shí)例中的GPIB接口儀器是一臺(tái)由美國(guó)Lake Shore Cryotronics公司生產(chǎn)的磁測(cè)量?jī)x，可測(cè)量直流和交流磁場(chǎng)，交流頻率范圍為10～400Hz，測(cè)量范圍取決于Hall探頭，最高可達(dá)30T。它具有一個(gè)輸入通道，兩個(gè)模擬輸出通道（一個(gè)為修正輸出，一個(gè)為直接輸出），提供兩種編程接口，GPIB接口和串行接口，其中GPIB接口的速率為每秒讀18次，串行接口的速率為每秒讀15次。該儀器能很方便的測(cè)量各種磁場(chǎng)，但是它不能對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，而且也只具有一些最簡(jiǎn)單的分析功能如最大值、相對(duì)值。 GPIB接口卡是美國(guó)國(guó)家儀器公司生產(chǎn)的GPIB-PCIIPIIA，該卡只支持Windows95或98，有兩種工作模式，GPIB-PCII模式和GPIB-PCIIA模式，公司推薦使用GPIB-PCII模式。另外，該卡不是即插即用設(shè)備，需要人工設(shè)置。實(shí)例中余下的硬件為一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一條GPIB連接電纜。計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)為Windows98。首先，安裝LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)和GPIB接口卡驅(qū)動(dòng)程序。然后手動(dòng)添加GPIB接口卡，根據(jù)操作系統(tǒng)分配的資源，結(jié)合GPIB接口卡用戶手冊(cè)進(jìn)行相應(yīng)的跳線設(shè)置，實(shí)例中該卡工作于GPIB-PCII模式，I/O地址為H2B8，中斷為5，DMA通道設(shè)為1。最后關(guān)閉計(jì)算機(jī)，將此GPIB卡插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的擴(kuò)展槽內(nèi)。至此，實(shí)例中的硬件設(shè)置及軟件安裝已經(jīng)完畢，接下來(lái)將利用LabVIEW來(lái)進(jìn)行虛擬儀器編程。 在LabVIEW中為實(shí)現(xiàn)與GPIB儀器通信有兩種方式，一種是利用函數(shù)模板中Instrument I/O子模板下的GPIB相關(guān)函數(shù)，另一種是利用函數(shù)模板中Instrument I/O子模板下的VISA相關(guān)函數(shù)，實(shí)際上VISA相關(guān)函數(shù)不僅能與GPIB總線通信，還能與許多其他接口類型的儀器通信，如串口儀器、PXI接口儀器和TCPPIP接口儀器。本文采用VISA相關(guān)函數(shù)，每一個(gè)VISA函數(shù)都有一個(gè)VISA資源名稱參數(shù)，用來(lái)指明該函數(shù)對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)備。本實(shí)例中的VISA資源名稱為GPIB:12，其中GPIB用于指明指口的類型，12是磁測(cè)量?jī)x器在GPIB總線上的地址（出廠設(shè)定值）。與磁測(cè)量?jī)x通信的第一步是建立計(jì)算機(jī)與儀器的連接，此任務(wù)可以通過(guò)VISA的OPEN函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，接著利用VISA的WRITE函數(shù)，可以根據(jù)需要向儀器發(fā)送各種命令，VISA的READ函數(shù)可以讀取儀器響應(yīng)的任何數(shù)據(jù)，完成所有測(cè)試任務(wù)后，借助于VISA的CLOSE函數(shù)斷開(kāi)計(jì)算機(jī)與磁測(cè)量?jī)x的通信連接。值得注意的是，多數(shù)GPIB接口儀器基于字符串格式的，即使從儀器讀回的數(shù)字也是字符串格式的數(shù)字，為了進(jìn)行后續(xù)的分析處理必須將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字類型。 LabVIEW中的函數(shù)模板中String子模板下的Srting/Numbder Conversion下提供了一個(gè)專門從字符串中掃描數(shù)字的函數(shù)，利用此函數(shù)可以方便的將字符串格式的數(shù)字轉(zhuǎn)化成數(shù)字型。儀器的編程風(fēng)格有兩種方式:一種是非模塊化編程，即針對(duì)特定的需要編寫特定的程序以滿足需要，此方法直接，容易實(shí)現(xiàn)，但其可擴(kuò)充性差，不便于后續(xù)升級(jí)和更改。另一種是模塊化編程，即將儀器的各種功能模塊化，然后根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的要求，該方法前期工作投入大，但其后續(xù)工作簡(jiǎn)單，且便于升級(jí)和更改。本實(shí)例采用模塊編程風(fēng)格。 根據(jù)美國(guó)NI公司提出的“軟件就是儀器”的口號(hào)，一個(gè)LabVIEW就是一臺(tái)虛擬儀器，通常一個(gè)LabVIEW程序包括三個(gè)部分:前面板、框圖和圖標(biāo)。圖2為實(shí)例虛擬儀器的框圖。 如圖2所示，本框圖包括三個(gè)模塊，即儀器設(shè)置模塊（CONFIG模塊）、單位顯示模塊（UNITDISPLAY模塊）和數(shù)據(jù)采集測(cè)試模塊（TEST模塊）。其中設(shè)置模塊主要用來(lái)完成測(cè)試相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，如儀器GPIB地址、單位設(shè)置、量程模式選擇（自動(dòng)或手動(dòng)）、量程范圍（如果量程模式為自動(dòng)則不需指定量程范圍，儀器將根據(jù)外磁場(chǎng)自動(dòng)變化到相應(yīng)的量程）、磁場(chǎng)類型（交流或直流），如果測(cè)量的是交流磁場(chǎng)，可通過(guò)PeakPRMS按鈕選擇測(cè)量其峰值或平均值。單位顯示模塊主要用來(lái)指示測(cè)試結(jié)果的單位，由于磁場(chǎng)存在兩種單位，高斯（Gauss）和特斯拉（Tesla），而且對(duì)應(yīng)不同的量程有不同的單位，如T或mT、kG或G，所以專門編寫了一個(gè)單位顯示模塊，三個(gè)單位顯示分別為當(dāng)前讀數(shù)的單位及最大值和最小值的單位。數(shù)據(jù)采集測(cè)試模塊是該虛擬儀器的核心模塊，主要完成磁場(chǎng)的測(cè)試，根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要任意指定磁場(chǎng)采樣間隔，并將磁場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，測(cè)試完成后可將全部測(cè)試結(jié)果以文件方式保存，以便后續(xù)分析處理。另外，本模塊只提供兩個(gè)最簡(jiǎn)單的分析功能，即測(cè)量結(jié)果的最大值和最小值。對(duì)于更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析處理，如譜分析，可利用LabVIEW豐富分析函數(shù)庫(kù)編寫其他的模塊加以實(shí)現(xiàn)，本虛擬儀器暫不涉及。 此外，由圖2可以看出模塊化的編程，不僅使程序結(jié)構(gòu)變得十分簡(jiǎn)單，而且編程者可以不必了解儀器的底層通信協(xié)議，因?yàn)榕c儀器通信的底層編程已封裝在模塊內(nèi)部，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了虛擬儀器的開(kāi)發(fā)。圖3（略）為實(shí)例虛擬器的前面板，左邊為測(cè)試結(jié)果顯示區(qū)，包括當(dāng)前讀數(shù)、最大值、最小值和測(cè)試曲線;右邊是參數(shù)設(shè)置區(qū)，右下方的“停止P開(kāi)始”開(kāi)關(guān)用于停止和開(kāi)始磁場(chǎng)的測(cè)試，“保存”按鈕用于將測(cè)試結(jié)果存盤。與臺(tái)式磁測(cè)量?jī)x相比，此虛擬儀器最大特點(diǎn)在于它能進(jìn)行實(shí)時(shí)采集測(cè)量，并將采集結(jié)果保存到文件，以供后續(xù)分析使用。嚴(yán)格意義上說(shuō)，基于臺(tái)式儀器的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)式儀器的所有功能，而且還可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)式儀器所不具備的功能，尤其是測(cè)試結(jié)果后續(xù)分析與處理，因?yàn)闇y(cè)試結(jié)果的分析處理不依賴于硬件，完全取決于實(shí)際的要求。此外，虛擬儀器還具有易升級(jí)，易更改等優(yōu)點(diǎn)。 結(jié)論 文中介紹了采用LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)基于GPIB總線的虛擬儀器的硬件及軟件要求。結(jié)合磁測(cè)量虛擬儀器開(kāi)發(fā)實(shí)例，介紹了開(kāi)發(fā)基于GPIB總線的虛擬儀器的全過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明該虛擬儀器能很好地完成磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)采集測(cè)量，并將測(cè)試結(jié)果存盤以供后續(xù)分析使用，此功能是臺(tái)式磁測(cè)量?jī)x所不具備的功能，從而大大擴(kuò)充了臺(tái)式儀器的功能。