摘要：LabVIEW是當今最流行的虛擬儀器開發(fā)平臺，文中介紹了用LabVIEW開發(fā)基于GPIB總線的虛擬儀器的全過程及其硬件和軟件要求，并給出了一個開發(fā)實例。實例為用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺對一臺帶有GPIB接口磁測量儀進行二次開發(fā)，構建自己的虛擬儀器。與臺式儀器相比，該虛擬儀器最突出的優(yōu)點是不需要其它數(shù)據(jù)采集卡便可完成磁場的實時采集測量，并將采集結果保存到文件，以供后續(xù)分析使用，從而大大擴展了原有臺式儀器的功能。 關鍵詞：LabVIEW GPIB 實進采集 前言 數(shù)據(jù)采集、儀器控制和自動化測試是實驗室研究經(jīng)常遇到的實際任務。LabVIEW的出現(xiàn)使普通的實驗室工作者也能在較短的時間內構建自己的測控系統(tǒng)。LabVIEW采用圖形化語言進行編程，拋棄了傳統(tǒng)的文本編程方式，程序開發(fā)變得簡單直觀，開發(fā)時間大大減少。 盡管現(xiàn)有的測試測量儀器能提供很高程序上的測量自動化操作，但有時仍然不能滿足實際測量的需要，因為實際的測量要求往往隨實際的測量環(huán)境和測量目的不同而發(fā)生改變，但臺式儀器的功能一般是固定不變的。例如一些臺式儀器雖然能對某些物理量進行實時測量，但它并不能將整個測試過程的數(shù)據(jù)記錄下來，儀器本身僅僅相當于一個物理量指標器。為了實現(xiàn)實時測量分析并記錄其測量結果，必需進行額外的工作。方法之一是利用儀器本身的模擬輸出接口，配一個數(shù)據(jù)采集卡對模擬輸出信號進行采集并進行相應的后續(xù)分析處理。方法之二是利用儀器本身提供的編程接口，通過編程實現(xiàn)。與第一種方法相比，第二種方法不需要額外的硬件，使得測試系統(tǒng)變得簡單、方便。 GPIB（General Purpose Interface Bus）是儀器與各種控制器（最常見的是計算機）之間的一種標準接口，許多儀器都帶有此接口。就編程語言而言，強大、靈活的儀器控制功能使LabVIEW成為開發(fā)虛擬儀器的首選編程語言，而且利用LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器具有很好的外觀效果，其用戶界面可與實際儀器的操作面板相媲美。本文介紹了用LabVIEW開發(fā)基于GPIB接口的虛擬儀器的一般步驟，并給出了一個實際的開發(fā)實例。 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設備分為聽者（Listeners）、說者（Talkers）和控制器（Controllers）。說者負責發(fā)出消息（數(shù)據(jù)或命令），聽者負責接收消息（數(shù)據(jù)或命令），控制器（通常是一臺計算機）負責管理總線上的消息，并指定通訊連接和發(fā)送GPIB命令到指定的設備。有些GPIB設備在不同的時候可以扮演不同角色，有時充當說者，有時充當聽者，有時又作為控制器。GPIB接口的優(yōu)點在于通過一個接口可以將多個GPIB設備連接在一起，同時完成多種不同物理量的測量。GPIB的基地址共有31個，為了獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，連接設備一般超過15個，對于普通的測量這已經(jīng)足夠了。開發(fā)基于GPIB總線的虛擬儀器一般需如下硬件:計算機、帶有GPIB接口的測試儀器、GPIB接口卡和GPIB連接電纜。測試儀器的類型及數(shù)量取決于實際的測試要求，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算機相連，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開發(fā)一個基于GPIB總線的虛擬儀器的軟件包括:LabVIEW開發(fā)平臺、GPIB接口卡驅動程序和儀器的LabVIEW驅動程序（不是必需的）。當然如果有儀器的LabVIEW驅動程序，創(chuàng)建虛擬儀器就更加方便了。儀器的LabVIEW驅動程序負責儀器通信和控制的具體過程，里面封裝了復雜的儀器編程細節(jié)，為用戶使用儀器提供了簡單的函數(shù)接口，用戶不必對儀器硬件有專門的了解，就可以通過儀器驅動程序來使用這些儀器。圖1為基于GPIB總線的虛擬儀器結構示意圖。 開發(fā)實例 在此，結合開發(fā)實例介紹了用LabVIEW開發(fā)基于GPIB總線的虛擬儀器的全過程。實例為對一臺現(xiàn)有帶有GPIB接口的磁測量儀進行二次開發(fā)，并開發(fā)出一個可完成磁場的實時采集測量，并將采集結果保存到文件，以供后續(xù)分析使用的磁測量虛擬儀器。實例中的GPIB接口儀器是一臺由美國Lake Shore Cryotronics公司生產(chǎn)的磁測量儀，可測量直流和交流磁場，交流頻率范圍為10～400Hz，測量范圍取決于Hall探頭，最高可達30T。它具有一個輸入通道，兩個模擬輸出通道（一個為修正輸出，一個為直接輸出），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量各種磁場，但是它不能對所測數(shù)據(jù)進行保存，而且也只具有一些最簡單的分析功能如最大值、相對值。 GPIB接口卡是美國國家儀器公司生產(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備，需要人工設置。實例中余下的硬件為一臺計算機和一條GPIB連接電纜。計算機的操作系統(tǒng)為Windows98。首先，安裝LabVIEW開發(fā)平臺和GPIB接口卡驅動程序。然后手動添加GPIB接口卡，根據(jù)操作系統(tǒng)分配的資源，結合GPIB接口卡用戶手冊進行相應的跳線設置，實例中該卡工作于GPIB-PCII模式，I/O地址為H2B8，中斷為5，DMA通道設為1。最后關閉計算機，將此GPIB卡插入計算機內的擴展槽內。至此，實例中的硬件設置及軟件安裝已經(jīng)完畢，接下來將利用LabVIEW來進行虛擬儀器編程。 在LabVIEW中為實現(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相關函數(shù)，實際上VISA相關函數(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相關函數(shù)，每一個VISA函數(shù)都有一個VISA資源名稱參數(shù)，用來指明該函數(shù)對應的硬件設備。本實例中的VISA資源名稱為GPIB:12，其中GPIB用于指明指口的類型，12是磁測量儀器在GPIB總線上的地址（出廠設定值）。與磁測量儀通信的第一步是建立計算機與儀器的連接，此任務可以通過VISA的OPEN函數(shù)來實現(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)可以讀取儀器響應的任何數(shù)據(jù)，完成所有測試任務后，借助于VISA的CLOSE函數(shù)斷開計算機與磁測量儀的通信連接。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，為了進行后續(xù)的分析處理必須將其轉化為數(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)字轉化成數(shù)字型。儀器的編程風格有兩種方式:一種是非模塊化編程，即針對特定的需要編寫特定的程序以滿足需要，此方法直接，容易實現(xiàn)，但其可擴充性差，不便于后續(xù)升級和更改。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)需要選擇相應的模塊來實現(xiàn)特定的要求，該方法前期工作投入大，但其后續(xù)工作簡單，且便于升級和更改。本實例采用模塊編程風格。 根據(jù)美國NI公司提出的“軟件就是儀器”的口號，一個LabVIEW就是一臺虛擬儀器，通常一個LabVIEW程序包括三個部分:前面板、框圖和圖標。圖2為實例虛擬儀器的框圖。 如圖2所示，本框圖包括三個模塊，即儀器設置模塊（CONFIG模塊）、單位顯示模塊（UNITDISPLAY模塊）和數(shù)據(jù)采集測試模塊（TEST模塊）。其中設置模塊主要用來完成測試相關參數(shù)的設定，如儀器GPIB地址、單位設置、量程模式選擇（自動或手動）、量程范圍（如果量程模式為自動則不需指定量程范圍，儀器將根據(jù)外磁場自動變化到相應的量程）、磁場類型（交流或直流），如果測量的是交流磁場，可通過PeakPRMS按鈕選擇測量其峰值或平均值。單位顯示模塊主要用來指示測試結果的單位，由于磁場存在兩種單位，高斯（Gauss）和特斯拉（Tesla），而且對應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單位顯示模塊，三個單位顯示分別為當前讀數(shù)的單位及最大值和最小值的單位。數(shù)據(jù)采集測試模塊是該虛擬儀器的核心模塊，主要完成磁場的測試，根據(jù)實際測量需要任意指定磁場采樣間隔，并將磁場的測量結果實時顯示，測試完成后可將全部測試結果以文件方式保存，以便后續(xù)分析處理。另外，本模塊只提供兩個最簡單的分析功能，即測量結果的最大值和最小值。對于更復雜的數(shù)據(jù)分析處理，如譜分析，可利用LabVIEW豐富分析函數(shù)庫編寫其他的模塊加以實現(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，不僅使程序結構變得十分簡單，而且編程者可以不必了解儀器的底層通信協(xié)議，因為與儀器通信的底層編程已封裝在模塊內部，從而進一步簡化了虛擬儀器的開發(fā)。圖3（略）為實例虛擬器的前面板，左邊為測試結果顯示區(qū)，包括當前讀數(shù)、最大值、最小值和測試曲線;右邊是參數(shù)設置區(qū)，右下方的“停止P開始”開關用于停止和開始磁場的測試，“保存”按鈕用于將測試結果存盤。與臺式磁測量儀相比，此虛擬儀器最大特點在于它能進行實時采集測量，并將采集結果保存到文件，以供后續(xù)分析使用。嚴格意義上說，基于臺式儀器的虛擬儀器不僅可以實現(xiàn)臺式儀器的所有功能，而且還可以實現(xiàn)臺式儀器所不具備的功能，尤其是測試結果后續(xù)分析與處理，因為測試結果的分析處理不依賴于硬件，完全取決于實際的要求。此外，虛擬儀器還具有易升級，易更改等優(yōu)點。 結論 文中介紹了采用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺開發(fā)基于GPIB總線的虛擬儀器的硬件及軟件要求。結合磁測量虛擬儀器開發(fā)實例，介紹了開發(fā)基于GPIB總線的虛擬儀器的全過程。實驗證明該虛擬儀器能很好地完成磁場的實時采集測量，并將測試結果存盤以供后續(xù)分析使用，此功能是臺式磁測量儀所不具備的功能，從而大大擴充了臺式儀器的功能。