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摘要：介绍了虚拟仪器的概念，讲述了基于Labview的虚拟仪器在自动化检测中的应用实例，及其发展前景。
关键字：虚拟仪器Labview 自动化检测
Abstract：This thesis introduces the conception of Virtual Instrument, expound the factual application of Virtual Instrument based on Labview in the field of roboticized testing and its future.
Keywords: Virtual InstrumentLabviewRoboticized testing
1.虚拟仪器用于自动化检测中的背景
检测是人们认识客观世界取得定量和定性信息的基本方法，一个新的科学理论和现代装备如果没有先进的检测技术和仪器支持，其研究、设计及试验是很难发展的。检测不但是进行一切探索性的，开发性的科学发现或技术发明的重要，甚至必要手段，而且是现代化工业产品生产和质量控制的重要保证。在生产过程中，为了提高自动化水平和加强生产管理，需要进行大量的数据检测。自动检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。加强生产中原始数据的检测，以及时了解工艺过程、生产过程的情况及它们的结果，达到改善生产，降低成本的目的。随着科学技术进一步向高尖端的发展，随着我们对工业生产标准的提高，我们对检测工具与检测技术进一步发展的要求也越来越高且越来越迫切。象检测的精度问题，检测实时性问题，检测的复杂性以及不可测性问题。这就要求提高检测过程的智能化，操作过程的傻瓜化，各种先进信号分析方法被引入了检测仪器。在决定仪器性能高低方面软件在很大程度上超出了硬件，于是出现了虚拟仪器的概念。
2.虚拟仪器的基本概念及特点
虚拟仪器（Visual Instrument，简称VI）是指一个以计算机为核心部件、以虚拟控制面板为标志的测量和实验装置。它主要被用于构建计算机测试分析系统和自动控制系统。在以PC机为基础的虚拟仪器中，一个典型的虚拟仪器系统包括：计算机、VI软件、数据采集卡、硬件接口、电荷放大器、传感器和连接电缆等。其中，VI软件占主导地位，它使计算机具有信号采集、控制、处理和输出及存储的能力。虚拟仪器用 NI公司（ National Instrument Corp．）的话就是：“软件就是仪器”。虚拟仪器与传统仪器的比较如图1
虚拟仪器己经成为越来越多测控人员的最佳选择，这是因为虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测控问题。随着虚拟仪器驱动程序标准化及软件开发环境的发展，代码复用成为仪器编程中的基础，这意味着可以避免仪器编程过程中的大量重复劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时问；可以用各种不同的模块构造自己的虚拟仪器系统，选择统一的测控策略，这不仅会节省大量人力物力，而且己有的测试投资在未来仍能得到可靠保护。
3.虚拟仪器的功能组成
如图 2 所示，虚拟仪器应用程序将可选硬件（如 GPIB、 VXI、 RS232、 DAQ板）和复用软件结合在一起实现了仪器模块间的通信、定时与触发。软件为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。由于虚拟仪器的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便地让用户自己来增减软、硬件模块，或重新配置现有系统以满足新的检测要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的虚拟仪器系统而不丢弃己有的硬件和软件资源。
4.Labview 与虚拟仪器
为了使虚拟仪器的设计更加方便和易于扩展，一些大型的仪器公司和研究机构都推出了相应的软件平台系统，其中运用较为广泛的是NI公司的Labview和惠普公司的HPVEE。同传统的顺序化编程语言相比LabVIEW是图形化的开发调试和运行程序的集成化环境，是一种编译型图形化语言。
4.1Labview 与可图形化编程
Labview最大的特点就是图形化编程。其程序被叫作“虚拟仪器”（ VI）， VI由三部分组成。即前面板（ panel）、块状图表（ diagram）和图标／连接器（icon）。前面板用于人机交互，也即控制参数的设定（入口）和输出结果的显示（出口）。程序员可应用各种与真实仪器前面板相当类似的控制端和显示端，如旋钮、开关、按键和图形等来‘画’出自己想要的面板，而无需任何编程；每个前面板有一个对应的块状图表它定义了在入口和出口之间的数据流向，也即是Labview程序的执行顺序。但是由于Labview采用图形化编程使用图标表示功能模块，图标间的连线表示在各功能模块间的数据传递。所以编写程序时只需从功能模块中选用不同的函数图标，然后再以线条相互连接即可。整个编程运用流程图式的语言来“画”出源代码，使整个程序如同流程图一般简单、直观，避免了传统程序语言线性结构和严格语法的困扰；图标／连接器以图标来代表在上级虚拟仪器的块状图表中的子虚拟仪器，而连接器终端决定了流入和流出子VI的数据流。
4.2 Labview 与硬件的接口及分析功能
Labview本身提供了超过400个仪器驱动器。如果用户使用的是相应的硬件，只需用其提供的DAQ Wizard功能，组合几个数据分析、数据陈述和用户界面子VI即可快速、容易地创建自己的虚拟仪器。如果不是，Labview还提供了通用的硬件接口（包括IEEE488（ GPIB）， RS232／ 422和VXI，以及插入式的A／D，D／A和数字式I／O板）。任何提供了Windows驱动程序（ DLL，VXD）的硬件都可在 Labview下正常工作。
Labview自身包含超过170种的分析功能，包括信号发生／仿真、数字信号处理、数字滤波器、时间-频率合并分析以及脉冲／入口探测等。此外，用户还可自己编写C和Matlab代码实现用户特定的功能，直接嵌入VI中（分别对应于CIN和Matlab Script），当作一子VI来运行。
5.基于Labview的虚拟仪器在自动化检测中的应用实例
近几年，在机械加工行业基于Labview的虚拟仪器技术也得到迅速发展，比如在齿轮加工误差检测、在粗糙度和圆度误差检测方面，提出了以计算机为核心，以传统检测仪器为基础，借助于可视化计算机软件、计算机接口技术开发面向自动化检测，集先进的软硬件技术于一体的虚拟仪器技术。改变了传统检测仪器的概念，缩短了智能仪器开发的周期，实现了检测的自动化、数字化、可视化、智能化，提高了检测的效率、精度和可靠性。
同时为满足机械加工行业的需求，我们对金属切削的在线检测做出了研究，建立了基于Labview的检测切削力的虚拟仪器系统。实现切削力的监控和在线检测试功能。
在本系统中车削测力仪采用的是三向压电车削测力仪，它如同一把普通的外圆车刀，由一个弹性刀杆和一个夹在其横截面内的三向压电石英传感器构成，可以完成切削力的静、动态测试，获得三个互相正交的分量（Fx，Fy，Fz）。分量经三个引出线经三个电荷放大器、接线端子进入数据采集卡进行A/D转换，然后供计算机处理。通过输入各向报警阈值实现在线监控，并且动态检测数据通过前面板实时显示和处理。如图3所示
6.基于Labview的虚拟仪器在自动化检测中的应用前景
由于虚拟仪器的接口具有通用性、开放性，又很容易将现有设备仪器联网，实现远程测控，实现大规模自动化，在将来的发展中定会在全球优胜劣汰中脱颖而出。专家分析预测在中国市场将有50％的仪器为虚拟仪器。
参考文献
[1]Robert H. Bishop . Labview 6i 实用教程. 北京：电子工业出版社，2003。
[2]李铁 等. 基于Labview的虚拟技术在无损检测中的应用. 无损检测，2001(6)：23-6
[3]欧阳黎 等 虚拟仪器实现光谱测试的数据采集和处理. 北京：光学技术. 1999（7）：4
[4]李刚 林凌. Labview-易学易用的计算机图形化编程语言. 北京：北京航空航天大学出版社. 2001
关键字：虚拟仪器Labview 自动化检测
Abstract：This thesis introduces the conception of Virtual Instrument, expound the factual application of Virtual Instrument based on Labview in the field of roboticized testing and its future.
Keywords: Virtual InstrumentLabviewRoboticized testing
1.虚拟仪器用于自动化检测中的背景
检测是人们认识客观世界取得定量和定性信息的基本方法，一个新的科学理论和现代装备如果没有先进的检测技术和仪器支持，其研究、设计及试验是很难发展的。检测不但是进行一切探索性的，开发性的科学发现或技术发明的重要，甚至必要手段，而且是现代化工业产品生产和质量控制的重要保证。在生产过程中，为了提高自动化水平和加强生产管理，需要进行大量的数据检测。自动检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。加强生产中原始数据的检测，以及时了解工艺过程、生产过程的情况及它们的结果，达到改善生产，降低成本的目的。随着科学技术进一步向高尖端的发展，随着我们对工业生产标准的提高，我们对检测工具与检测技术进一步发展的要求也越来越高且越来越迫切。象检测的精度问题，检测实时性问题，检测的复杂性以及不可测性问题。这就要求提高检测过程的智能化，操作过程的傻瓜化，各种先进信号分析方法被引入了检测仪器。在决定仪器性能高低方面软件在很大程度上超出了硬件，于是出现了虚拟仪器的概念。
2.虚拟仪器的基本概念及特点
虚拟仪器（Visual Instrument，简称VI）是指一个以计算机为核心部件、以虚拟控制面板为标志的测量和实验装置。它主要被用于构建计算机测试分析系统和自动控制系统。在以PC机为基础的虚拟仪器中，一个典型的虚拟仪器系统包括：计算机、VI软件、数据采集卡、硬件接口、电荷放大器、传感器和连接电缆等。其中，VI软件占主导地位，它使计算机具有信号采集、控制、处理和输出及存储的能力。虚拟仪器用 NI公司（ National Instrument Corp．）的话就是：“软件就是仪器”。虚拟仪器与传统仪器的比较如图1
虚拟仪器己经成为越来越多测控人员的最佳选择，这是因为虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测控问题。随着虚拟仪器驱动程序标准化及软件开发环境的发展，代码复用成为仪器编程中的基础，这意味着可以避免仪器编程过程中的大量重复劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时问；可以用各种不同的模块构造自己的虚拟仪器系统，选择统一的测控策略，这不仅会节省大量人力物力，而且己有的测试投资在未来仍能得到可靠保护。
3.虚拟仪器的功能组成
如图 2 所示，虚拟仪器应用程序将可选硬件（如 GPIB、 VXI、 RS232、 DAQ板）和复用软件结合在一起实现了仪器模块间的通信、定时与触发。软件为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。由于虚拟仪器的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便地让用户自己来增减软、硬件模块，或重新配置现有系统以满足新的检测要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的虚拟仪器系统而不丢弃己有的硬件和软件资源。
4.Labview 与虚拟仪器
为了使虚拟仪器的设计更加方便和易于扩展，一些大型的仪器公司和研究机构都推出了相应的软件平台系统，其中运用较为广泛的是NI公司的Labview和惠普公司的HPVEE。同传统的顺序化编程语言相比LabVIEW是图形化的开发调试和运行程序的集成化环境，是一种编译型图形化语言。
4.1Labview 与可图形化编程
Labview最大的特点就是图形化编程。其程序被叫作“虚拟仪器”（ VI）， VI由三部分组成。即前面板（ panel）、块状图表（ diagram）和图标／连接器（icon）。前面板用于人机交互，也即控制参数的设定（入口）和输出结果的显示（出口）。程序员可应用各种与真实仪器前面板相当类似的控制端和显示端，如旋钮、开关、按键和图形等来‘画’出自己想要的面板，而无需任何编程；每个前面板有一个对应的块状图表它定义了在入口和出口之间的数据流向，也即是Labview程序的执行顺序。但是由于Labview采用图形化编程使用图标表示功能模块，图标间的连线表示在各功能模块间的数据传递。所以编写程序时只需从功能模块中选用不同的函数图标，然后再以线条相互连接即可。整个编程运用流程图式的语言来“画”出源代码，使整个程序如同流程图一般简单、直观，避免了传统程序语言线性结构和严格语法的困扰；图标／连接器以图标来代表在上级虚拟仪器的块状图表中的子虚拟仪器，而连接器终端决定了流入和流出子VI的数据流。
4.2 Labview 与硬件的接口及分析功能
Labview本身提供了超过400个仪器驱动器。如果用户使用的是相应的硬件，只需用其提供的DAQ Wizard功能，组合几个数据分析、数据陈述和用户界面子VI即可快速、容易地创建自己的虚拟仪器。如果不是，Labview还提供了通用的硬件接口（包括IEEE488（ GPIB）， RS232／ 422和VXI，以及插入式的A／D，D／A和数字式I／O板）。任何提供了Windows驱动程序（ DLL，VXD）的硬件都可在 Labview下正常工作。
Labview自身包含超过170种的分析功能，包括信号发生／仿真、数字信号处理、数字滤波器、时间-频率合并分析以及脉冲／入口探测等。此外，用户还可自己编写C和Matlab代码实现用户特定的功能，直接嵌入VI中（分别对应于CIN和Matlab Script），当作一子VI来运行。
5.基于Labview的虚拟仪器在自动化检测中的应用实例
近几年，在机械加工行业基于Labview的虚拟仪器技术也得到迅速发展，比如在齿轮加工误差检测、在粗糙度和圆度误差检测方面，提出了以计算机为核心，以传统检测仪器为基础，借助于可视化计算机软件、计算机接口技术开发面向自动化检测，集先进的软硬件技术于一体的虚拟仪器技术。改变了传统检测仪器的概念，缩短了智能仪器开发的周期，实现了检测的自动化、数字化、可视化、智能化，提高了检测的效率、精度和可靠性。
同时为满足机械加工行业的需求，我们对金属切削的在线检测做出了研究，建立了基于Labview的检测切削力的虚拟仪器系统。实现切削力的监控和在线检测试功能。
在本系统中车削测力仪采用的是三向压电车削测力仪，它如同一把普通的外圆车刀，由一个弹性刀杆和一个夹在其横截面内的三向压电石英传感器构成，可以完成切削力的静、动态测试，获得三个互相正交的分量（Fx，Fy，Fz）。分量经三个引出线经三个电荷放大器、接线端子进入数据采集卡进行A/D转换，然后供计算机处理。通过输入各向报警阈值实现在线监控，并且动态检测数据通过前面板实时显示和处理。如图3所示
6.基于Labview的虚拟仪器在自动化检测中的应用前景
由于虚拟仪器的接口具有通用性、开放性，又很容易将现有设备仪器联网，实现远程测控，实现大规模自动化，在将来的发展中定会在全球优胜劣汰中脱颖而出。专家分析预测在中国市场将有50％的仪器为虚拟仪器。
参考文献
[1]Robert H. Bishop . Labview 6i 实用教程. 北京：电子工业出版社，2003。
[2]李铁 等. 基于Labview的虚拟技术在无损检测中的应用. 无损检测，2001(6)：23-6
[3]欧阳黎 等 虚拟仪器实现光谱测试的数据采集和处理. 北京：光学技术. 1999（7）：4
[4]李刚 林凌. Labview-易学易用的计算机图形化编程语言. 北京：北京航空航天大学出版社. 2001