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1、 1986 年美国国家仪器公司（年美国国家仪器公司（NI）提出了）提出了虚拟仪器虚拟仪器的概念，的概念，标志着一种完全采用新检测理念、新仪器结构、新检测方法、标志着一种完全采用新检测理念、新仪器结构、新检测方法、新开发手段的仪器系统的诞生。新开发手段的仪器系统的诞生。 通常意义上说，虚拟仪器就是利用通常意义上说，虚拟仪器就是利用I/O 接口设备完成接口设备完成信号的信号的采集采集、测量测量与与调理调理，利用，利用计算机软件计算机软件来实现信号数据的运算、来实现信号数据的运算、分析和处理，利用计算机显示器来模拟传统仪器控制面板来输分析和处理，利用计算机显示器来模拟传统仪器控制面板来输出检测结果，
2、从而完成各种测试功能的一种出检测结果，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统计算机仪器系统。 虚拟仪器基于计算机总线和模块化仪器总线技术，硬件实虚拟仪器基于计算机总线和模块化仪器总线技术，硬件实现了模块化、系列化，同时利用计算机及软件将多种检测功能现了模块化、系列化，同时利用计算机及软件将多种检测功能集成于一体的方法不仅集成于一体的方法不仅缩短了检测时间缩短了检测时间，而且也，而且也提高了检测的提高了检测的精度精度。 计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地促进计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术。目前正在研究的第三代自了多年来发展相对缓慢的
3、仪器技术。目前正在研究的第三代自动测试系统中，计算机处于核心地位，计算机动测试系统中，计算机处于核心地位，计算机软件技术软件技术和和测试测试系统系统更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计观念等都发生了突破性的变化，这种突破性变化所带来的是新观念等都发生了突破性的变化，这种突破性变化所带来的是新的仪器概念的仪器概念虚拟仪器虚拟仪器VI（Virtual Instrument）。）。 第一代仪器是第一代仪器是模拟式仪器仪表模拟式仪器仪表。主要结构是基于电磁机械式机构，。主要结构是基于电磁机械式机构，其测量结果是依靠指针显示，也称为模拟指示
4、仪表，如模拟万用表、模其测量结果是依靠指针显示，也称为模拟指示仪表，如模拟万用表、模拟函数发生器、指针式电压表等。拟函数发生器、指针式电压表等。 第二代是第二代是数字化仪器数字化仪器。将模拟信号转化为数字信号，以数字形式输出。将模拟信号转化为数字信号，以数字形式输出与显示出结果。如数字万用表、数字存储示波器、数字电压表等。与显示出结果。如数字万用表、数字存储示波器、数字电压表等。 第三代是第三代是智能仪器智能仪器。内部有微处理器，可进行自动检测，可以替人脑。内部有微处理器，可进行自动检测，可以替人脑具有一定的数据处理能力，故称具有一定的数据处理能力，故称“智能智能”仪器，其主要功能模块是硬件仪
5、器，其主要功能模块是硬件与固化的软件，对开发和应用仍不灵活。与固化的软件，对开发和应用仍不灵活。 随着计算机硬件技术、软件技术、总线技术的高速发展，出现了全随着计算机硬件技术、软件技术、总线技术的高速发展，出现了全新概念的第四代仪器新概念的第四代仪器虚拟仪器。虚拟仪器。 虚拟仪器通过软件将虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源计算机硬件资源与与仪器硬件仪器硬件有机的融合在一起，有机的融合在一起，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显一起，大大缩小了仪器硬
6、件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。在以示、存储以及分析处理。在以PC机为基础的虚拟仪器中，一个机为基础的虚拟仪器中，一个典型的虚典型的虚拟仪器系统包括拟仪器系统包括：计算机、：计算机、VI软件、数据采集卡、硬件接口、电荷放大软件、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，器、传感器和连接电缆等。其中，VI软件占主导地位。软件占主导地位。 自自1986 年年NI 公司提出了虚拟仪器的概念后，虚拟仪器技术得公司提出了虚拟仪器的概念后，虚拟仪器技术得到了迅速发展，在科研、开发、测量、计量、测控等领域得到了广到了迅速发展，在科研、开发、测量、计量、测控等领
7、域得到了广泛的应用。泛的应用。 由于虚拟仪器的接口具有通用性、开放性，很容易将现有设由于虚拟仪器的接口具有通用性、开放性，很容易将现有设备仪器联网，实现远程检测与控制，实现大规模自动化，而且仪器备仪器联网，实现远程检测与控制，实现大规模自动化，而且仪器资源的充分利用、检测成本的降低，测控系统的功能提高，其应用资源的充分利用、检测成本的降低，测控系统的功能提高，其应用范围的大大拓展等特点，在将来的发展中定会使其在全球优胜劣汰范围的大大拓展等特点，在将来的发展中定会使其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。的仪器为虚拟仪器
8、。 如图如图12-1所示，虚拟仪器应用程序将可选硬件（如所示，虚拟仪器应用程序将可选硬件（如GPIB、VXI、RS232、DAQ板）和软件结合在一起实现仪器模块之间的通信、定板）和软件结合在一起实现仪器模块之间的通信、定时和触发。软件为检测人员构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的时和触发。软件为检测人员构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。软件模块。 在虚拟仪器中，在虚拟仪器中，插入式数据采集卡（插入式数据采集卡（DAQ）是最常用的接口形式是最常用的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机中。目前插入式数据采集卡之一，其功能是将现场数据采集到计算机中。目前插入式数据采集卡已具有兆赫级的
9、采样速度，精度高达已具有兆赫级的采样速度，精度高达24位，具有可靠性高、功能灵活、位，具有可靠性高、功能灵活、性能性能/价格比高等特点。用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，价格比高等特点。用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集控制仪器便可构成各种数据采集控制仪器/系统，如信号发生器、电路和器件测系统，如信号发生器、电路和器件测试仪等。试仪等。 在虚拟仪器系统中强调在虚拟仪器系统中强调“软件构成仪器软件构成仪器”的概念，硬件仅仅是为的概念，硬件仅仅是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个仪器的关键。用户可以根据了解决信号的输入与输出，软件才是整个仪器的关键。用户可以
10、根据自己需要定义仪器的功能，通过修改软件的方法很方便地改变、增减自己需要定义仪器的功能，通过修改软件的方法很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，并可以方便地同外设、网络及其他应用连接。仪器系统的功能与规模，并可以方便地同外设、网络及其他应用连接。 虚拟仪器的软件结构主要包括：虚拟仪器的软件结构主要包括：仪器仪器I/O接口软件接口软件、仪器驱动程序仪器驱动程序和和应应用软件用软件三部分。三部分。 LabVIEW最大的特点就是图形化编程。最大的特点就是图形化编程。 除了图形化特点以外，除了图形化特点以外，LabVIEW还具有以下特点：还具有以下特点： 1功能强大的函数库，提供了用于输入功能强大的
11、函数库，提供了用于输入/输出、控制、分析和数据显输出、控制、分析和数据显示的几百个内置函数，用户可以直接调用，提高了工作效率。示的几百个内置函数，用户可以直接调用，提高了工作效率。 2LabVIEW具有内置具有内置32位程序编译器。位程序编译器。 3灵活的程序调试手段。可设置断点、单步运行、高亮执行及设置探灵活的程序调试手段。可设置断点、单步运行、高亮执行及设置探针等程序调试手段来检查程序设计中的错误。针等程序调试手段来检查程序设计中的错误。 4开放式的开发平台，开放式的开发平台，LabVIEW可通过可通过ActiveX技术应用、动态数据技术应用、动态数据交换、调用库函数、代码接口节点等实现与
12、其他应用程序的链接，使检测交换、调用库函数、代码接口节点等实现与其他应用程序的链接，使检测人员在人员在LabVIEW中能方便地使用其他软件开发编译的模块。中能方便地使用其他软件开发编译的模块。 5支持多种操作系统。支持多种操作系统。LabVIEW提供了提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh等多种版本。等多种版本。 6强大的强大的Internet功能，支持常用网络协议，易于构建基于计算机网功能，支持常用网络协议，易于构建基于计算机网络的测试系统。络的测试系统。 7集成了满足集成了满足GPIB、VXI、RS-232和和RS-485协议的硬件及数据采集协议的硬件及数据采集卡通
13、信的全部功能。卡通信的全部功能。 LabVIEW本身提供了超过本身提供了超过400个仪器驱动器，如果检测人员使用个仪器驱动器，如果检测人员使用的是相应硬件，只需用其提供的的是相应硬件，只需用其提供的DAQ Wizard功能，组合几个数据分功能，组合几个数据分析、数据陈述和用户界面子析、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即可快速、容易地创建自己的虚拟仪器。如果不是，器。如果不是，LabVIEW还提供了通用的硬件接口（包括还提供了通用的硬件接口（包括IEEE488（GPIB），），RS232/422和和VXI，以及插入式的，以及插入式的A/D，D/A和数字式和数字式I/O板）
14、，任何提供了板），任何提供了Windows驱动程序（驱动程序（DLL，VXD）的硬件都可以）的硬件都可以在在LabVIEW下正常工作。下正常工作。 LabVIEW自身包含超过自身包含超过170种的分析功能，包括信号发生种的分析功能，包括信号发生/仿真、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/入口探入口探测等。此外，允许检测人员自己编写测等。此外，允许检测人员自己编写C和和Matlab代码实现特定功能，代码实现特定功能，直接嵌入直接嵌入VI中，当作子中，当作子VI来运行。来运行。 前面板（也前面板（也称之为人机界面）称之为人
15、机界面）是程序与用户交是程序与用户交流的窗口，可以流的窗口，可以设置各种输入控设置各种输入控制参数和观察输制参数和观察输出量。出量。 程序框图程序框图是是VI的图形的图形化源代码，是化源代码，是实现程序的核实现程序的核心，可以把它心，可以把它想象成传统仪想象成传统仪器机箱中用来器机箱中用来实现功能的零实现功能的零部件，控制和部件，控制和操纵定义在前操纵定义在前面板上的输入面板上的输入和输出功能。和输出功能。 VI具有层次化和结构化的特征。一个具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作可以作为子程序，这里称为子为子程序，这里称为子VI（subVI），被其他），被其他VI调用。图标表示在其他程序中被
16、调用的子程序。而调用。图标表示在其他程序中被调用的子程序。而连接器表示图标的输入连接器表示图标的输入/输出口，类似于子程序的参输出口，类似于子程序的参数端口。数端口。 在在LabVIEW的用户界面上包的用户界面上包括三种模板：工括三种模板：工具模板（具模板（Tools Palette）、控件）、控件模板（模板（Controls Palette）和函数）和函数模板（模板（Functions Palette），通过），通过它们即可实现程它们即可实现程序的开发。序的开发。1）找出语法错误）找出语法错误2）设置执行程序高亮）设置执行程序高亮3）断点与单步执行）断点与单步执行4）探针）探针1人体温度检测
17、系统在硬件方面，主要采用人体温度检测系统在硬件方面，主要采用NI6014多功能信号采集卡多功能信号采集卡和和DAQ模组。模组。 1）NI6014多功能信号采集卡多功能信号采集卡 2）DAQ模组模组 DAQ卡属于热敏电阻，其阻值随温度的变化而变化。卡属于热敏电阻，其阻值随温度的变化而变化。2通过通过DAQ数据采集卡来测量信号时，需考虑连接模式（单点式或差数据采集卡来测量信号时，需考虑连接模式（单点式或差动式输入）、精度、工作电压范围、取样速率、增益等。动式输入）、精度、工作电压范围、取样速率、增益等。 1）模式）模式 2）精度）精度 3）工作电压范围）工作电压范围 4）增益）增益 5）取样速率）
18、取样速率 6）干扰）干扰 首先建立人首先建立人体温度检测系统体温度检测系统所需要的人机界所需要的人机界面（前面板），面（前面板），希望可以直观的希望可以直观的观测检测时温度观测检测时温度值，以及整个检值，以及整个检测过程中温度的测过程中温度的变化曲线，如图变化曲线，如图12-7所示。所示。 程序框图设程序框图设计必须与人机界计必须与人机界面相对应，使其面相对应，使其能够控制和操纵能够控制和操纵定义在人机界面定义在人机界面上的输入和输出上的输入和输出功能。功能。 基于基于LabVIEW虚虚拟仪器的人体温度检测拟仪器的人体温度检测系统将温度信号采集输系统将温度信号采集输入后进行运算，得出实入后进行
19、运算，得出实际温度，同时完成实时际温度，同时完成实时显示、报警等功能，其显示、报警等功能，其程序流程图如图程序流程图如图12-9所所示。示。 由于人体温度主要由血液运输经过动脉或静脉所产生。一般情况由于人体温度主要由血液运输经过动脉或静脉所产生。一般情况下，耳朵温度较接近人体体温，而手指温度则偏低，且手指温度易受下，耳朵温度较接近人体体温，而手指温度则偏低，且手指温度易受外在温度上升或下降的影响，所以耳朵温度和手指温度之间存在一定外在温度上升或下降的影响，所以耳朵温度和手指温度之间存在一定的温度差。的温度差。 采用人体温度检测系统测量体温时，手指温度的测量相对简单、采用人体温度检测系统测量体温
20、时，手指温度的测量相对简单、方便，因此，考虑通过测量手指温度方便，因此，考虑通过测量手指温度X加上它与耳朵温度的差值加上它与耳朵温度的差值T，就可以得出实际的人体温度（耳温）就可以得出实际的人体温度（耳温）T，即，即T=T+X（）。）。 为了得到比较准确手指温度与耳朵温度的温度差（为了得到比较准确手指温度与耳朵温度的温度差（T），必须），必须进行多次反复测温。现在，在一百次测温取样中，取每十次人体温度进行多次反复测温。现在，在一百次测温取样中，取每十次人体温度求平均值，最后算出平均温度差。表求平均值，最后算出平均温度差。表12-5为其中五次温度值，可以看为其中五次温度值，可以看出耳朵温度（人体
21、体温）与手指温度的平均值分别为出耳朵温度（人体体温）与手指温度的平均值分别为36.88、212.70，平均温度差为，平均温度差为12.18。 人体在正常状态下，人体在正常状态下，人体温度检测系统检测手人体温度检测系统检测手指温度，界面显示温度由指温度，界面显示温度由35.18变化到变化到37.26的的曲线，如图曲线，如图12-10所示。所示。人机界面显示温度为修正人机界面显示温度为修正的温度，即测量温度加上的温度，即测量温度加上12.18温度差。所以，温度差。所以，当人体温度是当人体温度是37.26时，时，实际手温为实际手温为29.08。 当手拿过一杯温度当手拿过一杯温度为为22.00的水后，
22、可以的水后，可以验证手温下降约验证手温下降约6.05。用人体温度检测系统测量用人体温度检测系统测量体温时，测出手温为体温时，测出手温为23.03，而人体正常手，而人体正常手温为温为29.08，随着时间，随着时间的推进，温度以等差方式的推进，温度以等差方式上升，温度差大，上升速上升，温度差大，上升速度较快，逐步恢复到度较快，逐步恢复到37.26，如图，如图12-12所示。所示。 当手拿过一杯温度为当手拿过一杯温度为40.00的水后，可以验证手温上升约的水后，可以验证手温上升约2.23，用人，用人体温度检测系统测量体温时，温度以等差方式下降，过程与冷温情况相似。体温度检测系统测量体温时，温度以等差
23、方式下降，过程与冷温情况相似。最后，温度恢复到最后，温度恢复到37.26，温度变化得过程如图，温度变化得过程如图12-14（a）和（）和（b）所示。）所示。 测量人体温度时，测量人体温度时，通常会有高温、正常、通常会有高温、正常、低温三种情形。由图低温三种情形。由图12-16可知，在正常情况下，可知，在正常情况下，人体温度会快速上升，人体温度会快速上升，保持水平稳定状态，低保持水平稳定状态，低温需要等待温需要等待6分钟，高分钟，高温则需要等待温则需要等待35分钟后，分钟后，人体温度曲线才会显示人体温度曲线才会显示水平稳定状态，最后得水平稳定状态，最后得到人体的正确温度。到人体的正确温度。 综上
24、所述，人体不管是正常状态、低温状态或高温状态，综上所述，人体不管是正常状态、低温状态或高温状态，用人体温度检测系统测量，从用人体温度检测系统测量，从DAQ卡传送至计算机，可以由卡传送至计算机，可以由LabVIEW人机界面，直观了解人体的准确温度，虽然有人为温人机界面，直观了解人体的准确温度，虽然有人为温度误差和系统温度误差，但都在可以控制的允许范围内，所以度误差和系统温度误差，但都在可以控制的允许范围内，所以比一般温度计测量准确性更高，检验速度更快，且可记录人体比一般温度计测量准确性更高，检验速度更快，且可记录人体温度变化过程，而且如果有发烧情况，可以让医疗人员能快速温度变化过程，而且如果有发
25、烧情况，可以让医疗人员能快速分析人体情况，迅速进行治疗和隔离。分析人体情况，迅速进行治疗和隔离。 1虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件，结合高效率灵活的软件虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件，结合高效率灵活的软件来完成各种检测任务。虚拟仪器就是利用来完成各种检测任务。虚拟仪器就是利用I/O 接口设备完成信号的采集、接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计算机软件来实现信号数据的运算、分析和处理，利测量与调理，利用计算机软件来实现信号数据的运算、分析和处理，利用计算机显示器来模拟传统仪器控制面板来输出检测结果，从而完成各用计算机显示器来模拟传统仪器控制面板来输出检测结果，从而完成各种测试功能的
26、一种计算机仪器系统。种测试功能的一种计算机仪器系统。 2虚拟仪器应用程序将可选硬件（如虚拟仪器应用程序将可选硬件（如GPIB、VXI、RS232、DAQ板）和软件结合在一起实现仪器模块之间的通信、定时和触发。在虚拟板）和软件结合在一起实现仪器模块之间的通信、定时和触发。在虚拟仪器的硬件结构中，插入式数据采集卡（仪器的硬件结构中，插入式数据采集卡（DAQ）是最常用的接口形式之）是最常用的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机中。虚拟仪器的软件结构主要包一，其功能是将现场数据采集到计算机中。虚拟仪器的软件结构主要包括：仪器括：仪器I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。接口软件、仪器驱
27、动程序和应用软件三部分。 3LabVIEW是最具有代表性的图形化虚拟仪器开发平台。可以实是最具有代表性的图形化虚拟仪器开发平台。可以实现从数据采集、仪器通信和控制、从传感器中采集数据、处理和分析测现从数据采集、仪器通信和控制、从传感器中采集数据、处理和分析测量数据、设计图形化用户界面，将测量数据保存在文件中等功能。量数据、设计图形化用户界面，将测量数据保存在文件中等功能。 4基于基于LabVIEW虚拟仪器的人体温度检测系统利用虚拟仪器的人体温度检测系统利用DAQ卡组成，卡组成，在将信号引入计算机之前，先透过在将信号引入计算机之前，先透过DAQ卡感测温度并转换成电信号，然卡感测温度并转换成电信号，然后通过后通过DAQ卡来送入计算机进行处理。卡来送入计算机进行处理。