控制系统的LabVIEW开发环境
【摘要】LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器开发环境）是NI公司开发的虚拟仪器开发环境，它使用图标函数代替文本语言创建应用程序，区别于文本式的编程语言。文本式编程语言的程序执行顺序是由语句和指令的先后顺序决定的，而LabVIEW程序的执行顺序由程序框图中节点的数据流向决定的。开发人员利用图标函数和连线，依据 来开发复杂的测试、测量和控制系统的应用程序。LabVIEW开发环境包含大量仪器硬件的驱动程序，以及内置和扩展的函数库（如数据采集、图像处理、数学计算、信号处理等），均形象地表现为图形化编程语言函数，即便不熟悉文本式编程语言的工程技术人员也能够快速高效地设计控制系统。在大规模、复杂化、智能化、自动化测试系统需求与日俱增的形势下，计算机技术、通信技术、网络技术、仪器仪表技术的结合产生了虚拟仪器技术。通俗地讲，虚拟仪器就是由LabVIEW开发环境与模块化硬件组合在一起产生的，虚拟仪器的关键是软件。
【关键词】实验室虚拟仪器开发环境；图标函数和连线；数据流逻辑；内置和扩展的函数库
1.虚拟仪器
1.1 虚拟仪器技术
NI公司最早提出了虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的开发环境来完成信号处理、测试测量以及自动控制的任务，增强了系统的功能和灵活性。LabVIEW是一种高效灵活的图像化的编程语言（G语言），能够应用到测试测量、信号处理以及自动控制系统中。利用LabVIEW开发环境设计的程序称为虚拟仪器程序（Virtual instrument program），简称VI。
虚拟仪器技术是目前仪器技术发展的重要方向，是在计算机技术与传统仪器技术的基础上产生的。虚拟仪器技术就是将仪器嵌入计算机，以计算机本身带有的硬件及操作系统为平台，实现各种仪器功能。虚拟仪器技术具有可移植性强、灵活性好的特点，用软件代替硬件技术，成本较低，能够实现不同的功能，在实验室和科研机构具有广泛的应用。
1.2 虚拟仪器技术的特点
与其它同类技术相比，虚拟仪器技术具有以下特点：
（1）性能良好
虚拟仪器技术继承了计算机技术的特点，是在计算机技术的基础上发展起来的，具有功能强大的处理器和文件传输功能，在数据高速导入磁盘的同时能够进行复杂的分析和处理。此外，不断发展的通信技术和计算机网络技术也促进了虚拟仪器技术的发展。
（2）可移植性强
在控制系统升级换代的过程中只需要升级计算机性能或者测量硬件即可，这是因为LabVIEW开发环境具有灵活性以及硬件模块具有可移植性的优点，大大节约了成本，加快了产品上市。
（3）开发周期短
LabVIEW图形化的编程环境能够快速建立控制系统的图形用户界面，同时LabVIEW开发环境提供了支持大多数数据采集板卡及模块的驱动程序以及具有信号处理、数值运算、事件结构等灵活而强大的功能，使科研人员轻松地创建、配置、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制系统。
1.3 虚拟仪器的类型
虚拟仪器的类型随着计算机技术的发展和采用总线方式的不同，可分为以下几种：
（1）PCI总线方式虚拟仪器
将PCI数据采集板卡插入计算机与LabVIEW开发环境相结合，充分利用了计算机的扩展总线、电源及软件的便利。但会受到计算机扩展插槽数目及电源功率不足的影响，在大型、复杂化的控制系统中应用较少，但是在小型控制系统中的应用较为广泛。
（2）GPIB总线方式虚拟仪器
GPIB技术替代传统的人工操作，利用计算机实现对仪器仪表的操作和控制。GPIB系统通过GPIB接口卡以及GPIB电缆实现计算机与满足GPIB总线方式的仪器进行连接。在标准情况下，一块GPIB接口卡最多可带14台仪器，可以方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和操作简单，适合于精确度要求高，但对计算机传输速率要求低的情况。
（3）VXI总线方式虚拟仪器
VXI总线由于标准开放、结构紧凑、数据传输能力强，已经得到众多仪器生产厂家的支持。VXI总线是计算机总线VME总线在VI领域的扩展，经过多年的发展，在大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合具有一定的应用。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较昂贵。
（4）PXI总线方式虚拟仪器
PXI总线方式是在PCI总线内核技术的基础上增加了一定的技术规范和要求形成的。PXI机箱带有8个扩展槽，具有高度可扩展性，是未来虚拟仪器平台发展的方向。
总之，虚拟仪器的出现是测试仪器领域的一个重大突破，从根本上改变了传统测量仪器的概念，是计算机技术与仪器仪表技术不断发展的产物，带给人们一个全新的仪器观。虚拟仪器是未来仪器技术发展的方向。
2.LabVIEW开发环境
LabVIEW是一种常用的虚拟仪器开发环境，利用它组建仪器和数据采集系统，可以简化程序的设计。与 C 语言以及BASIC开发语言类似，LabVIEW也是一种通用的编程语言，包含完成各种功能的庞大的函数库和工具包。用户可以根据自己的需求方便灵活的制定虚拟仪器的功能，而不受制于仪器厂商提供的特定功能。另外，LabVIEW开发环境可以快速建立系统的图形用户界面，实现硬件设备之间的无缝连接。LabVIEW具有多种程序调试工具，如设置断点、单步执行、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）运行的结果等，便于程序调试。 LabVIEW开发环境由前面板、框图程序、图标/连接器、VI运行调试四部分构成。前面板是LabVIEW的监控界面，包括输入控件和显示控件，可以对系统参数进行实时监控。框图程序相当于文本式编程语言的程序语句，采用图形化的编程语言编写的。图标/连接器可以将LabVIEW开发环境设计的程序（VI）生成可以供其它VI调用的子VI。