（核技术及应用专业论文）基于LabVIEW的虚拟绝对测lt220gtRn仪研制.pdf

捅要 随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化发展。虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 技术是2 1 世纪科学技术中的核心技术之一，虚拟仪器是现代计算 机技术、仪器技术及其它新技术完善结合的产物，其强大的功能己完全超出了仪 器概念的本身。利用虚拟仪器技术实现的计算机自动测量与控制在各种不同的领 域都得到了广泛的应用。核科学领域中大量的实验仪器和设备需要计算机来完成 控制，并需要计算机对测量数据进行处理分析，这为虚拟仪器技术在核领域中的 应用提供了广阔的舞台。 南华大学研究了小闪烁室实现流气式绝对测量2 2 0 r n 的方法，通过减小闪烁 室内部任意两点间的距离和内表面全部涂上z n s ( a g ) 来提高0 【粒子的利用效率， 使其对恐及其子体的探测效率接近1 0 0 ；通过改变闪烁室的结构，使其内部 没有大的死角和拐点，保证在一定流率下使流过的气流符合层流状态，从而满足 流气式测2 2 0 r n 的要求。 目前基于流气式小闪烁室方法绝对测量2 2 0 r n 的装置采用的是传统的插件机 箱式，存在着容易受到环境的影响和不便于携带的缺点，因此，需要设计出种 值得推广的，廉价的、虚拟的绝对测2 2 0 r n 仪，这正是本研究的出发点。 本研究采用l a b v i e w 开发设计了虚拟绝对测2 2 0 f h l 仪，与传统的测量仪器相 比，测量时仅需携带探测器和笔记本电脑即可，突破了传统测量仪器受时间、地 点的限制的缺点，大大减小设备资金的投入，降低成本节省经费，充分发挥现有 仪器的作用，提高了使用效率。 论文首先系统介绍了仪放射性气体绝对测量原理、虚拟仪器技术和它在核测 量中优缺点，阐述了虚拟核测量仪的设计思想、方案、及研制过程，通过在非放 射性实验室，用数字信号和模拟信号对所设计的虚拟核测量仪进行检测，取得了 较好的测量结果。 其次，论文详细描述了z n s ( a g ) 小闪烁室绝对测量气体0 c 放射性的原理，对 小闪烁室的探测效率和刻度因子进行实验测量，用所设计的虚拟核测量仪在南华 大学2 2 2 r n 实验室进行了2 2 2 r n 测量验证实验，实验结果表明，与传统的插件式核 测量仪相比，在误差允许的范围内，有很好的一致性，完全能够满足一定浓度下 2 2 2 r n 的测量要求。最后在此基础上设计了小闪烁室绝对测2 2 0 r n 仪。本论文较好 的完成了工作任务，达到了设计目标。同时该套虚拟仪器的研制成功也为学生开 展核电子学等核测量实验提供了初步的平台。 关键词：l a b v i e w ；虚拟核测量仪器；2 2 2 r n 测量：绝对测2 2 0 r n 仪 i l d e s i g no ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t t oa b s o l u t em e a s u r e2 2 0 r nb a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e ，t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t si sb e g i n n i n g t or u mi n t oc o m p u t e r i z a t i o n t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u eh a sb e c o m eo n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e si n2 1t hc e n t u r y v i r t u a li n s t r u m e n ti st h ep r o d u c to f m o d e mc o m p u t e rt e c h n i q u e ，i n s t r u m e n tt e c h n i q u ea n do t h e rn e w t e c h n i q u e ，w h o s e p o w e r f u lf u n c t i o nh a se x c e e d e dt h ec o n c e p t i o no fi n s t r u m e n ti t s e l f w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la p p l i c a t i o n h a sb e e nu s e di nv a r i o u sa r e a s m a n yn u c l e a ri n s t r u m e n t sn e e dt ob ec o n t r o l l e db y c o m p u t e ra n dl o t so f n u c l e a rd a t an e e d st ob ep r o c e s s e db yc o m p u t e r , w h i c hg i v e sa g r e a tc h a n c ef o r t h ea p p l i c a t i o no f v i r t u a li n s t r u m e n t si nn u c l e a ra r e a s t h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o ng r o u pw h i c hi sl e a d e db yp r o f e s s o rz h o uj i a n l i a n go ft h eu n i v e r s i t yo fs o u t hc h i n ah a st e s t i f i e dt h ep o s s i b i l i t yo fu s i n ga m i n o r - s i z e dg l i t t e rr o o mt om e a s u r et h ed e n s i t yo f2 2 0 r n w i t ht h es h o r t e n i n g so ft h e d i s t a n c eb e t w e e nt w op o i n t sf r o mt h ei n s i d ea n dw i t hz n s ( a g ) d a u b e de q u a b l yo nt h e i n n e rs u r f a c et oi m p r o v et h eu s ee f f i c i e n c yo f0 【- p a r t i c l e t h ed e t e c te f f i c i e n c yw a s a b l et oi m p r o v et on e a r l y10 0 ；t h r o u g ht h em o d i f i c a t i o no ft h eg l i t t e rr o o m ，t h e d e a da n g l e sa n dt h ei n f l e x i o n sa r em i n i s h e dt oal e v e lw h i c hc a nb ei g n o r e d ，t h u si t e n a b l e st h eg a st h a tp a s st h r o u g ht h es y s t e mt a l l yw i t ht h el a m i n a rf l o ws t a t e ，a n d m e e tw i t ht h e r e q u i r e m e n t s o ff l o w - g a s p a t t e m2 2 0 p a ld e t e c t i n g t h ed e t e c t i n g i n s t r u m e n th a v ea l r e a d yb e e nf i n i s h e d ，a n dh a v eb e e nt e s t i f i e dt ob ea l lr i g h tt h r o u g h s o m ep a r t i c u l a re x p e r i m e n t sw h i c ho p e r a t e da tt h e2 2 0 r nl a b o r a t o r yo ft h eu n i v e r s i t y o fs o u t hc h i n a c o n s i d e r i n gt h ep o w e rs u p p l yo ft h ef l o w - g a sp a t t e r n2 2 0 9 nd e t e c t i n gi n s t r u m e n t i st h et r a d i t i o n a ln i m ，w h i c hh a st h es h o r t c o m i n g so fu n w i e l d i n e s sa n dw i l lb e a f f e c t e db yt h es u r r o u n d i n g se a s i l y ，w en e e dt od e s i g na ni n e x p e n s i v ew h i l es t e a d y a n df l e x i b l e2 2 0 r nd e t e c t i n gi n s t r u m e n t ，w h i c hi se x a c t l yt h ei n i t i a li d e ao f t h i st h e s i s t h et a s ku s e st h el a b v i e ws o f t w a r ea st h eb a s i ct o o lt od e v e l o pt h ev i r t u a l i i i 2 2 0 r nd e t e c t i n gi n s t r u m e n t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ld e t e c t i n gi n s t r u m e n t s ，t h e v i r t u a li n s t r u m e n t s o n l y u s et h e l a p t o p a n dd e t e c t o r , w h i c h g e tr i d o ft h e i n c o n v e n i e n c e so ft h et r a d i t i o n a ld e t e c t i n gi n s t r u m e n t st h a ti su s u a l l yr e s t r i c t e db y t i m ea n dp l a c e i tc a ns a v et h em o n e ya n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ew o r k t h et h e s i sb e g i n sw i t ht h en o t i o no fa b s o l u t ea - p a r t i c l em e a s u r i n gm e t h o da n d t h ec o n c e p to fv i r t u a l i n s t r u m e n t s ，i t sm e r i ta n dd e m e r i ti nt h ea r e ao fn u c l e a r m e a s u r e m e n tf i r s t ，i l l u s t r a t e dt h ei d e ai nt h ep r o c e s so ft h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a l i n s t r u m e n t ，t h eb l u ep a i n ta n di t sd e v e l o pp r o c e s s a tt h en o n r a d i o a c t i v el a b o r a t o r y ， w i t ht h ee x p e r i m e n tt h a tu s e st h ed i g i t a ls i g n a la n dt h ea n a l o gs i g n a l ，i tw a st e s t e dt o b ea l lf i g h t 、i t i lm o s to ft h ee x p e r i m e n td a t a t h e n ，t h et h e s i sd e s c r i b e dt h et h e o r yo ft h em e a s u r e m e n to f 仅- r a d i o a c t i v eu s i n g t h em i n o r - s i z e dz n s ( a g ) g l i t t e rr o o m ，m e a s u r e di t sd e t e c te f f i c i e n c ya n dt h es c a l e f a c t o r w i t ht h ee x p e r i m e n t st h a to p e r a t e da tt h e2 2 2 r nl a b o r a t o r yo ft h eu n i v e r s i t yo f s o u t hc h i n a ，w ec o n c l u d et h a tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ln i mn u c l e a rm e a s u r i n g i n s t r u m e n t , t h en e wv i r t u a li n s t r u m e n t sm e a s u r i n ge r r o ri sw i t h i nt h ea l l o w e dr a n g e ， a n dc o n s i s tw i mt h es t a n d a r dv a l u e s oi tm e e t sw i t ht h em e a s u r er e q u i r e m e n tu n d e ra c e r t a i nc o n s i s t e n c y a tl a s tid e v e l o p e dt h ea b s o l u t em i n o r - s i z e dg l i t t e rr o o m2 2 0 r n d e t e c t i n gi n s t r u m e n t t h et h e s i sa c c o m p l i s h e dt h em i s s i o np r e f e r a b l y ，a c h i e v e dt h e p r e v i o u sd e s i g ng o a l m e a n w h i l e ，t h en e w l yd e v e l o p e dv i r t u a li n s t r u m e n tp r o v i d e da p r i m a r ye x p e r i m e n tp l a t f o r mf o r t h es t u d e n t si nt h en u c l e a r - e l e c t r i ca r e a k e yw o r d s ：l a b v i e w ；v i r t u a ln u c l e a rm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ；t h em e a s u r e m e n to f 2 2 2 r n ；a b s o l u t e2 2 0 r nd e t e c t i n gi n s t r u m e n t z h a op i n gh u a ( n u c l e a r t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f y ut a o i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南华大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：年月日 关于学位论文使用授权说明 本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名：日期：年月日 第一章引言 1 1 课题的背景及研究的意义 2 2 2 r a 恐o r a 是地球上无处不在的放射性气体，2 2 2 r n 2 2 0 r n 子体是放射性气溶 胶，吸入人体产生的辐照可诱发肺癌。u n s c e a r2 0 0 0 年报告在总结调查研究结 果的基础上指出，对世界正常本底地区，2 2 2 r a p 2 0 r a 及其子体产生的年有效剂量 ”平均为1 3 m s v ，占天然电离辐射源所致成人年有效剂量2 4 m s v 的5 4 2 ，2 2 0 f h l 及其子体的照射量与2 2 2 r n 及其子体的照射量的比例估计也从原来的6 提高到9 n 1 。因此，2 毖r n 2 r n 问题的研究一直是辐射防护和环境保护的重要课题。另外 2 船r n 2 2 0 r n 的研究对于核技术应用也具有重要的意义，例如在大气科学研究中发 现，2 r n 及其子体是靠近地表处大气离子的主要来源，这些离子在降雨中的水珠 成核及雷暴雨的形成过程中起着重要的作用。此外2 2 0 r n 及其子体还被用作研究 涡流、漫散射等大气流动现象的示踪物2 3 3 。 2 船r n 2 2 0 r n 的准确测量是研究2 恐r n 2 2 0 r n 问题的前提，包括测量方法、仪器及 刻度等。由于船2 r n 的研究起步早，2 2 2 r n 的准确测量日趋成熟。但是，随着2 2 0 鼢 问题研究的深入，一个由来已久至今尚未很好解决的问题暴露出来，这就是2 2 0 r n 的计量( 即测量2 2 0 r n 数据的准确性) 问题，其核心是缺乏刻度2 2 0 r n 测量仪的标 准源或标准装置。产生问题的原因是：虽然有标准钍源，但钍射气( 即2 2 0 r a ) 的 析出百分率难以准确确定，即无标准钍射气( 2 z o r n ) 源。所用的标准源是液体或 固体的2 2 0 r n 标准源，实际上是与子体达到平衡的2 3 2 t h 或2 裙t h 源。但由于2 2 0 r n 的 半衰期( 5 5 6 s ) 比2 2 2 r n 的半衰期( 3 8 2 3 d ) 短得多，2 2 0 r n 原子从标准源析出到 空气的过程中有可能发生显著的衰变，从而使析出百分率少于1 0 0 。例如文献 h 5 峙旨出一般认为从钍溶液中析出拗r n 的百分率为8 0 ，并随气流及环境条件的 不同而变化；加拿大p y l o n 公司的固体钍源析出百分率为8 8 ，其不确定度为8 ( 根据其产品说明书中的数据可知) 哺3 。同时2 2 0 r n 的半衰期非常短( 5 5 6 s ) ， 而2 2 0 r n 子体( 如t h b ) 的半衰期相对较长( 1 0 6 4 h ) 很难推导出其探测效率，难 以建立2 2 0 r n 的标准测量装置订1 。 测量方法包括两类，相对测量方法和绝对测量方法。绝对测量方法是指通过 已确立的规律及实测资料，直接确定每个环节的损失，得出计数产额，从而由测 得的计数率求出被测测样的活度。绝对测量要求的条件都比较苛刻，通常总是在 1 最有利的条件下标定一些核素的活度作为标准，而大量的测量工作是依靠以这个 标准为依据的相对测量。相对测量是指测出除活度以外其它方面完全相同的同一 种核素的两个测样活度之比。如果测量仪器是线性的( 或通过改正以后成为线性 的) ，则在完全相同的测量条件下，活度之比就等于指示值( 如净计数) 之比， 如果标准样含有已知活度的该种核素，就可以测出待测样品的活度。这种方法较 为灵活方便，在常规测量中普遍使用。该方法的关键是要有己用绝对测量方法测 好的该种核素的样品来制备标准样。2 2 2 r n 2 2 0 鼬的测量方法也不外乎这两类阳1 。 因此研制出2 2 0 r n 的绝对测量方法及装置，建立2 2 0 r n 的计量标准装置和量值 传递系统，解决2 2 0 r n 的计量问题有着重要的意义。 南华大学周剑良教授的自然科学基金项目组己经验证了一种用小闪烁室实 现流气式绝对测2 2 0 r n 的方法。通过减小闪烁室内部任意两点间的距离和内表面 全部涂上z n s ( a g ) 来提高0 c 粒子的利用效率，使其对脚r n 及其子体的探测效率 接近1 0 0 ；通过改变闪烁室的结构，使其内部没有大的死角和拐点，保证在一 定流率下使流过的气流符合层流状态，从而满足流气式测2 2 0 f h l 的要求。该探测 仪已经制作完成，并且在南华大学氡实验室通过实验验证达到预期的效果。 但是该流气式绝对测2 2 0 r n 装置采用的是传统的插件式机箱，存在着容易受 到环境的影响和不便于携带的缺点，因此，需要设计出种值得推广的，廉价的、 虚拟的绝对测2 2 0 r n 仪。这正是本课题的出发点。 本课题将采用l a b v i e w 开发设计虚拟绝对测2 2 0 r n 仪。与传统的测量仪器相 比，测量时仅需携带探测器和笔记本电脑即可，突破了传统测量仪器受时间、地 点限制的缺点，大大减小设备资金的投入，降低成本节省经费，充分发挥现有仪 器的作用，提高使用效率。同时也为学生开展核电子学等核测量实验提供了初步 的平台。 1 2 国内外研究现状 到目前为止，2 2 0 r n 测量方法和仪器主要有双滤膜筒子体收集法1 、活性炭 滤纸收集法、静电子体收集法1 、闪烁室探测法、热释光测量法汹1 、固体核 径迹探测法1 6 ， 1 、电离室法、半导体探测器测量法驯、流气式测量方法瞳叫、延 迟符合法胁1 、流气式绝对测量法。但是基于l a b v i e w 的虚拟绝对测2 2 0 r n 仪的开 发研制未见报道。 2 虚拟仪器技术目前在国外发展很快，美国作为首先提出虚拟仪器概念的国 家，从一开始就非常重视虚拟仪器的研究与开发，在该领域的研究已处于领先地 位。虚拟仪器系统及其图形编程语言( l a b v i e w ) 已成为各大学理工科学生的 一门必修课，其普及程度是非常广泛的。国外的许多大学都建立了虚拟实验室， 如德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室胁1 ；西班牙大学电子系开发了电子 仪器虚拟工作平台1 ，意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟实验室瞳劓；新加坡国立 大学开发了远程虚拟示波器实验和压力容器实验乜引，在国内虚拟实验也得到了应 有的重视，目前已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，如上海复旦大学、 上海交通大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来这些学校在原有 的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大 学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学的教师 基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将8 台仪器集成 于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学汽车系利用虚拟仪器技 术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。此外，国内已有 几家企业在研制p c 虚拟仪器，也有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运 行状况进行实时监测。国内专家预测：未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为虚 拟仪器，可见虚拟仪器有着广阔的发展前景。 1 3 论文的主要工作及研究路线 依据核测量的特性和l a b v i e w 软件的功能，开发了虚拟核测量仪，并开展 了小闪烁室探测效率和刻度系数实验，进行了氡测量验证工作，并在此基础上完 成了虚拟绝对测2 2 0 r n 仪研究工作。 1 3 1 本研究的主要工作 1 数据采集卡的选取与调试； 2 虚拟仪器的软件编程环境l a b v i e w 的开发和l a b w 动态链接库的调用； 3 函数信号发生器，定标器、双通道示波器等虚拟核测量仪的研制； 4 小闪烁室探测效率和刻度系数实验； 5 氡测量验证实验； 6 虚拟绝对测2 2 0 r n 仪的研制。 1 3 2 设计流程 钍射气通过小闪烁室探测器、前置放大器、主放大器、通过数据采集卡采集 数据，通过利用l a b v i e w 设计定标器( 计数器) 、计数与2 2 0 r n 浓度转换，最后 制作虚拟绝对测2 2 0 r n 仪操作面板。 图1 1虚拟绝对测2 2 0 r n 仪设计方框图 4 第二章虚拟仪器及在核测量中的应用分析 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t 简称v i ) 的概念是由美国国家仪器公司 ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s 简称n i ) 最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软 硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、 频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器 系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。虚拟仪器的核心技术思想就 是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。 虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器为基础，将仪器硬件连接 到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件( 处理 器、存储器、显示器) 和测量仪器( 频率计、示波器、信号源) 等硬件资源与计 算机软件资源( 包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界 面) 有机的结合起来。近几年来，虚拟仪器技术发展非常迅速，所有测量测试仪 器的主要功能可由数据采集；数据测试和分析；结果输出显示等三大部分 组成，其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只 要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机组成的测量测试仪器。基 于计算机的数字化测量测试仪器就称之为虚拟仪器( v i ) 。注意：这里所指的虚 拟仪器和e d a 仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同，它可以完全替代传统台式测 量测试仪器。而e d a 仿真软件中的虚拟仪器是纯软件的、仿真的。虚拟仪器可使 用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪 器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因此可以说“软 件即仪器 。 2 2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成。从构成 方式上讲，则由以d a q 板和信号调理为仪器硬件而组成的p c - d a q 测试系统，或 以g p i b 、v x i 、s e r i a l 和f i e l db u s 等标准总线仪器为硬件组成的g p i b 系统、 v x i 系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。下图为常见的虚拟仪器方案。 图2 1 虚拟仪器的构成框图 2 3 虚拟仪器的特点及优势 图2 2 虚拟仪器开发框架 虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪 器，而软件是虚拟仪器的核心( 如图2 2 所示) ，其中软件的基础部分是设备 驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。 这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。 虚拟仪器中应用程序将可选硬件和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪 器模块间的通信、定时与触发。原码库函数为用户构造自己的虚拟仪器( v i ) 系 统提供了基本的软件模块。由于v i 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由用户自己来增减硬、软件模块， 或重新配置现有系统以满足新的测试要求。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v i 系统而不丢失己有的硬件和软件资源。虚拟 仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构 建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化 的发展趋势，因而常被称作“软件仪器。它功能强大，可实现信号发生器、示 波器、逻辑分析仪、频谱仪等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可 6 检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、 心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备 的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。 2 4 虚拟仪器与传统仪器的比较 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 开发和维修费用低开发和维修费用高 技术更新周期短( 0 5 1 年)技术更新周期长( 5 - - - 1 0 年) 软件是关键硬件是关键 价格低价格昂贵 开放、灵活与计算机同步，可重复用和重复配置固定 可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备 自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便 虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势( 如表2 1 所示) 。在高速度、 高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚 拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪 器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的。 ， ( 1 ) 传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由 此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的 操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯 化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面 板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编 程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。， ( 2 ) 在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。 ( 3 ) 仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。 ( 4 ) 仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。 ( 5 ) 虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 ( 6 ) 由于其以p c 机( 个人计算机) 为核心，使得许多数据处理的过程不必 7 像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用p c 机c p u 的 强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大 为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。 ( 7 ) 可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。 ( 8 ) 虚拟仪器可在较高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技 术更新周期。 ( 9 ) 近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新 型的基于w e b 技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为 i n t e r n e t i n t r a n e t 的一部分，实现远程现场监控和管理。在当前流行的c s d 网络模式下，利用嵌入式技术( 包括数据库嵌入和网络模块的嵌入) 可以充分利 用有效资源，提高测试效率。 2 5 虚拟仪器开发工具的比较 目前可用于虚拟仪器开发的软件可以分为如下两大类，它们都包含界面设计 模块和功能函数设计模块。 ( 1 ) 文本式编程语言，如： v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、j a v a 、c + + b u il d e r 、l a b w i n d o w s c v i 等； ( 2 ) 图形化编程语言，如：l a b v i e w 、职v e e 等； 虚拟仪器的重要组成部分是软件开发平台，它是代表虚拟仪器的整个驱动软 件，因此，软件开发平台的水平在很大程度上代表了虚拟仪器的水平。随着计算 机技术和软件技术的飞速发展，各种专用仪器开发系统的功能也越来越强大和完 善，这里有n i 公司的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i ，l i p 公司的v e e ，i o t e c h 公 司的d a s l a b ，k e i t h l e y 公司的v l e w d a c ，h e md a t e 公司的s n a p - m a s t e r 等， 其中别具特色且在世界上销售量最大的要数n i 公司的l a b v i e w 。 2 6l a b vie w 的介绍 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验 室虚拟仪器工作平台) 是美国( n a t i o n a li n s t r u m e n t 简称n i ) 公司推出的一种基 于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具，是 目前国际上应用最广的虚拟仪器开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、 数据分析、数据显示等领域，并适应于w i n d o w s 、m a c i n t o s h 、u n i x 等多种操作 8 系统平台。与传统程序语言不同，l a b v i e w 采用强大的图形化语言( g 语言) 编程， 面向测试工程师而非专业程序员，编程方便，人机交互界面直观、友好。设计者 可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板，而无需进行 任何烦琐的计算机代码的编写。 l a b v i e w 包括操作面板、框图程序和图表连接器。 ( 1 ) 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的操作 面板。在程序前面板上，输入量被称为控制( c o n t r o l s ) ，输出量被称为显示 ( i n d i c a t o r s ) 。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、 图表、图形等，这使得操作面板直观易懂。 ( 2 ) 每个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用l a b v i e w 图形编程 语言编写，可以把它理解成传统的原代码。框图程序由端口、节点、图框和连线 构成。其中端口用来控制程序前面板和显示传递数据，节点被用来实现函数和功 能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数 据流，定义了框图内的数据流动方向。 图标连接器是子v i 被其它v i 在其它程序框图中被调用的节点表现形式； 而连接器则表示节点数据的输入输出口，就像函数的参数。用户必须指定连接 器端口与前面板的控制和显示一一对应。l a b v i e w 的强大功能归因与它的层次化 结构，用户可以把创建的v i 程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这 种调用的层次是没有限制的。 2 7l a b vle w 的操作模板 l a b v i e w 具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板 可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类，工 具( t o o l s ) 模板、控制( c o n t r o l s ) 模板和功能( f u n c t i o n s ) 模板。 2 7 1 工具模板( t o o i sp a l e t t e ) 工具模板为编程者提供了用于创建、修改和调试v i 程序的工具。当从模板 内选择了任意一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。工具图标有如 下几种。 9 图2 3 工具模板图 2 72 控制模板( c o n tr o l sp a i e t t e ) 用控制模板可l l 给前面板添加输入控制和输出显示。控制如下图所示，它包 括如图所示的几个子模板。 瑚 t 1 ”l “l 4 强一j 6“ 。” 臻毒“：| l 蕊蓟粤。蹦；| ；。譬? j熏雕铡| 一5 r 。1 i “ l 图24 控制模板图 2 73 功能模扳( f u n c t i o n sp a i e t t e ) 功能模板是创建框图程序的工具。功能模板如下图所示。 船_ m j 鹫蔗露糕 1 “唑 鞠 f 誊 睁龟孽 h i ； i t m ，i i pm i t - n t 露；繁 器j 苗j 嘲j 回。， 咯一。矗国i ! 裂；囱i 翌i 笛：导一i 晕鹫露：匡譬i 蹦盛l 图25 功能模板圈 其它几个子模板是l a b v i e w 是附加t o o l k i t 安装上去的。在l a b v i e w 完全板 中不包括这些子模板。 2 8l a b v i e w 具有的特点 ( 1 ) l a b v l e w 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面。提供了大量 的仪器向板中的控制对象，如表头、旋钮、图表等。 ( 2 ) l a b v i e w 使用图标表示功能模块，使用图标问的连线表示各功能模块间 的数据传递，使用大多数工程师和科学家所熟悉的数据流程图式的语言书写程序 源代码。这样使得编程过程与思维过程非常近似。 ( 3 ) l a b v l e w 继承了传统的编程语言中的结构化和模块化编程的优点，这对 于建立复杂应用、提高代码的可重用性来说是至关重要的。 ( 4 ) l a b v i e w 可以采用编译方式运行3 2 位应用程序，这就解决了其它用解 释方式运行程序的图形化编程平台运行程序速度慢的问题。 ( 5 ) l a b v i e w 支持多种操作系统平台，如w i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 n t 、 p o w e r m a c i n t o s h 、职一u x 、s u ns p a r c 等；在以上任何一个平台上开发的l a b v i e w 应用程序都可以直接移植到其它平台上。 ( 6 ) l a b v i e w 提供了大量的函数库供用户直接调用。从数值分析函数。还提 供了许多具有标准接口( 如v x l ，g p i b 等) 仪器的驱动程序，用户可以使用现 成的模块方便地组建自己的测试系统。 ( 7 ) l a b v l e w 是一个开放式的开发平台，l a b v i e w 提供d l l 库接口和c i n 节点使用户有能力在l a b v i e w 平台上使用由其它软件平台编译的模块。 ( 8 ) 借助d d e 、a c t i v e x 、d a t as o c k e t 等技术，扩充系统的开发能力。 ( 9 ) l a b v i e w 运用多线程技术改善系统的运行及可靠性。综上所述，虚拟仪 器是计算机技术、仪器技术、测量技术、d a 、a d 转换技术、软件等技术完美 的结合，成为当今测量测试领域里的一支最重要的力量。基本的数学函数、字符 串处理函数、数组运算函数和文件y o 函数到高级的数字信号处理函数。 2 9 虚拟仪器技术在核领域中应用的优势与不足m ， 核科学领域存在着大量的核科学实验，需要使用各种各样的核实验仪器。将 虚拟仪器技术应用到核科学领域，对于提高核实验的自动化程度，降低核实验的 硬件投资成本是大有好处的。结合核科学实验的特点，分析虚拟仪器技术在核科 学领域中应用的优势与挑战，有利于我们更好地发挥虚拟仪器技术在核领域应用 中存在的长处，克服其存在的不足，拓宽虚拟仪器技术在核领域中的应用范围。 2 9 1 优势分析 ( 1 ) 核科学实验中用到的大量实验仪器的功能都能全部或部分地用虚拟仪 器技术实现，为虚拟仪器技术在核领域中的应用提供了广阔的舞台。 核科学实验中用到的大量仪器都是测量核脉冲信号的，而经过探测器探测到 并分别由放大器放大和信号调理器滤波整形得到的核脉冲信号就是普通的模拟 电信号，能够通过普通的数据采集卡采集到计算机进行处理。而计算机本身强大 的数据处理能力和图形显示功能使得对采集到的核脉冲信号进行数据处理的任 务能够轻松完成，不仅能够实现传统仪器的全部分析功能，而且还能按照用户的 需要扩展新的数据分析功能，显现虚拟仪器较传统仪器在数据处理方面的优势。 ( 2 ) 核科学实验中复杂的操作规程和大量的数据处理加大了虚拟仪器技术 在核领域中应用的需求，更能充分发挥计算机灵活的自动控制能力和强大的数据 处理能力。 核科学实验中要用到大量的实验谱仪，这些实验谱仪往往存在着多个需要控 制的部件。控制方式一般有两种，种主要是开关的闭合，另一种则主要是运动 控制。对于开关控制，要求各开关的控制顺序必须按照一定的逻辑关系进行，任 何违反顺序的操作都可能对谱仪造成损害甚至产生严重的操作事故；而对于运动 控制则要求极高的控制精