计算机虚拟仪器技术(1)
虚拟仪器技术简介
虚拟仪器的发展方向
• 虚拟仪器的标准化、模块化、网络化。 • 网络技术应பைடு நூலகம்到虚拟仪器领域中是虚拟 仪器发展的大趋势。 • 21世纪的仪器应具有参与性。 • 21世纪的仪器应最大限度实现绿色化。
虚拟仪器的应用领域
• • • • • 应用于生产检测 应用于研究和分析 应用于过程控制和工业自动化 应用于机器监控 图象处理（机械视觉技术）
虚拟仪器的特点
（1）硬件标准化模块化，强调“软件即仪器”的 新概念。 （2）系统集成化，打破了传统仪器小而全的现状。 （3）仪器自定义，便于工作和管理。 （4）程序设计图形化（G语言），计算可视化。 （5）内嵌丰富的数据信号处理功能 （6） 基于计算机网络技术和接口技术，利用虚拟 仪器技术可方便地实现测量、控制过程的网络化。
本书的结构
• 第1-2章：Labview 入门，前面板和程序框图设计方法，这是 Labview编程最基本技能。 • 第3章：程序结构 • 第4章： 数组、簇、波形 • 第5章：图形控件和图形数据显示 • 第6章：Express VI • 第7章：字符串和数据文件 • 第8章：硬件内容：数据采集及信号调理 • 第9章：数据分析与处理 第10章：动态程序控制 • 第11-20章：专题内容： • 第11章：仪器控制、 • 第15章：频率测量 • 第19章：网络应用
模拟仪器->数字化仪器->智能仪器; 单台仪器->层叠式仪器系统阶段 从80年代进入虚拟仪器系统时代, 虚拟仪器技术是21世纪仪器的发展方向！ 虚拟仪器将在许多品种和领域内逐步取代 传统硬件仪器，使成千上万种传统仪器演 变为计算机软件！
The Software is The Instrument!
虚拟仪器的构成及分类
虚拟仪器技术
传统仪器:特定功能和仪器外观. 传统仪器:特定功能和仪器外观.
虚拟仪器(VI,Virtual Instrumentation):是一种以 虚拟仪器(VI, Instrumentation):是一种以 ): 计算机和测试模块的硬件为基础 以计算机软件为核 硬件为基础, 计算机和测试模块的硬件为基础,以计算机软件为核 所构成的, 心所构成的,并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面 以及由计算机所完成的仪器功能, 板,以及由计算机所完成的仪器功能,都可由用户软 件来定义的计算机仪器. 件来定义的计算机仪器.
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
如:虚拟示波器
Vi
输入电路
A/D
RAM
控制系统
PC机
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
虚拟数字电压表
基于虚拟仪器的 温度检测与控制
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
2. 虚拟仪器的特点
从虚拟仪器的组成结构上来看: 从虚拟仪器的组成结构上来看: (1)虚拟仪器的硬件是通用的(包括通用计算机硬件平台和通用 )虚拟仪器的硬件是通用的( 的测量功能硬件);
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
1990年代,虚拟仪器得到业界广泛认可和应用, 1990年代,虚拟仪器得到业界广泛认可和应用,相继 年代 推出了基于GPIB总线 总线( 推出了基于GPIB总线(General Purpose Interface Bus), -DAQ( Bus),PC-DAQ(Data Acquisition)和VXI总线 ),PC Acquisition) VXI总线 Instrumentation,1987年 (VMEbus eXtension for Instrumentation,1987年), PXI总线 PXI总线(PCI eXtension for Instrumentation,1997年) 总线( Instrumentation,1997年 等多种虚拟仪器系统. 等多种虚拟仪器系统. 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术. 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术. 底层驱动和上层应用软件融为一体. 底层驱动和上层应用软件融为一体. 虚拟仪器软件的标准化: VPP(VXI即插即用 即插即用, 虚拟仪器软件的标准化: VPP(VXI即插即用, VXIplug&play,1993年 VXIplug&play,1993年) 和VISA(Virtual VISA( Instrument Software Architecture, 虚拟仪器软件体系 Architecture, 结构). IVI( Instruments, 结构). IVI(Interchangeable Virtual Instruments, 可互换式虚拟仪器,1997年 可互换式虚拟仪器,1997年).
虚拟仪器技术
虚拟仪器简介虚拟仪器的相关介绍2.1 虚拟仪器技术虚拟仪器技术是以计算机软硬件技术为核心，以自动控制技术、传感器技术、现代信号处理技术、现代网络技术、数值分析技术为支撑，以各专业学科为应用背景的现代测试技术。
它利用高性能的模块化集成概念和方法，结合软件设计平台高效、简便的程序编译功能，依据用户各类特殊需求创建出人机对话界面，实现并取代各类特殊、昂贵的测试仪器的功能，目前已经成为测试理论和应用实验研究的重要支撑。
传统电子仪器存在的诸多弱点使传统仪器已渐渐不能满足工业自动化和测量领域的需要。
随着计算机技术日新月异的飞速发展，计算机强大的数据处理能力使得它的应用范围越来越广。
1986年，美国NI公司（National Instruments）提出虚拟仪器的概念，以“软件即仪器”为口号，彻底打破了传统电子仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一场革命。
简单地说，虚拟仪器技术就是利用计算机技术实现的对测控系统的抽象。
平常使用的示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪，以及传感器等传统仪器，都可使用通用计算机和专用的控制器和显示器来模拟，实现向虚拟仪器的转变。
用户在计算机屏幕上用鼠标和键盘就可设置参数、观察波形，取代以往的在传统仪器面板上调节旋钮、观察曲线等操作，更为快捷方便。
可见虚拟仪器反映的是一种“硬件软件化”的思想和趋势。
虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器的发展方向。
而Labview是世界上最优秀的虚拟软件开发平台。
使用Labview的最开发虚拟仪器最大的好处是提高开发的效率。
据统计使用Labview开发虚拟仪器比使用基于文本的语言开发效率可以提高10—15倍，程序的执行速度去几乎不受影响；时时在信号处理等方面的强大功能方面是组态软件不可以比拟的。
2.2 虚拟仪器的组成与分类虚拟仪器包括硬件和软件两大部分。
硬件主要是获取现实世界的被测信号, 提供信号传输的通道。
9.1 虚拟仪器技术概述
第八章虚拟仪器设计8.1 虚拟仪器技术随着计算机技术的高度发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。
虚拟仪器是20世纪90年代提出的概念，是现代计算机技术、仪器技术及其它新技术完美结合的产物。
虚拟仪器的提出与发展，标志着21世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向。
8.1.1 虚拟仪器的概念传统仪器一般是一台独立的装置，从外观上看，它一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。
操作面板上一般有一些开关、按钮、旋钮等。
检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及打印输出等。
从功能方面分析，传统仪器可分为信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几个部分。
传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。
传统仪器大都是一个封闭的系统，与其它设备的连接受到限制。
另外，传统仪器价格昂贵，技术更新慢（周期为5至10年），开发费用高。
随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展，出现了数字化仪器和智能仪器。
尽管如此，传统仪器还是没有摆脱独立使用和手动操作的模式，在较为复杂的应用场合或测试参数较多的情况下，使用起来就不太方便。
由于以上这些原因，使传统仪器很难适应信息时代对仪器的需求。
那么如何解决这个问题呢？可以设想，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能，这就是设计虚拟仪器的核心思想。
所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。
虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。
随着计算机技术的快速发展、CPU处理能力的增强、总线吞吐能力的提高以及显示技术的进步，人们逐渐意识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。
虚拟仪器
虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。
从虚拟仪器的组成结构上来看：（1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件）；(2）良好的人机界面。
虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通过“控件”虚拟出面板）；（3）功能强。
虚拟仪器的功能是由用户软件定义的;（4）虚拟仪器之“虚拟”含义:虚拟仪器面板；软件实现仪器功能。
如：基于高速数据采集硬件，通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。
（5）因此，软件是虚拟仪器的核心，NI 提出“软件即仪器”（The software is the instrument）。
与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点：1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性）好；充分利用计算机丰富的软硬资源。
仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪器）。
仪器升级方便，性价比高（一机多用）。
基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟仪器”。
（2）操作方便；通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面板。
（3）硬件模块化、系列化；基于仪器总线技术，设计出模块化、系列化硬件。
1. 虚拟仪器系统组成及各部分基本功能虚拟仪器的系统构成硬件和软件两大部分构成。
硬件是基础，软件是核心。
各部分基本功能虚拟仪器的内部功能，可划分为信号调理与采集、数据分析和处理、参数设置和结果表达三大功能模块。
信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器驱动程序共同完成，而数据分析与处理、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。
第二章LabVIEW 概述LabVIEW的特点-图形化的仪器编程环境提供显示和控制对象，如表头、旋钮、图表等。
虚拟仪器技术-虚拟仪器基础实验(1)
《虚拟仪器技术》
VISA在LabVIEW中的实现
➢ 1.VISA子模板简介 VISA功能模块位于Instrument I/O →VISA→VISA Advanced 子模板中如图。
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➢ 2.VISA 总线系统软件设计 VISA子模板中各个函数的端口图和功能如表
《虚拟仪器技术》
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✓ （3）编程开发者接口。它是应用程序调用驱动程序的软 件接口，通过此接口可方便地调用仪器驱动程序中所定义 的所有功能函数。
✓ （4）VISA I/O接口。它通过本接口调用VISA这一标准的 I/O接口程序库，提供了仪器驱动器与仪器硬件的通信能 力。
✓ （5）子程序接口。它使得仪器驱动器在运行时能调用其 它所需要的软件模块（如数据库、FFT等），而提供的软 件接口。
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《虚拟仪器技术》
（2）在属性节点弹出选单，选择Select Class→VISA→I/O Session 选项，如图8-7所示，在此选项的下列选单包含各 种不同的VISA类，选择VISA类后进行属性设置。
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➢ 4. 实例 【例8-1】VISA锁定机制的运用 VISA锁定机制允许优先通过独立的操作访问资源。
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VISA的组成原理
➢ 1、VISA的内部结构 VISA的内部结构简化图
《虚拟仪器技术》
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《虚拟仪器技术》
✓ 1）资源管理器 VISA资源管理器是用于管理所有资源的一种系统资源 （控制设备资源），执行管理、控制和分配VISA资源的 操作。
✓ 2）资源 VISA的资源类概念类似于面向对象程序设计方法中类的 概念，它是一个实例的外观和行为的描述，是一种抽象化 的设备特点的功能描述，是对资源精确描述的专用术语。
虚拟仪器1
班级:工艺3092班姓名:黄威学号:1307093104虚拟仪器课程设计一:虚拟仪器概述及其特点虚拟仪器（Virtual Instrument——VI）——计算机化的测量仪器；是计算机与相关面向仪器的软、硬件产品的有机结合。
使用者通过友好的图形界面即虚拟仪器的前面板操作计算机，就像在操控自己定义、设计的测量仪器一样，并可以方便地组合、更新和扩展它，从而更快捷、更经济、更灵活地解决各个领域的测量和自动控制等应用问题。
由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成，共同完成传统仪器的功能1-1 虚拟仪器的主要特点：1.尽可能采用通用的硬件，各种虚拟仪器之间的差异主要是软件。
2.充分发挥计算机的能力，具有强大的数据分析和处理功能，可以创造出功能更多、更强的测量或测控仪器及系统。
3.用户可根据自己的实际需求，很便利地自主构建新的虚拟仪器。
虚拟仪器的特点总概括为:▪丰富和增强了传统仪器的功能▪突出“软件即仪器”的概念▪仪器由用户自己定义▪开放的工业表准▪便于构成复杂的测试系统，经济性好▪1-2虚拟仪器在各领域中的应用由于虚拟仪器技术的强有力支持，科学家和工程师们可以方便地建立适合自己需要的测控系统，再也不必将自己封闭在固定传统仪器的狭窄天地中。
在电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域中都有极为广泛的应用。
在电子和通信工程中，虚拟仪器可用于电子测量和信号分析；在自动化检测领域内，虚拟仪器可用于数据采集和控制；在航天航空学科里，虚拟仪器可用于监测和分析火箭或卫星传递来的复杂数据，已被美国航天航空局（NASA）用于火星探险；在基础学科的研究中，虚拟仪器可用于设计实验系统，例如用于生化领域中监测薄膜分子的相互作用，以及医学领域中研究嗅觉和视觉。
虚拟仪器诞生以来的爆炸性发展令人惊叹，许多最新的大规模高精尖工程中都有它的用武之地。
太空光谱有限公司（Spectrum Astro, Inc.）的Roger Jellum 和Tom Arnold开发的AstroRT，是一种基于LabVIEW的数据采集和控制系统，用于航天器的制造测试和轨道姿态控制，可收集、处理和分配从航天器传来的遥感探测信息。
计算机虚拟仪器技术的概念
计算机虚拟仪器技术的概念一、引言计算机虚拟仪器技术是一种基于计算机硬件平台，结合特定软件，实现测量、数据处理、分析、存储及结果显示等功能的技术。
它广泛应用于各种科研、生产、维修等领域，极大地提高了测试和测量的效率及精确度。
二、基于计算机的硬件平台计算机虚拟仪器技术的硬件基础是计算机硬件平台，包括台式机、笔记本、平板等，这些硬件平台为虚拟仪器的实现提供了基础计算能力。
三、图形化用户界面虚拟仪器的用户界面通常采用图形化方式，这种方式直观、易于理解，用户可以通过鼠标、键盘等输入设备对仪器进行操作和控制。
四、软件驱动的仪器虚拟仪器的核心是软件，它负责实现仪器的各种功能。
通过软件，用户可以设定仪器的工作模式、测量范围、数据处理方式等。
五、数据采集与分析虚拟仪器能够实现数据采集与分析。
它可以接收来自传感器或其他设备的数据，进行存储和分析。
通过软件，用户可以对采集到的数据进行处理和分析。
六、可自定义的仪器功能虚拟仪器的另一个重要特性是可自定义。
用户可以根据自己的需求，编写或修改软件，使仪器具备特定的功能。
这使得虚拟仪器具有极高的灵活性。
七、网络化测量与远程控制借助网络技术，虚拟仪器可以实现远程测量和控制。
用户可以在不同的地点对仪器进行操作，或者将测量数据发送到其他设备上进行处理。
八、模块化与扩展性虚拟仪器通常采用模块化的设计方式，这种方式使得它们可以根据需要进行扩展或缩减。
用户可以根据实际需求，添加或删除功能模块。
总结：计算机虚拟仪器技术是一种灵活且功能强大的测量技术。
通过利用计算机硬件平台和特定软件，它能够实现各种测量任务。
同时，由于其可自定义的特性，用户可以根据自己的需求对仪器进行定制。
此外，网络化测量和远程控制功能使其在实际应用中具有更大的便利性。
模块化的设计方式则使得虚拟仪器可以根据需要进行扩展或缩减。
总的来说，计算机虚拟仪器技术是一种广泛应用于各种科研、生产、维修等领域的先进技术。
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ห้องสมุดไป่ตู้
该简单的样例程序就可以插入任何ActiveX控件(COM组件)，如 下图所示：
Windows日期控件
设计完成的容器程序
LabView选钮控件
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2)虚拟仪器控件设计(COM组件)
MFC ActiveX
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重载绘图方法部分
3.仪器定义和功能的转变
传统仪器:厂商定义
虚拟仪器:用户定义
用户定义虚拟仪器的优点：
• 用户定义 • 低费用 • 灵活 • 可再用性 • 可重新配置
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4.虚拟仪器的组成 程序解决方案
PXI DAQ VXI IMAQ GPIB Motion
硬件板卡
软件驱动模块
软件
PXI : PCI Extensions for Instrumentation DAQ(数据采集)
VXI :VMEbus Extension for Instrumentation IMAQ(图像采集)
GPIB: General Purpose Interface Bus
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5、常用虚拟仪器板卡
DAQ Card
Motion Control Card
IMAQ Card
Field Point
图象
分布式 I/O 动作
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11、虚拟仪器技术的优点
VI 软件使得开发与维护费用降至最低
技术更新周期短(1～2年) 关键是软件
价格低、可复用与可重配置性强 用户定义仪器功能
开放、灵活，计算机技术同步发展 与网络及其它周边设备互联
传统仪器 开发与维护开销高 技术更新周期长(5～10年)
DirectView
ProcessControl
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LabView
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华中科技开发的虚拟仪器平台
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8、小型虚拟仪器系统开发
计算机虚拟仪器技术(1)
2020/12/8
计算机虚拟仪器技术(1)
1. 虚拟仪器定义
虚拟仪器 是在计算机上 显示传统仪器 面板，它将硬 件电路完成的 信号调理和处 理功能由计算 机程序完成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的 一大特征。
计算机虚拟仪器技术(1)
2.虚拟仪器技术的发展过程
计算机虚拟仪器技术(1)
计算机虚拟仪器技术(1)
9、催生虚拟仪器的土壤
芯片
硬件 软件 网络 LANs 总线 AT
Internet
计算机技术的进步
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10、基于虚拟仪器的新型工业测控系统架构
数据采集
自动化 软件
串行口 PLC
公司 Intranet or Internet
个人计算机或 工作站
过程
现场总线
医药
– Johnson & Johnson, Proctor & Gamble
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动手做： 用“个人测试实验室”设 计一个简易声级计。
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3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/12/8
计算机虚拟仪器技术(1)
计算机虚拟仪器技术(1)
6、虚拟仪器软件驱动模块
为简化硬件板卡编程和控制，NI和Agilent标准 化了数百种常用仪器、板卡的驱动，它们已成为虚 拟仪器开发平台的一部分，开发时可直接复用这些 硬件驱动代码。
用户界面
软件驱动
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IVI 结构： Applications Program IVI Class Driver
关键是硬件 价格昂贵
厂商定义仪器功能 封闭、固定
功能单一的独立设备
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12、虚拟仪器技术的主要应用领域
测试和测量
通讯 – AT&T, Alcatel, Ericsson
计算机 – IBM, Apple, Dell
半导体 – Motorola, TI, ThomsonCSF
汽车 – Ford, Chrysler, Nissan, Toyota
电子 – Sony, Siemens
工业自动化
石油化工
– Shell, Mobil Research 纺织
– Instron, Dupont, Eli Lilly, Albany International
制造
– Ericcson, Duracell 食品加工
– Sara Lee, Ben & Jerry抯, Shiner
设计完成的控件
计算机虚拟仪器技术(1)
3)虚拟仪器图形控件设计简介
绘图过程分解：
80
0
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设计样例：
-50
50
数字电压表
x=120 y=70 Fillbar x,y,140,120,10904646 Arc x+70,y+100-15,80,45,135,14 Fillcircle x+70,y+90,4,14 Line x+70,y+100-10,x+14,y+27,14 Line x+70,y+100-10,x+127,y+27,14 Line x+70,y+5,x+70,y+15,14 Textout x+30,y+70,15,"-50" Textout x+90,y+70,15,"50" Textout x+35,y+100,15,"数字电压表" Line x,y,x+140,y,15 Line x,y,x,y+120,15 Line x+140,y,x+140,y+120,8 Line x,y+120,x+140,y+120,8 Line x+70,y+100-10,x+100,y+20,12 Line x+71,y+100-10,x+100,y+20,12 Line x+69,y+100-10,x+100,y+20,12
Plug&Play
IVI Instrument Specific Driver
VISA(Virtual Instrument System Architecture)
PC Plugin
GPIB
PXI
VXI
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7、常见的虚拟仪器软件平台
LabView
Agilent VEE
DASYLab
虚拟仪器为计算机在工业领域中的应用提供一项很好的技术解决 方案，在制造业中我们可以借鉴它来进行机床操作面板设计等工作。
目的：LabView，VEE过于庞大，不适合在现场使用，缺乏面向某一 特定领域的专用控件。
计算机虚拟仪器技术(1)
1) 虚拟仪器主体程序设计(COM容器)
MFC Exe
Support ActiveX Control