第9章虚拟仪器技术

第9章虚拟仪器技术本章重点1．虚拟仪器基本知识2．图形化软件编程平台LabVIEW介绍3．LabVIEW模板（工具模板、控制模板、功能模板）4．LabVIEW的数据类型5．LabVIEW的程序结构6．LabVIEW的显示功能7．LabVIEW编程入门本章难点LabVIEW的程序结构控制和显示功能。9.1虚拟仪器的基本知识9.1.1虚拟仪器的一般概念所谓虚拟仪器(VirtualInstrument，简称VI)，是在计算机硬件平台上，配以I/O接口设备，由用户自行设计虚拟控制面板和测试功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。20多年前，美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提出了虚拟仪器（VI）概念，由此引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，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示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相得益彰。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。9.1.2虚拟仪器的组成虚拟仪器由硬件和软件组成构成虚拟仪器的硬件平台包括两部分：1．计算机：一般为一台PC机或者工作站，它是硬件平台的核心。2．I/O接口设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡 / 板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有五种类型，如图9.1所示。I/O接口设备PC-DAQGPIB仪器串口仪器VXI仪器PXI仪器被测对象计算机及应用软件，LabVIEW,Labwindows/CVI等图9.1虚拟仪器组成虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器硬件由可由以下部分构成：（1）PC–DAQ系统：是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用PCI或ISA计算机本身的总线，故将数采卡/板(DAQ)插入计算机的空槽中即可。（2）GPIB系统：以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。（3）VXI系统：以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。（4）PXI系统：以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。（5）串口系统：以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。虚拟仪器软件由两大部分构成。1．应用程序:它包含两个方面的程序：（1）实现虚拟面板功能的前面板软件程序。（2）定义测试功能的流程图软件程序。2．I/O接口仪器驱动程序:这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。目前已有多种虚拟仪器的软件开发工具。（1）文本式编程语言：如C、VisualC＋＋、VisualBasic、Labwindows/CVI等。（2）图形化编程语言：如LabVIEW、HPVEE等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。本书要介绍的是LabVIEW图形化编程语言。波形测量的三种方式：模拟、数字、虚拟模拟方式扫描电路+模拟信号同步阴极射线示波管(CRT)实时信号处理；上限频率较高；测量精度低；操作复杂数字方式扫描电路=数字时间点►D/A模拟阶梯波阴极射线示波管(CRT)或液晶显示屏非实时处理；信号可存储；测量精度高；数字显示；操作简单模拟信号►A/D数字信号►D/A模拟梯形波虚拟仪器方式扫描电路=数字时间点计算机屏幕，LabVIEW程序，虚拟控制面板非实时处理；信号可存储；测量精度高；可进行复杂运算和处理；虚拟控制面板数字显示；操作简单模拟信号►A/D数字信号LabVIEW、采集接口Y1Y2衰减器衰减器前置放大前置放大触发电路校准信号门电路电子开关及混合放大延迟线输出放大时基发生器X输出放大电源9.1.3虚拟仪器的特点虚拟仪器与传统仪器有着很大差别，传统仪器主要由硬件组成，需要操作者操作面板上的开关旋钮完成测量工作。其测试功能是由具体的电子电路来实现的。而在虚拟仪器中，其测试功能主要有软件完成，其操作面板变成了与实物控件对应的图标。所以，虚拟仪器具有以下特点：1．虚拟仪器的面板是虚拟的虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的，它的外形是与实物相像的“图标”。对虚拟仪器的操作只需用鼠标点击相应图标即可，设计虚拟面板的过程就是在前面板窗口中选取、摆放所需的图形控件的过程。所以，虚拟仪器具有良好的人机交互界面，使用LabVIEW图形化编程语言，可在短时间内轻松完成一个美观而又实用的“虚拟仪器前面板”的设计，使整个设计过程变得轻松而有趣。2．虚拟仪器测量功能是由软件编程实现的在以PC计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能，因此，虚拟仪器具有很强的扩展功能和数据处理能力。3．开发研制周期短，技术更新速度快。传统仪器的技术更新周期大约是5至10年，而虚拟仪器的更新周期是1至2年。4．软件、硬件具有开放性、模块化、可重复使用的特点。5．通过使用标准接口总线和网卡，极易实现测量自动化、智能化和网络化9.1.4虚拟仪器的应用领域1.应用于电子工程、机算机工程、机械工程、生物工程、物理系、化学工程等工程领域中的测试测量和自动化应用。2.应用于实验室科学研究3.可以非常灵活地为教学中的原理设计实验并进行直观的演示。期刊网检索情况统计“虚拟仪器”1979-19881989-19931994-19981999-20032004-20070篇312篇2529篇4368篇0篇理工类农业类经济管理类文史类教育与社会类医学类政治军事法律电子技术与信息科学4815265419416510968103学科篇数2001-2007；关键词：LabVIEW或虚拟仪器9.2.1LabVIEW简介LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国国家仪器公司(NationalInstrumentCompany，NI公司)开发的一种基于G语言(GraphicsLanguage，图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。LabVIEW是一种用图标代码来代替编程语言创建应用程序的开发工具。它以数据流编程的方法描述程序的执行。LabVIEW用图形语言（图标和连线）代替文本的形式编写程序，它所具有的扩展函数库包括数据采集、GPIB和串口仪器控制、数据显示、分析与存储等内容。为了便于程序的开发调试，LabVIEW还带有传统的开发调试工具，可设置断点、单步执行，也可以激活程序的执行过程，以动画的形式查看数据流的运行情况。9.2图形化软件编程平台LabVIEWLabVIEW具有如下特点：（1）图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。（2）提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。（3）既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。（4）提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLs(动态连接库)、DDE(共享库)、ActiveX等。（5）强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。9.2.2LabVIEW编程环境以LabVIEW7Express为例，介绍LabVIEW系统安装、基本组成、编程环境。1．LabVIEW系统安装将LabVIEW7Express光盘插入CD驱动器后，只需运行安装光盘中的Setup程序，按照屏幕提示，选择必要的安装选项即可完成。为了控制DAQ、VXI、GPIB等硬件设备，在LabVIEW系统安装完成后，还必须安装NI公司提供的仪器驱动程序。2．LabVIEW启动双击LabVIEW快捷方式图标即可启动LabVIEW。启动后的界面如图9.2所示。界面右侧有4个按钮，每个按钮都包含按钮主体和下拉菜单。单击按钮主体则弹出相应的对话框，单击右侧下拉按钮则弹出下拉菜单。当用户单击NewVI按钮右侧下拉按钮，并在下拉菜单中选择BlankVI，LabVIEW会生成一个空VI，空VI包括两个窗口，一个是前面板窗口，用于设计和编辑前面板对象，另一个是框图程序窗口，用于设计和编辑框图程序。图9.2LabVIEW7Express启动界面3．窗口工具条在前面板和框图程序窗口，设有编辑对象用的工具条，工具条各图标的功能如表9.2.1所示。①虚拟仪器启动运行按钮。②虚拟仪器连续运行按钮。③中断按钮当执行按钮变为此形状时，表明VI有错误，不能编译运行，单击该按钮，可弹出ErrorList对话框，提示VI中的错误。④停止按钮，终止程序运行。⑤暂停按钮，暂停程序运行。⑥指示灯按钮，点击该按钮后，在流程图编辑窗口中可以看到数据流的流动动画。⑦单步（入)按钮,按节点顺序单步执行程序，每单击一次，程序执行一步。⑧单步（跳）按钮，单击此按钮，按节点顺序单步执行程序（不进入循环、SubVI内部）。⑨单步（出）按钮，单击此按钮，退出单步执行，进入暂停状态。⑩对齐列表框单击此按钮，可选择图标的对齐方式。分布列表框，单击此按钮，可选择图标的分布方。重新排序列表框，为选定对象重新设定在窗口中的前后顺序。⑾文字编辑框，用于虚拟仪器设计过程中涉及到的文字的编辑，如选择文字的大小、颜色、字体等。4．窗口主菜单主菜单栏共有七个子菜单如图9.3所示。图9.3窗口主菜单9.2.3基本VI简介图9.4、9.5是一个正弦信号产生器VI的前面板和框图程序，前面板有一个波形显示控件，在框图程序中，有与之对应的图标端口和模拟信号产生VI。波形显示控件模拟信号产生VI前面板显示控件端口正弦信号图9.4正弦信号产生器前面板图9.5正弦信号产生器框图程序VI程序由：前面板（frontpanel）、框图程序（blockdiagram）、图标/连接端口（icon/connector）3部分组成。1.前面板前面板是用于设置输入数值和观察输出结果的图形化用户界面，前面板中的输入量被称为控制（controls）,用来设置和修改VI的输入量。输出量被称为指示（indicators），用来指示VI程序输出的数据。控制和指示包括各种旋钮、按钮、开关、表头、图标和图形等。为使前面板便于操作和美观，还有一类控件称为装饰（decoration），其作用是对前面板图标进行编辑和修饰。2．框图程序框图程序由节点（node）、端口（terminal）和数据连线（wire）组成。（1）节点是程序的执行元素，相当于文本语言中的语句、函数或子程序。LabVIEW有4种节点类型：功能函数（functions）结构控制（strctures）、代码端口（CIN）子VI节点。功能函数是执行各种数学运算、文件输入输出等基本操作的节点，是LabVIEW