第3章虚拟仪器的软件开发平台

第3章虚拟仪器的软件开发平台1.什么是虚拟仪器?虚拟仪器是指，在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。•VirtualInstrument，VI3.1虚拟仪器的概念2.虚拟仪器的特点仪器=A/D+CPU+软件TheSoftwareIsInstruments传统仪器虚拟仪器实物面板图标面板关键是硬件关键是软件开发与维护费用高开发与维护费用低技术更新周期长技术更新周期短价格高价格低，并且可重用性与可配置性强厂商定义仪器功能用户定义仪器功能系统封闭、固定系统开放、灵活，与计算机的进步同不易与其他设备连接容易与其他设备连接3.虚拟仪器的体系4.虚拟仪器的分类按接口总线类型不同划分数据采集卡式DAQRS232/RS485虚拟仪器并行接口虚拟仪器USB虚拟仪器GPIB虚拟仪器VXI虚拟仪器PXI虚拟仪器IEEE1394接口虚拟仪器5虚拟仪器的软件开发平台软件平台基于文本式编程语言开发工具VC++，VB，C++Build，LabWindows/CVI，Delphi等。基于图形化编程语言开发工具LabVIEW（NI公司）HPVEE（HP公司）软面板举例：动态信号分析仪软面板6.虚拟仪器的应用航空航天教学核工业军工通信测试铁道…….3.2虚拟仪器开发工具-LabVIEWLabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司推出的一种基于G语言(GraphicsLanguage，图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具；目的：简化程序的开发工作，使用户能快速、简便地完成自己的工作。3.2.1LabVIEW的特点（1）编程简单，不需要记忆编程语言；（2）开发周期短；（3）高效性，这主要是以软件做保证；（4）开放性，可根据实际情况进行更新扩展，发展迅速；（5）自定义性，工程师们可以在非常广泛的测量和控制应用中自定义芯片级硬件功能；（6）性价比高，能一机多用。3.2.2LabVIEW8.2开发平台使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器，简称VI。VI由以下3部分构成：前面板：即用户界面；程序框图：包含用于定义VI功能的图形化源代码；图标和连线板：用以识别VI的接口，以便在创建VI时调用另一个VI。当一个VI应用在其他VI中，则称为子VI。子VI相当于文本编程语言中的子程序。1.前面板前面板是VI的用户界面。创建VI时，通常应先设计前面板，然后设计程序框图执行在前面板上创建的输入、输出任务。2.程序框图程序框图是图形化源代码的集合，图形化源代码又称G代码或程序框图代码。程序框图由接线端、节点、连线和结构等构成。程序框图对象程序框图由接线端、节点、连线和结构等构成:接线端：是程序框图中传递数据的起点和终点。控件接线端用来为前面板上的对象与程序框图传递数据。节点：是实现程序功能的基本单元，具有输入、输出端，在VI运行时完成一定的操作。连线：是程序框图中各个对象之间传递数据的通道。结构：是文本编程语言中的循环和条件语句的图形化表示。3.图标和连线板创建VI的前面板和程序框图后，可创建图标和连线板，以便将该VI作为子VI调用。图标和连线板图形：图标是VI的图形化表示，可包含文字、图形或图文组合。连线板用于显示VI中所有输入控件和显示控件的接线端，类似于文本编程语言中调用函数时使用的参数列表。3.2.3LabVIEW8.2的操作选板LabVIEW8.2包含3个操作选板:工具选板控件选板函数选板1.工具选板2.控件选板控件选板包括创建前面板所需的输入控件和显示控件。经典控件子选板3.函数选板函数选板中包含创建程序框图所需的VI和函数。编程子选板的图标、名称及功能3.2.4LabVIEW8.2的菜单和工具栏LabVIEW8.2菜单LabVIEW8.2的工具栏中止执行文本设置对齐对象分布对象显示即时帮助窗口单步步入单步步过单步步出3.2.5LabVIEW8.2中的数据类型支持的数据类型有：数值型布尔型数组型字符串型波形数据类型簇路径3.2.6创建虚拟仪器1.创建一个虚拟仪器的一般步骤（1）前面板设计（2）程序框图（3）数据流编程（4）功能检验（5）保存文件创建一个虚拟仪器两数相加与两数相减VI2.调试虚拟仪器虚拟仪器的一般调试步骤（1）运行VI（2）清除语法错误（3）高亮显示执行过程（4）单步执行（5）探针工具（6）断点3.创建和调用子VI构造一个子VI的主要工作就是需先为子VI创建连线板和图标调用子VI示例前面板框图程序4.虚拟仪器创建举例测温范围：0~100oC测温传感器：AD590，灵敏度：1μA/K例1虚拟温度计虚拟温度计VI前面板框图程序例2求N!main(){inta,i,n；a=1;i=0;scanf(“%d”,&n)；do{i=i+1；a=a*i；}while(in);printf(“n!=%d”,a)；}前面板和程序框图例3波形显示设计一个VI，显示一个正弦波电压测量结果。电压采样从0开始，每隔2ms采样一个点，共采样50个点，要求程序的显示能够反映出实际的采样时间及电压值。电压测量VI的前面板和程序框图3.3虚拟仪器的数据采集DAQ虚拟仪器又称PC-DAQ仪器系统，其组成如下图所示。它由一台PC机和基于标准总线的采集卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件来支持硬件工作。1.数据采集设备的设置与测试测试与自动化资源管理器MAX是Measurement&AutomationExplorer的缩写，是访问计算机当中NI的各种软硬件资源的一个接口。设备设置与测试在Measurement&AutomationExplorer的下拉菜单中，可利用Self-Test，TestPanels对采集卡进行自检，面板测试等操作。2.利用NIUSB-6009数据采集卡实现数据采集主要技术指标：8个模拟通道（14位、48位kS/s采样速度）；2路14位模拟输出通道；12个I/O通道；1个32位计数器/定时器。产品通过USB接口供电，不需要任何外接电源。它们均包括用于直接信号连接可拆卸螺孔端子、用于支持外部设备以及传感器1个参考电压、低噪音高精度的4层电路板，以及高达±35v的模拟输入过电压保护。模拟输入：AI0~AI7模拟输出：AO0,AO1数字I/O：P0.0~P0.7,P1.0~P1.3定时/计数器：PFI0NIUSB-6009的接线端子分配（1）利用DAQ助手创建数据采集程序程序框图运行结果利用NI-DAQmx采集函数实现数据采集单通道数据采集VI多通道数据采集VI（2）利用NI-DAQmx函数构建模拟输出模拟输出程序框图前面板（3）利用NI-DAQmx函数构建数字I/O输出控制P0口的8根I/O线输出状态（4）工程实战霍尔元件传感器调理电路6009数据采集模块Labview处理控制和显示基于LabVIEW计数信号采集与控制平台的构建1）霍尔元件传感器典型的线性型霍尔器件H032）调理电路原理图霍尔元件H03的管脚3输出的交流电压脉冲信号，通过C0601耦合到OP07的输入端，经OP07放大后，送至LM393电压比较器，将模拟信号转换为输出信号，送至DAQ6009的计数通道。3)计数器数据采集与控制程序前面板程序框图3.4虚拟仪器的信号分析与处理为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为：时域和频域。幅值时域分析频域分析时域分析与频域分析的关系1.信号的时域分析时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号的作用下，其输出信号随时间的变化情况；信号的时域描述:以时间为独立变量，描述信号随时间的变化特征，反映信号幅值随时间变化的关系；优点:形象、直观缺点:不能明显揭示信号的内在结构信号的时域分析举例一相关分析所谓“相关”是指变量之间的线性关系；相关性是指信号的相似和关联程度，相关分析不仅可用于确定性信号，也可用于随机信号的检测、识别和提取等；相关分析常用相关函数（自相关函数和互相关函数）或相关系数来描述；相关函数和功率谱(密度)是一对傅立叶变换。相关函数nxymnynxmR)()()(相关函数序列自相关函数：反映了信号在时移中的相关性。互相关函数：反映了两个信号在时移中的相关性。相关分析工程应用实例自相关分析：机械加工表面粗糙度互相关分析：地下输油管道漏损位置的探测将两拾音器测得的音响信号x1(t)和x2(t)进行互相关分析，找出互相关值最大处的延时τ，即可由τ确定油管破损位置。2vSLabVIEW中的相关分析函数AutoCorrelation.viCrossCorrelation.vi10NkkjkjXXRxx10NkkjkYXRxyj互相关运算举例前面板程序框图2.信号的频域分析频域分析是采用傅立叶变换将时域信号X(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征；信号的频域描述：应用傅里叶变换，对信号进行变换(分解)，以频率为独立变量，建立信号幅值、相位与频率的关系;特点：频域描述抽取信号内在的频率组成，信息丰富，应用广泛。时域-频域关系的建立时域信号x(t)的傅里叶变换为:例如，50Hz正弦波信号x(t)=10sin(2*π*50*t)其频谱函数为转换过程如图所示:频域分析应用描述信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观、更丰富的信息。(1)快速傅立叶变换FFT的实现傅里叶变换是信号处理与数据处理中一个重要分析工具，其意义在于将时域与频域信号联系起来，通过频域分析将复杂的信号分解为各个单一的频率成分。FFT.vi例:双边傅里叶变换前面板程序框图Nffs频率间隔与采样频率和采样点数的关系（2）频谱分析频谱分析是指把时间域的各种动态信号通过傅里叶变换转换到频率域进行分析。内容包括:①频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱；②功率谱分析：包括自谱和互谱；③频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱之比；④相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱的相关程度。举例：功率谱LabVIEW8.2中，用于计算输入序列的单边自功率谱函数AutoPowerSpectrum.vi的图标及端口如图所示。等效数学运算式公式2)()(NsignalFFTsignalFFTSpectrumPower自功率谱分析举例前面板程序框图3.数字滤波器数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改变信号的质量，达到滤波或加工信号的目的。数字滤波器分为无限冲激响应滤波器IIR有限冲激响应滤波器FIR特点：精度高、稳定性好、灵活性强、处理功能强LabVIEW提供的滤波器函数数字滤波器应用举例使用巴特沃斯滤波器提出正弦信号3.5虚拟仪器举例1.虚拟相位差计（1）功能描述①可测量两个同频率正弦波的相位差；②可测相位差θ的数值范围为0~180度；③信号的幅度范围为0.1V~5.0V；④两个信号的频率范围为0.1Hz~10kHz。（2）设计原理用相关法求相位差，即利用两个同频正弦信号的延时ҭ=0时的互相关函数值与其相位差的余弦值成正比的原理获得相位差。假设有两个同频信号x(t)、y(t)，描述如下：)tsin(B)t(y)tsin(A)t(x1000用相关法测量相位差的原理如下T0xydt)x(y)t(xT1)(R将x(t)、y(t)代入求积分后得到：)cos(2AB)0(R01xy所以有：)AB)0(R2arccos(xy01虚拟相位差计VI设计2.虚拟示波器•WDM驱动程序，适用于Windows98/2000/XP操作系统；•提供DLL动态链接库；•提供LabVIEW驱动节点•基于USB总线；•无需外部电源，即插即测；•体积小，80mmx65mm，手掌大