虛擬儀器技術(shù)與應(yīng)用-項(xiàng)目5 常用硬件設(shè)備

項(xiàng)目5典型虛擬儀器實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用2024/1/3121:20目錄5.1項(xiàng)目目標(biāo) 5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng) 5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備 5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì) 5.5思考題

5.1項(xiàng)目目標(biāo)知識目標(biāo)能力目標(biāo)素養(yǎng)目標(biāo)1. 了解虛擬儀器系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。2. 了解實(shí)驗(yàn)室常用虛擬儀器設(shè)備。3. 了解虛擬儀器設(shè)備的內(nèi)置儀器功能。4. 熟練掌握測量I/O程序的組成及各部分功能。5. 熟練掌握使用LabVIEW編寫程序?qū)IELVISⅢ進(jìn)行操作的方法。6. 掌握使用LabVIEW編寫簡單測控程對NImyDAQ和NImyRIO進(jìn)行操作的方法。7. 了解應(yīng)LabVIEW編寫程序和虛擬儀器設(shè)備的內(nèi)置儀器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。會使用虛擬儀器設(shè)備的內(nèi)置儀器。會使用LabVIEW編寫程序?qū)IELVISⅢ進(jìn)行操作。會使用使用LabVIEW編寫簡單測控程對NImyDAQ和NImyRIO進(jìn)行操作。具有良好的自主學(xué)習(xí)能力，探索精神，并主動獲取新知識。具有分析問題、解決問題的能力。具有良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，操作規(guī)范，愛護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，注意個人安全。具有正確的勞動價值觀，養(yǎng)成良好的勞動習(xí)慣和品質(zhì)，課程結(jié)束后及時歸類整理等。虛擬儀器系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)，具備高靈活性、強(qiáng)擴(kuò)展性、體積更小、速度更快、性價比更高的特點(diǎn)，因此在現(xiàn)代工業(yè)和科研中，得到了廣泛的應(yīng)用。而具有這些特點(diǎn)的重要原因在于虛擬儀器體系依賴于一個完整的軟、硬件系統(tǒng)架構(gòu)。在眾多虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用中，最具有代表性的就是虛擬儀器在測控方面的應(yīng)用，在后面的項(xiàng)目中學(xué)習(xí)多個基于虛擬儀器測控系統(tǒng)的應(yīng)用。對于使用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的典型測控系統(tǒng)，從硬件層面通常把它分為傳感器/執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集硬件/輸出控制硬件、總線平臺以及系統(tǒng)處理器（即通常所說的計(jì)算機(jī)）這四個部分。其中傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊化硬件負(fù)責(zé)測控應(yīng)用中的測試測量部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輸出控制模塊化硬件負(fù)責(zé)測控應(yīng)用中的輸出控制部分，前者負(fù)責(zé)“測”，即輸入，后者負(fù)責(zé)“控”，即輸出。他們在信號鏈路上具有位置對等，方向相反的特性。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)虛擬儀器測試測量系統(tǒng)的構(gòu)成5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)DAQ（DataAcquisition，數(shù)據(jù)采集）設(shè)備，是計(jì)算機(jī)和外部信號之間的接口。主要功能是將輸入的模擬信號數(shù)字化，使計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行解析。DAQ設(shè)備用于測量信號的三個主要組成部分為信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與計(jì)算機(jī)總線。很多DAQ設(shè)備還擁有實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)和過程自動化的其他功能。例如，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出模擬信號，數(shù)字I/O線輸入和輸出數(shù)字信號，計(jì)數(shù)器/定時器計(jì)量并生成數(shù)字脈沖。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)

傳感器：將自然界的各種信號轉(zhuǎn)換成電信號后傳遞給DAQ設(shè)備，通常在信號傳遞給DAQ設(shè)備之前還需要經(jīng)由信號調(diào)理硬件將傳感器輸出的電信號進(jìn)行必要的放大、衰減、隔離等處理后生成標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的電壓或電流模擬信號。工業(yè)中有很多DAQ設(shè)備已經(jīng)集成了信號調(diào)理的功能，方便連接各種常用的工業(yè)傳感器。被測信號在經(jīng)過模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器（ADC）后將通過數(shù)字總線傳送至系統(tǒng)控制器中進(jìn)行后續(xù)的分析處理及顯示。為了構(gòu)成完成的虛擬儀器測試測量系統(tǒng)，軟件需要與硬件無縫協(xié)作，在保證系統(tǒng)可靠有效工作的同時，最大化系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。對于系統(tǒng)構(gòu)建者而言，其中最重要的包括與硬件直接相關(guān)的驅(qū)動層軟件，以及與用戶接口相關(guān)的應(yīng)用層軟件。驅(qū)動層軟件保證系統(tǒng)硬件的正確安裝及配置，應(yīng)用層軟件則肩負(fù)著數(shù)據(jù)分析、處理、顯示、存儲等重要的任務(wù)。它們都被歸納在系統(tǒng)處理器這一部分當(dāng)中。工程設(shè)計(jì)進(jìn)行逐一討論。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)5.1.1選擇傳感器1.溫度測量溫度時最常用的傳感器包括、熱敏電阻、熱電阻等。光纖傳感器，作為一種更加專用的手段，在溫度測量中的應(yīng)用也在日趨增加。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)熱電偶熱敏電阻熱電阻光纖傳感器2.應(yīng)變應(yīng)變通常通過電阻式應(yīng)變計(jì)來測量。應(yīng)變片電阻通常是附著在待測的彎曲表面。應(yīng)變片的一個使用實(shí)例就是機(jī)翼的結(jié)構(gòu)測試。應(yīng)變片可以測量表面的非常小的扭曲、彎曲和拉伸。將多個電阻式應(yīng)變片組合起來使用時，就組成了橋路?？梢允褂盟膫€活動的應(yīng)變片來組成一個惠斯通電橋，即全橋結(jié)構(gòu)。也有半橋（二個活動的應(yīng)變片）和四分之一橋（一個活動的應(yīng)變片）配置。所使用的應(yīng)變片越多，則讀數(shù)會更準(zhǔn)確。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)3.聲音麥克風(fēng)是用來測量聲音的。常見的有電容式、壓電式等。駐極體傳聲器（電容式麥克風(fēng)）5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)4.位置和位移在選擇位置傳感器時的主導(dǎo)因素是是否需要激勵、濾波、對環(huán)境的敏感度，以及需要間接觀察還是直接物理接觸的方式來測量距離等。1）霍爾效應(yīng)傳感器：霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種?；魻栯妷弘S磁場強(qiáng)度的變化而變化，磁場越強(qiáng)，電壓越高，磁場越弱，電壓越低。2）電位器：使用一個滑動接觸來生成一個可調(diào)的電壓分壓，從而測量目標(biāo)對象的位置。電位器對與其連接的待測系統(tǒng)來說，會產(chǎn)生一些輕微的阻力，這是無法避免的。電位器相對于那些精確的位置傳感器來說，價格比較便宜。3）光電編碼器，它可以是線性的或旋轉(zhuǎn)的。這種傳感器能夠測量運(yùn)動速度、方向和位置，且速度快、精度高。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)

5.1.2選擇數(shù)據(jù)采集硬件DAQ設(shè)備選擇需要考慮以下5個因素：1.需要測量或者生成信號的類型2.虛擬儀器應(yīng)用是否需要信號調(diào)理3.虛擬儀器應(yīng)用采集或生成信號需要的速度4.虛擬儀器應(yīng)用需要識別到信號中的最小變化5.虛擬儀器測量應(yīng)用能夠允許的誤差5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)1.需要測量或者生成信號的類型DAQ設(shè)備的功能大致可以分為以下四類：模擬輸入（用于測量模擬信號）、模擬輸出（用于輸出模擬信號）、數(shù)字輸入/輸出（用于測量和生成數(shù)字信號）計(jì)數(shù)器/定時器（用于對數(shù)字事件進(jìn)行計(jì)數(shù)或產(chǎn)生數(shù)字脈沖/信號）實(shí)際的DAQ設(shè)備有單一功能的也有多功能的。無論哪種，某一種功能的通道數(shù)量固定。比如有模擬量輸入通道（ＡＩ）、數(shù)量為3通道。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)2.是否需要信號調(diào)理典型的通用DAQ設(shè)備可以測量或生成-5V~+5V或-10V~+10V的信號。于某些傳感器所產(chǎn)生的信號，直接使用DAQ設(shè)備進(jìn)行測量或生成可能比較困難或會有危險。因此需要對信號進(jìn)行諸如放大或?yàn)V波等類似的調(diào)理措施。如熱電偶的輸出信號通常需要放大，才能夠使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的量程得到充分利用。此外，熱電偶所測得的信號還可以通過低通濾波消除高頻噪聲，從而改善信號質(zhì)量。1)在現(xiàn)有DAQ硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上選擇添加外部信號調(diào)理措施2)選擇使用具有內(nèi)置信號調(diào)理功能的DAQ設(shè)備。許多DAQ設(shè)備包括針對某些特定傳感器的內(nèi)置接口，以方便傳感器的集成。做到傳感器與DAQ設(shè)備即插即用，十分便捷5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)3.采集或生成信號需要的速度DAQ設(shè)備最重要的參數(shù)指標(biāo)之一就是采樣率，即DAQ設(shè)備的ADC采樣速率。典型的采樣率（無論硬件定時或軟件定時）可達(dá)2MS/S。選擇設(shè)備時，需要考慮所需采集或生產(chǎn)信號的最高頻率成分。Nyquist定理指出，只要將采樣率設(shè)定為信號最高頻率分量的2倍，就可以準(zhǔn)確地重建信號，實(shí)際工程應(yīng)用中一般取5～10倍。例如，正弦波頻率為1kHz，根據(jù)Nyquist定理，需要以2kHz進(jìn)行信號采集；工程師們通常會使用10kHz的采樣頻率，從而更加精確地測量或生成信號。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)對正弦波不同采樣率采樣時的結(jié)果比較5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)4.需要識別到信號中的最小變化信號中可識別的最小變化，決定了DAQ設(shè)備所需的分辨率。分辨率是指ADC可以用來表示一個信號的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。對同一個正弦波通過不同的分辨率的ADC進(jìn)行采集后所表示的效果會不同。比較了3ADC位和16位ADC的情況。一個3位ADC可以表示8（23）個離散的電壓值，而一個16位ADC可以表示65536（216）個離散的電壓值。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)

使用16位分辨率與3位分辨率來表示一個正弦波5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)典型的DAQ設(shè)備的電壓范圍為-5V～+5V或-10V～+10V。在此范圍內(nèi)，電壓值將均勻分布，從而可以充分地利用ADC的分辨率。例如，一個具有-10V～+10V電壓范圍和12位分辨率（212或4096個均勻分布的電壓值）的DAQ設(shè)備，可以識別5mV的電壓變化；而一個具有16位分辨率（216或65536個均勻分布的電壓值）的DAQ設(shè)備則可以識別到300μV的變化。大多數(shù)應(yīng)用都可以使用具有12、16或18位分辨率ADC的設(shè)備解決問題。然而，如果測量的傳感器的電壓有大有小，則需要使用具有24位分辨率的動態(tài)數(shù)據(jù)采集DSA設(shè)備。電壓范圍和分辨率是選擇合適的數(shù)據(jù)采集設(shè)備時所需考慮的重要因素。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)

5.虛擬儀器測量應(yīng)用能夠允許的誤差精度是衡量一個儀器能否忠實(shí)地表示待測信號的性能指標(biāo)。這個指標(biāo)與分辨率無關(guān)；然而精度大小卻又絕不會超過其自身的分辨率大小。確定測量的精度的方式，取決于測量裝置的類型。一個理想的儀器總是能夠百分之百地測得真實(shí)的值；然而在現(xiàn)實(shí)中，儀器所給出的值是帶有一定的不確定度的，不確定度的大小由儀器的制造商給出，取決于許多因素，如：系統(tǒng)噪聲、增益誤差、偏移誤差、非線性，等等。制造商通常使用的一個參數(shù)指標(biāo)是絕對精度，它表征DAQ設(shè)備在一個特定的范圍內(nèi)所能給出的最大的誤差。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)例如，對于美國國家儀器(NI)公司的NIPCI-6221設(shè)備，計(jì)算絕對精度的方法如下所示：

絕對精度=（[讀值×增益誤差]+[電壓范圍×偏移誤差]+噪聲不確定度）NIPCI-6221數(shù)據(jù)采集卡在10V這個電壓采集范圍進(jìn)行工作時可計(jì)算出的絕對精度=10V×(增益誤差)+10V×(偏移誤差)+噪聲不確定度=3,100μV其中：增益誤差=殘余AI增益誤差+增益溫度系數(shù)×(自上一次內(nèi)部校準(zhǔn)后的溫度變化值)+參考溫度系數(shù)×(自上一次外部校準(zhǔn)后的溫度變化值)偏移誤差=殘余AI偏移誤差+偏移溫度系數(shù)×(自上一次內(nèi)部校準(zhǔn)后的溫度變化值)+INL誤差噪聲不確定度=隨機(jī)噪聲×3/（100）1/2以上所有的相關(guān)系數(shù)都能從數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)手冊中找到，如NIPCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)手冊[1]中就給出了相關(guān)系數(shù)。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)值得注意的是，一個儀器的精度不僅取決于儀器本身，還取決于被測信號的類型。如果被測信號的噪聲很大，則會對測量的精度產(chǎn)生不利的影響。市場上的DAQ設(shè)備種類繁多，精度和價格各異。有些設(shè)備可提供自校準(zhǔn)、隔離等電路來提高精度。一個普通的DAQ設(shè)備所達(dá)到的絕對精度可能超過100mV，而更高性能的設(shè)備的絕對精度甚至可能達(dá)到約1mV。一旦確定了應(yīng)用中所需的精度要求，就可以選擇一個具有合適絕對精度的DAQ設(shè)備5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)5.1.3選擇儀器總線每種總線都有其不同的優(yōu)點(diǎn)，比如在吞吐量、延遲、便攜性或離主機(jī)的距離等方面具有不同的優(yōu)勢。事實(shí)上，在選擇數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備的時候應(yīng)該已經(jīng)會將適當(dāng)?shù)膬x器總線考慮在內(nèi)了。例如PCI-6221的數(shù)據(jù)采集精度，當(dāng)考慮采用這塊板卡時，PCI總線就已經(jīng)成為將會選擇的總線對象5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)5.1.3選擇儀器總線對于最常見的PC總線選型，并從技術(shù)方面分析需要考慮的因素，需要注意如下幾個問題：1.經(jīng)過該總線的數(shù)據(jù)量2.對單點(diǎn)I/O的要求3.是否需要同步多個設(shè)備4.系統(tǒng)對便攜性的要求5.計(jì)算機(jī)離測量物體距離5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)1.經(jīng)過該總線的數(shù)據(jù)量所有的PC總線在一定的時間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量都是有限的，這就是總線帶寬?？偩€帶寬往往以兆字節(jié)每秒(MB/s)表示。根據(jù)選擇的總線，總帶寬可以在多個設(shè)備之間共享，或只能專用于某些設(shè)備。例如，PCI總線的理論帶寬為132MB/s，計(jì)算機(jī)中的所有PCI板卡共享帶寬。千兆以太網(wǎng)提供125MB/s的帶寬，子網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備共享帶寬。提供專用帶寬的總線，如PCIExpress和PXIExpress，在每臺設(shè)備上可提供最大數(shù)據(jù)吞吐量。當(dāng)進(jìn)行波形測量時，采樣率和分辨率需要基于信號變化的速度來設(shè)置?？梢杂涗浢總€采樣的字節(jié)數(shù)（向下一個字節(jié)取整）,乘以采樣速度，再乘以通道的數(shù)量，計(jì)算出所需的最小帶寬。例如，一個16位設(shè)備（2字節(jié)）以4MS/s的速度采樣，四個通道上的總帶寬為2字節(jié)/秒×4M采樣/秒×4通道=32MB/S總線帶寬需要能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)采集的速度，需要注意的是，實(shí)際的系統(tǒng)帶寬低于理論總線限制。實(shí)際觀察到的帶寬取決于系統(tǒng)中設(shè)備的數(shù)量以及額外的總線載荷。如果需要在很多通道上傳輸大量的數(shù)據(jù)，帶寬是選擇DAQ總線時最重要的考慮因素。

5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)2.對單點(diǎn)I/O的要求需要單點(diǎn)讀寫的應(yīng)用程序往往取決于需要立即和持續(xù)更新的I/O值。由于總線架構(gòu)在軟硬件中實(shí)現(xiàn)的不同方式，單點(diǎn)I/O的要求可能是選擇總線的決定性因素?？偩€延遲是I/O的響應(yīng)時間。它是調(diào)用驅(qū)動軟件函數(shù)和更新I/O實(shí)際硬件值之間的時間延遲。根據(jù)選擇總線的不同，延遲可以從不足一微秒到幾十毫秒。例如，在一個比例積分微分（PID）控制系統(tǒng)中，總線延遲可以直接影響控制回路的最快速度。單點(diǎn)I/O應(yīng)用的另一個重要因素是確定性，也就是衡量I/O能夠按時完成測量的持續(xù)性。與I/O通信時，延遲相同的總線比有不同響應(yīng)的總線確定性要強(qiáng)。確定性對于控制應(yīng)用十分重要，因?yàn)樗苯佑绊懣刂苹芈返姆€(wěn)定性。許多控制算法的設(shè)計(jì)期望就是控制回路總是以恒定速率執(zhí)行。預(yù)期速率產(chǎn)生任何的偏差，都會降低整個控制系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。因此，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制應(yīng)用時，應(yīng)該避免高延遲、確定性差的總線，如無線、以太網(wǎng)或USB。軟件在總線的延遲和確定性方面起著重要的作用。支持實(shí)時操作系統(tǒng)的總線和軟件驅(qū)動提供了最佳的確定性，因此也給最高的性能。一般情況下，對于低延遲的單點(diǎn)I/O應(yīng)用來說，PCIExpress和PXIExpress等內(nèi)部總線比USB或無線等外部總線更好。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)3.是否需要同步多個設(shè)備許多測量系統(tǒng)都有復(fù)雜的同步需求，包括同步數(shù)百個輸入通道和多種類型的儀器。多個設(shè)備同步測量的最簡單的方法就是共享時鐘和觸發(fā)。許多DAQ設(shè)備提供可編程數(shù)字通道用于導(dǎo)入和導(dǎo)出時鐘和觸發(fā)。有些設(shè)備甚至還提供專用的BNC接頭的觸發(fā)線。某些總線內(nèi)置有額外的時鐘和觸發(fā)線，使得多設(shè)備的同步變得非常容易。PCI和PCIExpress板卡提供實(shí)時系統(tǒng)集成（RTSI）總線。用于同步多個設(shè)備的最佳總線選件是PXI平臺，包括PXI和PXIExpress。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)4.系統(tǒng)對便攜性的要求隨著便攜式計(jì)算平臺使用的增加，為基于PC的數(shù)據(jù)采集提供了許多新的方式。例如，車載數(shù)據(jù)采集應(yīng)用得益于結(jié)構(gòu)緊湊，易于運(yùn)輸?shù)挠布SB和以太網(wǎng)等外部總線等，因?yàn)槠淇焖俚挠布惭b以及與筆記本電腦的兼容性，特別適用于便攜式DAQ系統(tǒng)。總線供電的USB設(shè)備因其不需要一個單獨(dú)的電源供電就顯得更加方便了。此外，使用無線數(shù)據(jù)傳輸總線也可提高便攜性，計(jì)算機(jī)保持不動時，測量硬件可以適當(dāng)移動。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)5.計(jì)算機(jī)離測量物體距離數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場所不同，需要被測物體與計(jì)算機(jī)之間的距離也不相同。為了達(dá)到最佳的信號完整性和測量精度，應(yīng)該盡可能地將DAQ硬件靠近信號源。但這對于大型的分布式測量系統(tǒng)，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測或環(huán)境監(jiān)測來說是十分困難的。將長電纜跨過橋梁或工廠車間成本昂貴，還可能會導(dǎo)致信號嘈雜。這個問題的一個解決方案就是使用便攜式計(jì)算平臺，將整個系統(tǒng)移近信號源。借助于無線通訊技術(shù)，計(jì)算機(jī)和測量硬件之間的物理連接已完全移除，且可以采取分布式測量，將數(shù)據(jù)發(fā)回到一個集中地點(diǎn)。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)總線帶寬（MB/s）單點(diǎn)I/O多設(shè)備便攜性分布式測量范例PCI132（共享）最好更好好好M系列PCIExpress250（每通道）最好更好好好X系列PXI132（共享）最好最好更好更好M系列PXIExpress250（每通道）最好最好更好更好X系列USB60更好好最好更好NICompactDAQ以太網(wǎng)125（共享）好好最好最好NICompactDAQ無線6.75（每個802.11g通道）好好最好最好無線NICompactDAQ基于應(yīng)用需求的總線選擇指南及NI產(chǎn)品范例5.1.4選擇系統(tǒng)處理器為虛擬儀器測控系統(tǒng)選擇計(jì)算機(jī)時所需考慮如下因素：1.需要多大的處理能力2.是否需要便攜式的性能3.能夠承受的計(jì)算機(jī)的成本4.計(jì)算機(jī)需要的堅(jiān)固程度5.是否需要具備模塊化特性的計(jì)算機(jī)6.是否需要實(shí)時的操作系統(tǒng)

5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)六大重要性能的計(jì)算機(jī)選擇指南PXI系統(tǒng)臺式機(jī)工業(yè)計(jì)算機(jī)筆記本電腦上網(wǎng)本電腦處理能力最好

最好

更好更好好操作系統(tǒng)兼容性最好

最好

更好好好模塊性最好

最好

更好好好堅(jiān)固性更好更好最好好好移動性更好好好最好最好成本好更好好更好最好5.1.5選擇儀器驅(qū)動

儀器的驅(qū)動程序作為硬件設(shè)備與應(yīng)用層軟件之間進(jìn)行通信的關(guān)鍵層，在整個虛擬儀器測試測量系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色：1.選擇的驅(qū)動程序與操作系統(tǒng)是否兼容2.選擇的驅(qū)動程序與應(yīng)用層軟件能否完美集成3.和驅(qū)動程序配套的使用文檔4.選擇的驅(qū)動程序是否包含了設(shè)置與診斷工具5.選擇的驅(qū)動程序是否能夠適配到其他同類型設(shè)備5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)5.1.6選擇系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)軟件應(yīng)用開發(fā)軟件是現(xiàn)代虛擬儀器DAQ系統(tǒng)的核心，因此，選擇一個能夠滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求并且隨著系統(tǒng)升級可以輕松擴(kuò)展的軟件工具就顯得十分重要。主要注意幾個問題：軟件是否足夠靈活，以滿足應(yīng)用未來的需求DAQ軟件工具涵蓋了從可立即運(yùn)行的執(zhí)行程序（無需編程）到可完全用戶自定制的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。可以利用DAQ驅(qū)動程序進(jìn)行編程，開發(fā)自定義用戶界面（UI）和代碼從而完成想要的精確測量或測試程序。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)需要多長時間來學(xué)習(xí)這個軟件通常學(xué)習(xí)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境需要較長的時間，其中大部分時間都在學(xué)習(xí)開發(fā)環(huán)境內(nèi)的編程語言。如果能夠找到一個應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，并且對其中的編程語言非常熟悉，就完全能夠節(jié)省在一個新的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境中熟悉編程所需的時間。NILabVIEW所提供的圖形化編程語言，學(xué)習(xí)起來則較簡單，因?yàn)槌绦驅(qū)崿F(xiàn)更加直觀，且編程方式與工程師思考的方式一致。此外，還應(yīng)該考慮應(yīng)用軟件中的學(xué)習(xí)資源，這些資源可以有助于在較短的時間內(nèi)熟悉并使用新的軟件工具。以下為一些針對軟件工具的有用的入門資源：評估：一個免費(fèi)的軟件評估可以讓進(jìn)行充分的測試，從而確定該工具是否滿足應(yīng)用的需要。在線課程：在學(xué)習(xí)應(yīng)用軟件的基本概念時，在線教程、視頻和白皮書可以提供有價值的幫助。課堂指導(dǎo)：對于著手開發(fā)DAQ系統(tǒng)來說，應(yīng)用軟件的課堂教學(xué)是最完美的方式。課程的詳細(xì)程度取決于教學(xué)設(shè)置的類型。范例：好的范例設(shè)置擁有足夠多的代碼，可用于所有最為常見的DAQ應(yīng)用。借助于這些范例，就無需從頭開始，通過簡單的修改范例，就能滿足系統(tǒng)開發(fā)的需求，從而節(jié)省時間。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)3.這個軟件是否能夠集成選擇的驅(qū)動程序和其他高效輔助工具（分析、可視化、存儲）很多時候，開發(fā)人員認(rèn)為現(xiàn)有的設(shè)備驅(qū)動足夠用來將他們的測量設(shè)備集成到DAQ系統(tǒng)中去。他們往往忽略了驅(qū)動程序是如何與他們正在使用的應(yīng)用軟件進(jìn)行集成，從而開發(fā)DAQ系統(tǒng)的。選擇的驅(qū)動程序和軟件工具相互兼容，且能成功地集成整個DAQ系統(tǒng)，這一點(diǎn)十分重要。4.當(dāng)遇到問題時，是否有社區(qū)資源可供使用應(yīng)用軟件所處的生態(tài)系統(tǒng)同軟件工具本身一樣重要。一個健康的生態(tài)系統(tǒng)提供了豐富的資源，可以幫助輕松地學(xué)習(xí)新的軟件工具，在開發(fā)自己的應(yīng)用時可以給予指導(dǎo)與反饋。5.這個軟件是否有可靠和成功的應(yīng)用案例的記錄在為的DAQ系統(tǒng)選擇應(yīng)用軟件時，最后需要考慮的不是正式文檔或功能特性，而是這個軟件的口碑。瀏覽個人使用應(yīng)用軟件的成功案例分析，或者與那些在自己的項(xiàng)目中使用該軟件工具的人交流。外部軟件開發(fā)公司的意見可以反映軟件穩(wěn)定和成功的真實(shí)的過往記錄。選擇擁有受認(rèn)可的穩(wěn)定性和長期性的應(yīng)用軟件，有助于確保系統(tǒng)的可重用和可擴(kuò)展性，選擇的軟件環(huán)境也不會在短時間內(nèi)過時。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)基于虛擬儀器的測控程序大致結(jié)構(gòu)包括開始、讀/寫、結(jié)束3部分5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)

典型的測量I/O過程開始模塊：表示開始一個測量I/O過程。在不同的驅(qū)動軟件中，名稱可能不同。NI的一些虛擬儀器設(shè)備驅(qū)動采用NI-DAQmx，該模塊名稱為“創(chuàng)建虛擬通道”；在NIELVISⅢ的驅(qū)動中，名稱為“Open（打開）”。這個模塊是用來打開一個或多個通道的引用，可以是AI、AO、DI、DO等通道。在這個模塊，可以設(shè)置物理通道、I/O信號的最大值最小值、采樣方式等。讀/寫模塊：一般都要放在循環(huán)體里面，可與循環(huán)執(zhí)行讀、寫操作。“讀”操作就是采集數(shù)據(jù)、“寫”操作就是輸出控制信號。結(jié)束模塊：用來關(guān)閉物理通道的引用。還可以在后面放一個錯誤處理模塊。5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)驅(qū)動采用NI-DAQmx驅(qū)動軟件的程序例子5.2任務(wù)1構(gòu)建虛擬儀器測控系統(tǒng)NI-DAQmx的DO單通道1采樣程序5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備虛擬儀器設(shè)備種類繁多，在各個不同應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)備也各不相同。但是這些設(shè)備都有共同特點(diǎn)，主要是擁有標(biāo)準(zhǔn)的接口（比如GPIB、PCI、PCIE、PXI、USB等）、通用的上位機(jī)編程軟件（比如LabVIEW等）。因此，只需要學(xué)習(xí)一些設(shè)備的使用，觸類旁通遇到其它設(shè)備也很容易上手。在這一節(jié)，主要介紹實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐常用的虛擬儀器設(shè)備NIELVISⅢ、NImyDAQ和NImyRIO。虛擬儀器設(shè)備5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備5.3.1什么是NIELVISⅢNI（美國國家儀器公司）的ELVISⅢ是一款基于互聯(lián)網(wǎng)的跨學(xué)科工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)解決方案，集成了多合一智能測量儀器、嵌入式設(shè)計(jì)、以及互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程教學(xué)技術(shù)，服務(wù)于工程基礎(chǔ)和綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)。ELVISⅢ多功能虛擬儀器教學(xué)平臺，它支持Wifi、因特網(wǎng)、USB等鏈接方式，支持從Web網(wǎng)頁端訪問設(shè)備儀器，提供儀器網(wǎng)頁SDK開發(fā)包以及優(yōu)秀國外名校線上教育資源，為未來虛擬仿真、基礎(chǔ)電路教學(xué)改革等教學(xué)改革場合能夠提供更多的可能性。2024/1/3121:205.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備

NIELVISⅢ多功能虛擬儀器教學(xué)平臺5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備在NIELVISⅢ平臺內(nèi)部集成了七合一儀器，右側(cè)是儀器的接口，分別是波特圖儀、示波器、函數(shù)發(fā)生器、IV分析儀邏輯分析儀/邏輯信號發(fā)生器和數(shù)字萬用表，并提供2通道可變電源。NIELVISⅢ平臺的上面可以安插NI的多種板卡。一般安插的是一塊多功能I/O板卡，具有開放可編程I/O測量和FPGA等功能。包含了16通道的模擬量輸入（AI）、4通道模擬量輸出（AO）、±15V和5V電源、40通道數(shù)字輸入/輸出（DI/DO），它們的接線端子布置在板卡的左右兩邊，使用的時候，選擇左邊或者右邊都可以。在板卡的下邊，布置了8個LED、2個按鈕、2個開關(guān)、3個電位計(jì)、3個測試點(diǎn)、音頻輸入和音頻輸出等，分別連到左下方和右下方的小端子上。板卡的中間部分是4條通用的面包板，可以在上面搭建電路。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備5.3.2學(xué)習(xí)使用NIELVISⅢ的儀器把NIELVISⅢ接上電源，然后采用USB方式連接電腦，再把多功能I/O板卡安插在ELVISⅢ上。打開ELVISⅢ電源，該電源位于平臺的后面電源線接口旁邊，然后再打開多功能I/O板卡的電源，該電源位于ELVISⅢ平臺的左上方（APPLICATIONBOARDPOWER）。打開電源后，會彈出一個NI設(shè)備監(jiān)視窗口。在該窗口有“進(jìn)行測量”、“開始編程”、“了解NIELVIS”、“配置及安裝軟件至NIELVIS”4個選項(xiàng)，以及“不進(jìn)行任何操作”項(xiàng)?？筛鶕?jù)需要選擇一個選項(xiàng)，點(diǎn)擊右邊的“開始”按鈕即可進(jìn)行相應(yīng)的操作。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備1.MeasurementsLive介紹在圖選擇“進(jìn)行測量”，打開網(wǎng)頁。ELVISⅢ的MeasurementsLive軟面版是通過網(wǎng)頁進(jìn)行操作的，推薦使用“谷歌瀏覽器”或者蘋果電腦的自帶瀏覽器，否則可能顯示不正確。如果打開的網(wǎng)頁不是“谷歌瀏覽器”，就必須進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置方法是：在電腦桌面上找到MeasurementsLive圖標(biāo)，右擊該圖標(biāo)，選擇打開方式為谷歌瀏覽器，這里以谷歌極速瀏覽器為例。打開頁面后，可以看到在圖5-9中的頁面上有3個選項(xiàng)：“FIRSTTIMEHERE?”、“MEASURE”和“DEVICESIMULATION”。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備

MeasurementsLive首頁在首次使用時可選擇第一個選項(xiàng)“FIRSTTIMEHERE?“選項(xiàng)，這里有一些幫助信息和提示等，可以指導(dǎo)初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)；第三個選項(xiàng)“DEVICESIMULATION“是設(shè)備仿真，仿真時使用；進(jìn)行測量時選擇第二個選項(xiàng)“MEASURE“。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備

MeasurementsLive首頁鼠標(biāo)單擊“MEASURE“時，進(jìn)入管理設(shè)備連接頁面，如圖所示的。在該界面選擇設(shè)備以什么方式連接計(jì)算機(jī)。在圖中看到一個小標(biāo)簽，即圖中的1號，默認(rèn)的是USB方式連接。如果是以太網(wǎng)連接，點(diǎn)擊“Network“，變成小標(biāo)簽2號。3215.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備小標(biāo)簽3這里采用的是“USB“，點(diǎn)擊圖中小標(biāo)簽1下邊的“Connect“，出現(xiàn)小標(biāo)簽3，提示連接成功，并顯示連接設(shè)備的型號等信息。如果想斷開連接，點(diǎn)擊“Disconnect“即可。點(diǎn)擊“DeviceDetails“打開設(shè)備詳情頁面，可以看到這個設(shè)備的介紹，比如這是設(shè)備的IP地址、設(shè)備的一個序列號、板卡信息等。點(diǎn)擊“Instruments“，進(jìn)入下一個頁面。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備單擊圖中的圖標(biāo)可以選擇使用的儀器，單擊時出現(xiàn)下拉列表，顯示所以可用儀器，依次是示波器、信號發(fā)生器、數(shù)字萬用表、可調(diào)電源、波特圖分析儀、IV分析儀邏輯分析儀等。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備選擇函數(shù)發(fā)生器時，出現(xiàn)信號發(fā)生器面板。同時使用信號發(fā)生器和示波器時，選擇示波器和信號發(fā)生器即可。圖中左邊是示波器面板、右邊是信號發(fā)生器面板5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備2.信號生成和測量進(jìn)行信號生成和測量時，首先要進(jìn)行硬件連接。圖中左邊是示波器的4個通道，右邊是信號發(fā)生器的2個通道。選擇示波器1通道和信號發(fā)生器1通道，用2個示波器探頭講兩個通道連接起來，那么由信號發(fā)生器1通道發(fā)出的信號，就通過探頭送到示波器1通道進(jìn)行顯示。連接時注意，探頭的2個紅夾子夾在一起、2個黑夾子夾在一起。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備硬件連接好之后，進(jìn)行信號發(fā)生器和示波器的設(shè)置。1）信號發(fā)生器的設(shè)置。信號發(fā)生器默認(rèn)使用1通道“Channel1”，和硬件連接一致，不用修改。信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形默認(rèn)是“Sine，1kHz，2Vpp，0V，0o”，表示信號為正弦波、頻率1kHz、峰峰值2V、直流偏移0V、相位角0°。使用時可根據(jù)需要對這些參數(shù)進(jìn)行修改，修改方式也比較簡單，比如波形修改，在“Waveform”項(xiàng)單擊，可以選擇正弦波、三角波、方波、矩形波、鋸齒波等；修改頻率和其他參數(shù)，可以輸入數(shù)據(jù)，也可以拖拽右邊的小滑塊。2）示波器的設(shè)置。示波器默認(rèn)使用1通道“Channel1”，和硬件連接一致，不用修改。根據(jù)信號頻率1kHz，選擇“Time/div”項(xiàng)橫坐標(biāo)每格1ms，那么一個格就能顯示一個周期的波形。根據(jù)信號峰峰值為2V，選擇“Volts/div”項(xiàng)縱坐標(biāo)每格500mV，垂直方向波形占4格。示波器的其它選項(xiàng)默認(rèn)。這樣設(shè)置好之后，點(diǎn)擊信號發(fā)生器面板上的“Run”，信號發(fā)生器開始工作，再點(diǎn)擊示波器面板上的“Run”，示波器就開始顯示信號波形。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備波形顯示圖波形窗口的下邊還顯示了這個波形的實(shí)時數(shù)據(jù)5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備5.3.3什么是NImyDAQNImyDAQ是一種使用NILabVIEW軟件的低成本便攜式數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備，學(xué)生可使用它測量和分析實(shí)際信號。NImyDAQ適用于電子設(shè)備和傳感器測量。通過與計(jì)算機(jī)上的NILabVIEW配合，學(xué)生可分析和處理獲取的數(shù)據(jù)并可隨時隨地控制簡單的進(jìn)程。NImyDAQ的實(shí)物圖5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備NImyDAQ的大小與手機(jī)相當(dāng)，集成了8種常用的基本儀器：數(shù)字萬用表、示波器、函數(shù)發(fā)生器、波特圖儀、動態(tài)信號采集儀、任意信號發(fā)生器、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出，具有2差分模擬輸入、2通道模擬輸出、2音頻接口、8個輸入和輸出，設(shè)備通過USB總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，并依靠USB總線進(jìn)行供電。NImyDAQ的端子排依次是：5V、數(shù)字地DGND、數(shù)字量輸入輸出：DIO0～DIO7；模擬量輸入通道：AI0和AI1兩對差分輸入通道、模擬地AGND；兩個模擬量輸出AO0和AO1、模擬地；-15V和+15V。NImyDAQ的端子排5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備1.模擬信號輸入(AI)端子myDAQ的兩對模擬信號輸入通道采用差分方式。其中，AI0+和AI0?是一對差分輸入端、AI1+和AI1?是一對差分輸入端。模擬信號輸入通道可被配置為通用高阻抗差分電壓輸入或音頻輸入。模擬輸入為多路復(fù)用，即通過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對兩個通道進(jìn)行采樣。在通用模式下，測量信號范圍為±10V。在音頻模式下，兩個通道分別表示左右立體聲信號輸入。每個通道可被測量的模擬輸入高達(dá)200kS/s，因此對于波形采集非常有用。模擬輸入用于NIELVISmx示波器、動態(tài)信號分析器和Bode分析儀。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備2.模擬信號輸出(AO)myDAQ的兩個模擬信號輸出通道采用單端輸出方式，輸出信號的負(fù)極端是AGND。模擬信號輸出通道可被配置為通用電壓輸出或音頻輸出。兩個通道均可用作數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，因此可進(jìn)行同步更新。在通用模式下，生成信號范圍為±10V。在音頻模式下，兩個通道分別表示左右立體聲信號輸出。模擬信號輸出可被更新至200kS/s每通道，因此對于波形生成非常有用。模擬信號輸出用于NIELVISmx函數(shù)發(fā)生器、隨機(jī)波形生成器和Bode分析儀燈。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備3.數(shù)字信號輸入/輸出(DIO)myDAQ帶有8個DIO數(shù)據(jù)線。每條數(shù)據(jù)線為一個可編程函數(shù)接口(PFI)，表示其可被配置為通用軟件定時數(shù)字輸入或輸出，或可用作數(shù)字計(jì)數(shù)器的特殊函數(shù)輸入或輸出。4.電源myDAQ有3個可供使用的電源。+15V和–15V可用于電源模擬組件。例如，運(yùn)算放大器和線性穩(wěn)壓器。+5V可用于電源數(shù)字組件。例如，邏輯設(shè)備等。5.音頻接口圖5-29中的AUDIOIN和AUDIOOUT是兩個音頻接口，一個是輸入、一個是輸出；插孔尺寸為3.5mm，可以連接話筒、音箱。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備5.3.4學(xué)習(xí)使用myDAQ儀器在使用myDAQ之前，需要安裝myDAQ的驅(qū)動，配合使用myDAQ硬件和軟面板(SFP)儀器，可實(shí)現(xiàn)基本儀器如數(shù)字萬用表、示波器、信號發(fā)生器等功能。把myDAQ連接到計(jì)算機(jī)上，myDAQ接線口附近的藍(lán)色LED燈亮，設(shè)備準(zhǔn)備就緒。在計(jì)算機(jī)的開始菜單中，找到NationalInstruments目錄下的“NIELVISmxInstrumentLauncher”，打開界面NIELVISmx。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備NIELVISmx提供在LabVIEW中創(chuàng)建的軟面板儀器和儀器的源代碼。下面以數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器和示波器為例說明這些虛擬儀器的使用方法。圖中右上角的“DigitalMultimeter“就是數(shù)字萬用表第二排的“FunctionGenerator“是函數(shù)發(fā)生器、“Oscilloscope“是示波器。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備1.數(shù)字萬用表(DMM)在myDAQ的側(cè)面，有3個萬用表接口，可插入標(biāo)準(zhǔn)的萬用表表筆，使用方法與普通數(shù)字萬用表相同。測量時，把黑表筆接中間黑色的COM端，當(dāng)需要測量電流時，紅表筆接右側(cè)的HI端；當(dāng)需要測量電壓、電阻或二極管時，紅表筆接左側(cè)的HI端。雙擊“DigitalMultimeter”，打開數(shù)字萬用表的軟面板。這個虛擬的數(shù)字萬用表也和實(shí)際的數(shù)字萬用表使用方法相同，可以進(jìn)行電壓測量（DC和AC）、電流測量（DC和AC）、電阻測量、二極管測試、音頻連續(xù)性測試等。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備2.函數(shù)發(fā)生器(FGEN)NIELVISmx的函數(shù)發(fā)生器有輸出波形類型選擇、幅值調(diào)整和頻率設(shè)置等功能。此外，儀器提供DC偏置設(shè)置、頻率掃描功能及幅值和頻率調(diào)制。雙擊NIELVISmx界面的“FunctionGenerator“選項(xiàng)，打開函數(shù)發(fā)生器軟面板。圖中可見，函數(shù)發(fā)生器可以生成正弦波信號、三角波信號和方波信號，產(chǎn)生信號的頻率范圍是0.2Hz～20kHz。該信號發(fā)生器的信號輸出端，可以使用myDAQ端子上的AO0或AO1。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備3.示波器Oscilloscope示波器在NIELVISmx中，位于信號發(fā)生器的右邊。示波器與實(shí)驗(yàn)室常用的標(biāo)準(zhǔn)桌面示波器的功能相同。該虛擬示波器也是雙蹤示波器，有兩個信號輸入通道，使用myDAQ設(shè)備上的AI0和AI1作為信號輸入端。雙擊NIELVISmx界面的Oscilloscope，打開示波器軟面板。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備3.波形產(chǎn)生和測量這是一個用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生信號，用示波器測量信號的例子，操作步驟如下。1）將NImyDAQ設(shè)備通過USB總線與電腦相連，并確認(rèn)藍(lán)色指示燈亮；2）將NImyDAQ端子上的AO0（函數(shù)發(fā)生器的輸出端）與AI0+（示波器的信號正極輸入端）用一根紅色導(dǎo)線相連，將AO的AGND與AI0?（示波器信號輸入負(fù)極端）用一根黑色導(dǎo)線相連。信號發(fā)生器與示波器軟連接3）打開NIELVISmxInstrumentLauncher界面，F(xiàn)unctionGenerator，雙擊打開函數(shù)發(fā)生器軟面板；再找到NIELVISmxOscilloscope，打開示波器軟面板。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備4）設(shè)置函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生波形的參數(shù)，設(shè)置頻率為f=1kHz，信號的峰?峰值Vpp=1V，其他參數(shù)默認(rèn)，不用修改。設(shè)置好之后，點(diǎn)擊RUN按鈕運(yùn)行信號發(fā)生器，就會在AO0通道輸出信號。5）在示波器上，調(diào)整ScaleVolts/div為500mV，Time/div為1ms，其他參數(shù)默認(rèn)，點(diǎn)擊潤按鈕，運(yùn)行示波器，可清晰地觀察到波形是幅度為1V、頻率為1KHZ的正弦波，與函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生波形的參數(shù)一致。6）信號發(fā)生器的產(chǎn)生的波形默認(rèn)為正弦波，可以單擊軟面板左上端波形設(shè)置位置的圖形符號，選擇三角波、方波，觀察示波器的波形變化。7）改變信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的頻率、幅值，在觀察示波器的波形變化。NImyDAQ配合使用NImyDAQ和軟面板(SFP)儀器可實(shí)現(xiàn)多種功能，以上主要介紹了數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器等功能的實(shí)現(xiàn)，其接線簡單、使用方便。。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備5.3.5什么是NImyRIONImyRIO是NI針對教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用而最新推出的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺。NImyRIO內(nèi)嵌XilinxZynq芯片，使學(xué)生可以利用雙核ARMCortex-A9的實(shí)時性能以及XilinxFPGA可定制化I/O，學(xué)習(xí)從簡單嵌入式系統(tǒng)開發(fā)到具有一定復(fù)雜度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。NImyRIO作為可重配置、可重使用的教學(xué)工具，在產(chǎn)品開發(fā)之初即確定了以下重要特點(diǎn)：（1）易于上手使用：引導(dǎo)性的安裝和啟動界面可使學(xué)生更快地熟悉操作，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)眾多工程概念，完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目。（2）編程開發(fā)簡單：通過實(shí)時應(yīng)用、FPGA、內(nèi)置WiFi功能，學(xué)生可以遠(yuǎn)程部署應(yīng)用，無需遠(yuǎn)程電腦連接操作。三個連接端口（兩個MXP和一個與NImyDAQ接口相同的MSP端口）負(fù)責(zé)發(fā)送接收來自傳感器和電路的信號，以支持學(xué)生搭建的系統(tǒng)。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備（3）板載資源豐富：共有40條數(shù)字I/O線，支持SPI、PWM輸出、正交編碼器輸入、UART和I2C，以及8個單端模擬輸入，2個差分模擬輸入，4個單端模擬輸出和2個對地參考模擬輸出，方便通過編程控制連接各種傳感器及外圍設(shè)備。（4）安全性：直流供電，供電范圍為6V~16V，根據(jù)學(xué)生用戶特點(diǎn)增設(shè)特別保護(hù)電路。（5）便攜性：設(shè)備很小，方面攜帶，可以實(shí)現(xiàn)口袋實(shí)驗(yàn)室。NImyRIO上所有這些功能都已經(jīng)在默認(rèn)的FPGA配置中預(yù)設(shè)好，能使學(xué)生在較短時間內(nèi)就可以獨(dú)立開發(fā)完成一個完整的嵌入式工程項(xiàng)目應(yīng)用，特別適合用于控制、機(jī)器人、機(jī)電一體化、測控等領(lǐng)域的課程設(shè)計(jì)或?qū)W生創(chuàng)新項(xiàng)目。當(dāng)然，如果有其他方面的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用或者是一些系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)應(yīng)用，也可以用NImyRIO（以下簡稱myRIO）來實(shí)現(xiàn)。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備NImyRIO架構(gòu)，包括三個部分：處理器(Processor)、可重配置的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，模塊化I/O。借助這三個部分的組合，可獲得高性能I/O和前所未有的系統(tǒng)定時控制靈活性，從而快速開發(fā)自定義硬件電路。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備（1）處理器處理器用于部署代碼，以實(shí)現(xiàn)與FPGA等其它處理單元的通信、連接外圍設(shè)備、記錄數(shù)據(jù)以及運(yùn)行應(yīng)用程序。NI提供各種組成結(jié)構(gòu)的RIO硬件系統(tǒng)，包括基于MicrosoftWindows操作系統(tǒng)且具有對稱多處理(SMP)的高性能多核系統(tǒng)以及NISingle-BoardRIO和CompactRIO等緊湊型實(shí)時嵌入式系統(tǒng)。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備（2）FPGA可重配置FPGA是RIO硬件系統(tǒng)架構(gòu)的核心。它用于幫助處理器分擔(dān)密集型任務(wù)，具有極高的吞吐量，提供了確定性執(zhí)行。FPGA直接連接至I/O模塊，可實(shí)現(xiàn)每個模塊I/O電路的高性能訪問、無限制定時、觸發(fā)和同步靈活性。由于每個模塊而沒有通過總線而是直接連接到FPGA，因而相比其它工業(yè)控制器，該架構(gòu)幾乎不會有任何系統(tǒng)響應(yīng)控制延遲。由于FPGA的高速特性，RIO硬件經(jīng)常用于搭建集成了高速緩沖I/O、超快速控制循環(huán)或自定義信號濾波的控制器系統(tǒng)。例如，借助FPGA，CompactRIO機(jī)箱能夠以100kHz的速率同時執(zhí)行超過20個模擬PID控制循環(huán)。此外，由于FPGA在硬件上運(yùn)行所有代碼，因此它提供了高可靠性和確定性，非常適合用于基于硬件的互鎖、自定義定時和觸發(fā)以及無需定制電路的傳感器自定義。方案。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備（3）模塊化I/ONIC系列I/O模塊包含隔離、轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理以及可與工業(yè)傳感器/執(zhí)行器直接連接的內(nèi)置連接口。通過提供各種連線選項(xiàng)和將連接器接線盒集成到模塊內(nèi)，RIO系統(tǒng)顯著降低了對空間的需求和現(xiàn)場連線成本。NI針對嵌入式應(yīng)用的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了完善的開發(fā)方案，幫助用戶借助統(tǒng)一的軟件平臺LabVIEW有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、原型與部署。借助LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，可以開發(fā)處理器所需的應(yīng)用程序、在FPGA上集成自定義測量電路以及通過模塊化I/O將處理器與FPGA無縫集成，從而構(gòu)建完整的RIO解決方案。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備NImyRIO-1900的核心芯片是XilinxZynq-7010，該芯片集成了667MHz雙核ARMCortex-A9處理器以及包含28K邏輯單元、80個DSPslices、16個DMA通道的FPGA。此外，NImyRIO-1900提供了豐富的外圍I/O接口，包括10路模擬量輸入(AI)、6路模擬量輸出(AO)、40路數(shù)字輸入與輸出(DIO)、1路立體聲音頻輸入與1路立體聲音頻輸出等。為方便調(diào)試和連接，NImyRIO-1900還帶有4個可編程控制的LED，1個可編程控制的按鈕和1個板載三軸加速度傳感器，并且可提供+/-15V和+5V電源輸出。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備NImyRIO-1900內(nèi)置512MBDDR3內(nèi)存和256MB非易失存儲器，此外，可通過NImyRIO-1900集成的USBHost連接外部USB設(shè)備。NImyRIO-1900可通過USB或Wifi方式與上位機(jī)相連接。通過NImyRIO的I/O接口進(jìn)一步擴(kuò)展外圍電路，例如連接傳感器、編碼器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。如果需要對電路進(jìn)行仿真或布線，也可選擇NIMultisim和NIUltiboard軟件完成。NI目前也提供了三種針對NImyRIO的可選外圍套件，分別為基本器件套件、機(jī)電套件、嵌入式套件。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備（1）擴(kuò)展外圍I/O基本套件如圖5-43所示，基本器件套件包括LED、開關(guān)、七段譯碼顯示器、電位計(jì)、熱敏電阻、光敏電阻器、霍爾效應(yīng)傳感器、麥克風(fēng)、電池槽、直流馬達(dá)等。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備（2）擴(kuò)展外圍I/O機(jī)電套件如圖5-44所示，機(jī)電套件包括直流電機(jī)/編碼器、H-bridge驅(qū)動器、加速度計(jì)、三軸陀螺儀、紅外接近傳感器、環(huán)境光傳感器、超聲測距傳感器、羅盤、玩具伺服電機(jī)等。5.3任務(wù)2認(rèn)識幾種虛擬儀器設(shè)備（3）擴(kuò)展外圍I/O嵌入式套件如圖5-45所示，嵌入式套件包括ID讀卡器、數(shù)字鍵盤、LED陣列、數(shù)字電位計(jì)、字符顯示LCD、數(shù)字溫度傳感器、EEPROM等。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)5.4.1使用LabVIEW編寫程序?qū)LVISⅢ操作用LabVIEW編寫程序，實(shí)現(xiàn)測量I/O的方法，包括模擬量采集（AI）、模擬量輸出（AO）數(shù)字量采集（DI）和數(shù)字量輸出（DO）。在使用之前，要先安裝虛擬儀器設(shè)備的驅(qū)動。比如使用ELVISⅢ，就要安裝ELVISⅢ軟件包；使用myDAQ就要安裝myDAQ的驅(qū)動。ELVISⅢ軟件包中包含多個軟件，在實(shí)訓(xùn)室已經(jīng)裝好，這里對于安裝過程不做介紹。用設(shè)備自帶的USB數(shù)據(jù)線把ELVISⅢ接到計(jì)算機(jī)的USB接口，打開電源開關(guān)。然后在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行LabVIEW，可以看到，在安裝了ELVISⅢ軟件包之后，LabVIEW開始界面中多了與ELVISⅢ相關(guān)的信息。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)創(chuàng)建ELVISⅢ項(xiàng)目方法：點(diǎn)擊“CreateNewProject“創(chuàng)建一個項(xiàng)目，彈出“創(chuàng)建項(xiàng)目—選擇項(xiàng)目起始位置”窗口5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)選擇“NIELVISⅢProject模板”，打開“配置新項(xiàng)目：NIELVISⅢProject”

窗口。在此處可以修改項(xiàng)目名稱和項(xiàng)目保存路徑。這里把項(xiàng)目名稱命名為“ELVIS練習(xí)”。ELVISⅢ與計(jì)算機(jī)之間的連接方式選擇USB，其它內(nèi)容用到的時候再詳細(xì)介紹。點(diǎn)擊“完成”按鈕，完成項(xiàng)目創(chuàng)建。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)創(chuàng)建完項(xiàng)目后，彈出“ELVIS練習(xí)”項(xiàng)目的瀏覽器?？梢钥吹絅I-ELVISⅢ***項(xiàng)（該項(xiàng)后面的編號和IP各不相同，因此用星號表示），點(diǎn)擊該項(xiàng)前面的加號，展開列表，可以看到“Main.vi”，這是一個程序例子，雙擊打開該程序。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)創(chuàng)建完項(xiàng)目后，彈出“ELVIS練習(xí)”項(xiàng)目的瀏覽器?？梢钥吹絅I-ELVISⅢ***項(xiàng)（該項(xiàng)后面的編號和IP各不相同，因此用星號表示），點(diǎn)擊該項(xiàng)前面的加號，展開列表，可以看到“Main.vi”，這是一個程序例子。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)雙擊“Main.vi”打開該程序，如圖所示。運(yùn)行該程序，彈出提示是否保存程序，注意一定要都點(diǎn)擊保存，然后彈出“部署進(jìn)度”窗口，顯示正在部署的文件以及部署的進(jìn)度。所謂的部署，就是把LabVIEW程序下裝到ELVISⅢ的過程，程序要在ELVISⅢ上執(zhí)行。部署完成后，程序就開始執(zhí)行了此時按下ELVISⅢ左側(cè)邊上的白色按鈕“BUTTON0“，圖中前面板左邊的“Button“指示燈就會點(diǎn)亮，放開按鈕指示燈熄滅。通過這個例子，使初學(xué)者了解LabVIEW編程對ELVISⅢ的操作。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)5.4.2數(shù)字量采集程序設(shè)計(jì)在使用不同的虛擬儀器設(shè)備進(jìn)行數(shù)字量采集（DI）時，程序編寫方法基本相同，下面以ELVISⅢ為例，進(jìn)行介紹。回到“ELVIS練習(xí)”項(xiàng)目瀏覽器窗口，右擊“NI-ELVISⅢ***”項(xiàng)彈出快捷菜單，新建一個VI。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)5.4.2數(shù)字量采集程序設(shè)計(jì)在使用不同的虛擬儀器設(shè)備進(jìn)行數(shù)字量采集（DI）時，程序編寫方法基本相同，下面以ELVISⅢ為例，進(jìn)行介紹?；氐健癊LVIS練習(xí)”項(xiàng)目瀏覽器窗口，右擊“NI-ELVISⅢ***”

項(xiàng)彈出快捷菜單，新建一個VI。在新建VI的程序框圖中，打開函數(shù)選板，如圖所示。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)函數(shù)選板中的“AcademicI/O“就是編寫對ELVISⅢ操作所需要的模塊。編寫DI/DO程序，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字量的采集和輸出過程，要用到AcademicI/O→ControlI/O→LowLevel→DigitalInput/Output1Sample里面的”O(jiān)pen”、“Read“、“Write“、“Close“這4個節(jié)點(diǎn)。”O(jiān)pen”用來打開一個或多個數(shù)字I/O通道的引用，在進(jìn)行數(shù)字量讀取或?qū)懭胫氨仨殘?zhí)行該操作。在它的“ChannelNames輸入端輸入I/O通道地址?！癛ead”用來執(zhí)行讀取數(shù)字量?！癢rite”用來寫數(shù)字量，即輸出數(shù)字量?！癈lose”關(guān)閉一個或多個數(shù)字I/O通道的引用，將分配輸出通道的邏輯電平設(shè)置為低，并禁用分配輸出通道。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)編寫DI程序：選擇“Open”，在“ChannelNames”輸入端上右擊，創(chuàng)建輸入控件，在前面板對應(yīng)的數(shù)組輸入控件，用來輸入I/O地址，單擊這個控件，在下拉列表里選擇“A/DIO0”。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)編寫DI程序：放置一個While循環(huán)，在循環(huán)里面放置“Read“，進(jìn)行連續(xù)讀操作。在循環(huán)體右邊放置“Close”，然后把它們連接起來。粉色這條線數(shù)據(jù)類型是蔟，用來傳遞DI/O通道等信息，土黃色這條數(shù)據(jù)線是錯誤簇，包含錯誤狀態(tài)、錯誤代碼、錯誤源等信息。在“Read”的輸出端“Values”端子上右擊，創(chuàng)建顯示控件，該控件是一維數(shù)組。當(dāng)進(jìn)行一個數(shù)字量的讀取時，數(shù)組只有一個元素，可用索引數(shù)組函數(shù)，把它變成一個元素。通常還要放一個等待函數(shù)，比如圖中設(shè)置為10毫秒執(zhí)行依次循環(huán)。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)編好程序之后，保存程序，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，把程序部署到設(shè)備上，就可以運(yùn)行了。運(yùn)行時，用一根導(dǎo)線連接到多功能I/O板卡左邊的DIO0端子上（如果物理通道選擇B/DIO0，就要選擇右側(cè)的DIO0端子進(jìn)行連接），另一端懸空，表示在DIO0端輸入高電平，前面板上的指示燈點(diǎn)亮；把導(dǎo)線的另一端連接“DGND“時，指示燈熄滅。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)5.4.3數(shù)字量輸出程序設(shè)計(jì)數(shù)字量輸出（DO）程序編寫，也以ELVISⅢ為例，進(jìn)行介紹。1.DO程序設(shè)計(jì)編寫DO程序的方法與DI程序類似，只需要把“Read“替換成“Write“即可。然后在“Write“的輸入數(shù)據(jù)端，創(chuàng)建一個輸入控件，該控件是開關(guān)數(shù)組，拖拽出3個元素。然后也把DIO通道數(shù)組拖拽成3個成員，分別設(shè)置地址，選擇多功能I/O板卡左側(cè)的DIO16、DIO17和DIO18作為數(shù)字量的輸出通道。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)在多功能I/O板卡上，把這3個通道分別連接到LED0、LED1、LED2端子上，如圖所示。LED0～LED7這8個端子對應(yīng)板子下方的LED0～7這8個發(fā)光二極管。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)保存程序后進(jìn)行部署，然后運(yùn)行程序。在VI前面板操作開關(guān)，觀察板子下方LED發(fā)光二極管的變化：打開前面板的開關(guān)燈亮、關(guān)閉開關(guān)燈熄滅。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)1.流水燈程序設(shè)計(jì)流水燈程序與DO程序類似，也是DO過程。用多功能I/O板卡上自帶的LED0、1、2、3這4個發(fā)光二極管作為被控制的指示燈，設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)流水燈功能。圖中“Write“數(shù)據(jù)輸入端要，求輸入一維布爾量數(shù)組。要實(shí)現(xiàn)順序點(diǎn)亮指示燈，就要求該數(shù)組中的元素只有一個是“T“，其他3個是“F“，“T“在數(shù)組中循環(huán)移動。下面用移位寄存器來實(shí)現(xiàn)這個功能。5.4任務(wù)3簡單的測量I/O程序設(shè)計(jì)在While循環(huán)的邊框上右擊鼠標(biāo)，快捷菜單中選擇添加移位寄存器，在邊框左邊拖拽成4位。把移位寄存器的每一位進(jìn)行初始化設(shè)置，其中第一位賦值一個真常量T，其余為假常量F。把移位寄存器的4位數(shù)據(jù)用“創(chuàng)建數(shù)組”函數(shù)組成一個一維數(shù)組，然后連接到“Write”的數(shù)據(jù)輸入端。在放置一個“等待ms”，等待時間可以設(shè)置為1000毫秒，這樣每循環(huán)一次用時1秒，每盞燈亮1秒，便于觀察，如果等待時間太短肉眼不能分辨燈的變化。要想在前面板也能觀察到指示燈的變化，可以在前面板放置4個指示燈，然后給它們編號，也可以修改指示燈的顏色。在程序框圖中，把指示燈分別連接到移位寄存器的4位輸出端上。程序編好之后，要進(jìn)行硬件連接，參照圖5-22的連接方式，把板卡左側(cè)的DIO16～DIO19與LED0～LED3對應(yīng)連接。再在VI的前面板設(shè)置DIO通道，根據(jù)硬件連接，DIO通道選擇A/DIO16～A/DIO19。最后保存程序后進(jìn)行部署，然后運(yùn)行程序，觀察前面板上的指