第12章-虛擬儀器系統(tǒng)

第12章虛擬儀器系統(tǒng)12.1概述12.2虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)12.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例1986年美國國家儀器公司（NI）提出了虛擬儀器的概念，標志著一種完全采用新檢測理念、新儀器結(jié)構(gòu)、新檢測方法、新開發(fā)手段的儀器系統(tǒng)的誕生。通常意義上說，虛擬儀器就是利用I/O接口設備完成信號的采集、測量與調(diào)理，利用計算機軟件來實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理，利用計算機顯示器來模擬傳統(tǒng)儀器控制面板來輸出檢測結(jié)果，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器基于計算機總線和模塊化儀器總線技術(shù)，硬件實現(xiàn)了模塊化、系列化，同時利用計算機及軟件將多種檢測功能集成于一體的方法不僅縮短了檢測時間，而且也提高了檢測的精度。12.1概述虛擬儀器用于檢測技術(shù)的背景計算機科學和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，有力地促進了多年來發(fā)展相對緩慢的儀器技術(shù)。目前正在研究的第三代自動測試系統(tǒng)中，計算機處于核心地位，計算機軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成了一個有機整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設計觀念等都發(fā)生了突破性的變化，這種突破性變化所帶來的是新的儀器概念——虛擬儀器VI（VirtualInstrument）。12.1概述虛擬儀器的基本概念第一代儀器是模擬式儀器儀表。主要結(jié)構(gòu)是基于電磁機械式機構(gòu)，其測量結(jié)果是依靠指針顯示，也稱為模擬指示儀表，如模擬萬用表、模擬函數(shù)發(fā)生器、指針式電壓表等。第二代是數(shù)字化儀器。將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以數(shù)字形式輸出與顯示出結(jié)果。如數(shù)字萬用表、數(shù)字存儲示波器、數(shù)字電壓表等。第三代是智能儀器。內(nèi)部有微處理器，可進行自動檢測，可以替人腦具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，故稱“智能”儀器，其主要功能模塊是硬件與固化的軟件，對開發(fā)和應用仍不靈活。隨著計算機硬件技術(shù)、軟件技術(shù)、總線技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了全新概念的第四代儀器——虛擬儀器。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合在一起，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。在以PC機為基礎(chǔ)的虛擬儀器中，一個典型的虛擬儀器系統(tǒng)包括：計算機、VI軟件、數(shù)據(jù)采集卡、硬件接口、電荷放大器、傳感器和連接電纜等。其中，VI軟件占主導地位。12.1概述虛擬儀器的應用前景自1986年NI公司提出了虛擬儀器的概念后，虛擬儀器技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在科研、開發(fā)、測量、計量、測控等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。由于虛擬儀器的接口具有通用性、開放性，很容易將現(xiàn)有設備儀器聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程檢測與控制，實現(xiàn)大規(guī)模自動化，而且儀器資源的充分利用、檢測成本的降低，測控系統(tǒng)的功能提高，其應用范圍的大大拓展等特點，在將來的發(fā)展中定會使其在全球優(yōu)勝劣汰中脫穎而出。專家分析預測在中國市場將有50%的儀器為虛擬儀器。12.2虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)虛擬儀器的功能組成如圖12-1所示，虛擬儀器應用程序?qū)⒖蛇x硬件（如GPIB、VXI、RS232、DAQ板）和軟件結(jié)合在一起實現(xiàn)儀器模塊之間的通信、定時和觸發(fā)。軟件為檢測人員構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。

12.2虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)虛擬儀器的實現(xiàn)基礎(chǔ)1．虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)在虛擬儀器中，插入式數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）是最常用的接口形式之一，其功能是將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集到計算機中。目前插入式數(shù)據(jù)采集卡已具有兆赫級的采樣速度，精度高達24位，具有可靠性高、功能靈活、性能/價格比高等特點。用數(shù)據(jù)采集卡配以計算機平臺和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集控制儀器/系統(tǒng)，如信號發(fā)生器、電路和器件測試儀等。2．虛擬儀器的軟件基礎(chǔ)在虛擬儀器系統(tǒng)中強調(diào)“軟件構(gòu)成儀器”的概念，硬件僅僅是為了解決信號的輸入與輸出，軟件才是整個儀器的關(guān)鍵。用戶可以根據(jù)自己需要定義儀器的功能，通過修改軟件的方法很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，并可以方便地同外設、網(wǎng)絡及其他應用連接。虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)主要包括：儀器I/O接口軟件、儀器驅(qū)動程序和應用軟件三部分。12.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介12.3.1LabVIEW的主要特點LabVIEW最大的特點就是圖形化編程。除了圖形化特點以外，LabVIEW還具有以下特點：1．功能強大的函數(shù)庫，提供了用于輸入/輸出、控制、分析和數(shù)據(jù)顯示的幾百個內(nèi)置函數(shù)，用戶可以直接調(diào)用，提高了工作效率。2．LabVIEW具有內(nèi)置32位程序編譯器。3．靈活的程序調(diào)試手段?？稍O置斷點、單步運行、高亮執(zhí)行及設置探針等程序調(diào)試手段來檢查程序設計中的錯誤。4．開放式的開發(fā)平臺，LabVIEW可通過ActiveX技術(shù)應用、動態(tài)數(shù)據(jù)交換、調(diào)用庫函數(shù)、代碼接口節(jié)點等實現(xiàn)與其他應用程序的鏈接，使檢測人員在LabVIEW中能方便地使用其他軟件開發(fā)編譯的模塊。5．支持多種操作系統(tǒng)。LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh等多種版本。6．強大的Internet功能，支持常用網(wǎng)絡協(xié)議，易于構(gòu)建基于計算機網(wǎng)絡的測試系統(tǒng)。7．集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能。12.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介12.3.2LabVIEW的硬件接口LabVIEW本身提供了超過400個儀器驅(qū)動器，如果檢測人員使用的是相應硬件，只需用其提供的DAQWizard功能，組合幾個數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)陳述和用戶界面子VI即可快速、容易地創(chuàng)建自己的虛擬儀器。如果不是，LabVIEW還提供了通用的硬件接口（包括IEEE488（GPIB），RS232/422和VXI，以及插入式的A/D，D/A和數(shù)字式I/O板），任何提供了Windows驅(qū)動程序（DLL，VXD）的硬件都可以在LabVIEW下正常工作。LabVIEW自身包含超過170種的分析功能，包括信號發(fā)生/仿真、數(shù)字信號處理、數(shù)字濾波器、時間、頻率合并分析以及脈沖/入口探測等。此外，允許檢測人員自己編寫C和Matlab代碼實現(xiàn)特定功能，直接嵌入VI中，當作子VI來運行。12.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介12.3.3LabVIEW應用程序的構(gòu)成前面板（也稱之為人機界面）是程序與用戶交流的窗口，可以設置各種輸入控制參數(shù)和觀察輸出量。

1．前面板（FrontPanel）12.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介12.3.3LabVIEW應用程序的構(gòu)成程序框圖是VI的圖形化源代碼，是實現(xiàn)程序的核心，可以把它想象成傳統(tǒng)儀器機箱中用來實現(xiàn)功能的零部件，控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。2．程序框圖（BlockDiagram）12.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介12.3.3LabVIEW應用程序的構(gòu)成

VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個VI可以作為子程序，這里稱為子VI（sub—VI），被其他VI調(diào)用。圖標表示在其他程序中被調(diào)用的子程序。而連接器表示圖標的輸入/輸出口，類似于子程序的參數(shù)端口。3．圖標/連接器（Icon/Connector）12.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介12.3.4LabVIEW的模板簡介在LabVIEW的用戶界面上包括三種模板：工具模板（ToolsPalette）、控件模板（ControlsPalette）和函數(shù)模板（FunctionsPalette），通過它們即可實現(xiàn)程序的開發(fā)。12.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介程序的運行與調(diào)試1）找出語法錯誤2）設置執(zhí)行程序高亮3）斷點與單步執(zhí)行4）探針1．程序的運行2．程序的調(diào)試12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的硬件部分1．人體溫度檢測系統(tǒng)在硬件方面，主要采用NI6014多功能信號采集卡和DAQ模組。1）NI6014多功能信號采集卡2）DAQ模組DAQ卡屬于熱敏電阻，其阻值隨溫度的變化而變化。2．通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡來測量信號時，需考慮連接模式（單點式或差動式輸入）、精度、工作電壓范圍、取樣速率、增益等。1）模式2）精度3）工作電壓范圍4）增益5）取樣速率6）干擾12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的軟件部分首先建立人體溫度檢測系統(tǒng)所需要的人機界面（前面板），希望可以直觀的觀測檢測時溫度值，以及整個檢測過程中溫度的變化曲線，如圖12-7所示。

1．人機界面12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的軟件部分程序框圖設計必須與人機界面相對應，使其能夠控制和操縱定義在人機界面上的輸入和輸出功能。2．程序框圖12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的檢測原理基于LabVIEW虛擬儀器的人體溫度檢測系統(tǒng)將溫度信號采集輸入后進行運算，得出實際溫度，同時完成實時顯示、報警等功能，其程序流程圖如圖12-9所示。1．人體溫度檢測系統(tǒng)的程序流程圖12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的檢測原理由于人體溫度主要由血液運輸經(jīng)過動脈或靜脈所產(chǎn)生。一般情況下，耳朵溫度較接近人體體溫，而手指溫度則偏低，且手指溫度易受外在溫度上升或下降的影響，所以耳朵溫度和手指溫度之間存在一定的溫度差。采用人體溫度檢測系統(tǒng)測量體溫時，手指溫度的測量相對簡單、方便，因此，考慮通過測量手指溫度X加上它與耳朵溫度的差值△T，就可以得出實際的人體溫度（耳溫）T，即T=△T+X（℃）。為了得到比較準確手指溫度與耳朵溫度的溫度差（△T），必須進行多次反復測溫?，F(xiàn)在，在一百次測溫取樣中，取每十次人體溫度求平均值，最后算出平均溫度差。表12-5為其中五次溫度值，可以看出耳朵溫度（人體體溫）與手指溫度的平均值分別為36.88℃、212.70℃，平均溫度差為12.18℃。2．人體溫度測量原理12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的運行結(jié)果人體在正常狀態(tài)下，人體溫度檢測系統(tǒng)檢測手指溫度，界面顯示溫度由35.18℃變化到37.26℃的曲線，如圖12-10所示。人機界面顯示溫度為修正的溫度，即測量溫度加上12.18℃溫度差。所以，當人體溫度是37.26℃時，實際手溫為29.08℃。1．正常狀態(tài)12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的運行結(jié)果當手拿過一杯溫度為22.00℃的水后，可以驗證手溫下降約6.05℃。用人體溫度檢測系統(tǒng)測量體溫時，測出手溫為23.03℃，而人體正常手溫為29.08℃，隨著時間的推進，溫度以等差方式上升，溫度差大，上升速度較快，逐步恢復到37.26℃，如圖12-12所示。

2．低溫狀態(tài)12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的運行結(jié)果當手拿過一杯溫度為40.00℃的水后，可以驗證手溫上升約2.23℃，用人體溫度檢測系統(tǒng)測量體溫時，溫度以等差方式下降，過程與冷溫情況相似。最后，溫度恢復到37.26℃，溫度變化得過程如圖12-14（a）和（b）所示。3．高溫狀態(tài)12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的運行結(jié)果測量人體溫度時，通常會有高溫、正常、低溫三種情形。由圖12-16可知，在正常情況下，人體溫度會快速上升，保持水平穩(wěn)定狀態(tài)，低溫需要等待6分鐘，高溫則需要等待35分鐘后，人體溫度曲線才會顯示水平穩(wěn)定狀態(tài)，最后得到人體的正確溫度。4．三種人體溫度比較12.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的運行結(jié)果綜上所述，人體不管是正常狀態(tài)、低溫狀態(tài)或高溫狀態(tài)，用人體溫度檢測系統(tǒng)測量，從DAQ卡傳送至計算機，可以由LabVIEW人機界面，直觀了解人體的準確溫度，雖然有人為溫度誤差和系統(tǒng)溫度誤差