《虛擬儀器與LABVIEW編程技術(shù)》課件-第1章 虛擬儀器與LabVIEW概述

第1章虛擬儀器與LabVIEW概述1.1.1虛擬儀器的概念虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）是基于計(jì)算機(jī)的儀器，是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。其實(shí)質(zhì)是將傳統(tǒng)儀器硬件功能和最新計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，如完成數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測(cè)試結(jié)果的顯示等功能。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲(chǔ)等方面的限制，用戶可以方便的對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)。1.1.2虛擬儀器的組成虛擬儀器系統(tǒng)包括儀器硬件和應(yīng)用軟件兩部分。儀器硬件是計(jì)算機(jī)的外圍電路，與計(jì)算機(jī)過處理虛擬儀器系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)；應(yīng)用軟件則是虛擬儀器的核心，可以通過不同的功能模塊（軟件模塊）的組合構(gòu)成多種儀器，實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。1.1虛擬儀器概述虛擬儀器體系圖

各組成部分功能：

（1）傳感器：傳感器用于采集被測(cè)對(duì)象（如溫度、壓力等）的數(shù)據(jù)，其作用有兩個(gè)，一是接收被采集對(duì)象的信號(hào)數(shù)據(jù)，二是將被采集到的物理量轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能夠接受的電量。

（2）信號(hào)調(diào)理器：信號(hào)調(diào)理器的作用主要是將由傳感器采集到的比較微弱且伴有噪聲的電信號(hào)進(jìn)行放大濾波后再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

（3）計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)主要包括數(shù)據(jù)采集卡和應(yīng)用軟件兩部分，數(shù)據(jù)采集卡接受信號(hào)后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后通過編寫好的程序讀取數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行顯示、分析、存儲(chǔ)和傳輸。

虛擬儀器可以通過多種接口（GPIB、VXI、PXI等）或具有這些接口的儀器來連接被測(cè)對(duì)象和計(jì)算機(jī)。

虛擬儀器的組成框圖1.1.3虛擬儀器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性能價(jià)格比和可操作性等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。虛擬儀器具有如下特點(diǎn)：(1)硬件功能軟件化很多以前需要硬件才能實(shí)現(xiàn)的功能，以在虛擬儀器架構(gòu)平臺(tái)上輕松應(yīng)用軟件將各個(gè)功能模塊搭起來實(shí)現(xiàn)。在生產(chǎn)中節(jié)省了成本，節(jié)約了時(shí)間，并且靈活高效。(2)功能應(yīng)用自主定義虛擬儀器具有靈活多變的特點(diǎn)，使用者可以基于已有的模塊，根據(jù)自身需求，將不同的模塊組合，通過編寫不同的軟件邏輯，實(shí)現(xiàn)想要的功能。(3)方便的圖形化的界面虛擬儀器可以將編程界面圖形化，不需要使用者精通像C、C++之類語言的編程語法，而是通過圖形化的軟面板，將使用者需要用到的功能變成一個(gè)個(gè)參數(shù)圖形，使用者只需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)用即可，上手更加容易簡單，應(yīng)用開發(fā)周期也極大縮短。1.1.4虛擬儀器的應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)具有開放性和靈活性，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展，以提高精確度，降低成本，大大節(jié)省了用戶的開發(fā)時(shí)間，虛擬儀器可以應(yīng)用到以下幾個(gè)方面：1．監(jiān)控使用虛擬儀器可以實(shí)時(shí)采集和記錄從傳感器采集到的信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、數(shù)字濾波、頻域分析等處理，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。2．檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)室中，利用虛擬儀器開發(fā)工具開發(fā)的虛擬儀器系統(tǒng)，可以把一臺(tái)計(jì)算機(jī)變成一組檢測(cè)儀器，用于數(shù)據(jù)和圖像采集、控制與模擬，使用者能在實(shí)驗(yàn)過程中，通過修改參數(shù)，進(jìn)行不斷地反復(fù)調(diào)試對(duì)比分析，在實(shí)踐中理解和掌握專業(yè)知識(shí)。3．教育由于虛擬儀器系統(tǒng)具有靈活性、可重用性的優(yōu)點(diǎn)，教育部門可以根據(jù)需要使用虛擬儀器系統(tǒng)搭建自己的教學(xué)系統(tǒng)，一方面節(jié)省了開支，另一方面使得教學(xué)方法更加靈活多樣。4．電信由于虛擬儀器具有靈活的圖形用戶接口和強(qiáng)大的檢測(cè)功能，同時(shí)又能與CPIB和VXI儀器兼容，所以經(jīng)常被用來進(jìn)行電信檢測(cè)。1.1.5虛擬儀器的發(fā)展虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，未來儀器的概念將是一個(gè)開放的系統(tǒng)概念，計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代儀器相互包容。因此，“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的概念概括了儀器的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)，虛擬儀器的發(fā)展表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：(1)高性能的數(shù)字信號(hào)處理芯片、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展，提高了信號(hào)采集和處理的速度，縮短了虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。(2)智能化、模塊化、集成化是硬件發(fā)展的主流。(3)智能化軟件開發(fā)平臺(tái)是虛擬儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向。(4)新的總線技術(shù)應(yīng)用，如HS488、1394b等。(5)儀器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。1.1.6虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境虛擬儀器開發(fā)環(huán)境是保證開發(fā)項(xiàng)目正常運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，開發(fā)環(huán)境有兩類。一類是用底層編程語言開發(fā)的環(huán)境，像C、C++、JAVA等編程語言。另一類是用G語言開發(fā)的圖形化編程界面。圖形化編程界面實(shí)質(zhì)上是以圖形化界面展示給用戶，用戶在使用時(shí)就不需要學(xué)習(xí)內(nèi)部的語言結(jié)構(gòu)，只需將模塊進(jìn)行拖拉拽等操作即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，這樣極大的方便了用戶并且縮短了開發(fā)周期。LabVIEW就是利用其方便的圖形化界面使用戶能夠非常簡便的開發(fā)相關(guān)功能。1986年，LabVIEW1.0，運(yùn)行在蘋果公司的Macintosh平臺(tái)上。1988年，LabVIEW2.0，1990年虛擬儀器面板和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流獲兩項(xiàng)美國專利。1994年，LabVIEW3.0帶有附加工具包。1996年，LabVIEW4.0增加自定義界面和ApplicationBuilder。1998年，LabVIEW5.0支持多線程。2000年，LabVIEW6i集成因特網(wǎng)功能。2001年，LabVIEW6i實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和增加事件結(jié)構(gòu)等重要功能。2003年，LabVIEW7Express增加了ExpressVI。2004年，LabVIEW7.1Express增加了許多全新的功能。2005年，LabVIEW8.0增加了許多全新的功能。2006年8月，LabVIEW8.20有了第一個(gè)中文版的開發(fā)環(huán)境。2007年8月，LabVIEW8.5。2008年8月，LabVIEW8.6。2009年2月，LabVIEW8.6.1。2010年以來，NI公司相繼發(fā)布了LabVIEW2010、LabVIEW2011，直至最新的LabVIEW2017版。LabVIEW向上是兼容的，最近幾年的LabVIEW各版本在操作方法、基本界面和功能上沒有區(qū)別。1.2LabVIEW簡介

1.2.1LabVIEW簡介LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）其中文名稱是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)。它是一個(gè)使用圖形符號(hào)來編寫程序的編程環(huán)境。在這一點(diǎn)上，它不同于傳統(tǒng)的文本編程語言，如C，C++或Java。LabVIEW是目前應(yīng)用最廣、功能最為強(qiáng)大的虛擬儀器工程平臺(tái)，是一種圖形化的編程語言。由于LabVIEW具有一個(gè)高效的圖形化程序設(shè)計(jì)環(huán)境，結(jié)合了簡單易用的圖形化開發(fā)環(huán)境，所以又稱其為G語言（GraphicalLanguage）。1.2.2LabVIEW的特點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)室儀器相比，LabVIEW提供了更大的靈活性，通過軟件我們可以定義儀器的功能。LabVIEW的出現(xiàn)大大提高了虛擬儀器的開發(fā)效率，降低了軟件操作對(duì)開發(fā)人員的要求。LabVIEW的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)編程簡單，由于LabVIEW提供了豐富的圖形控件，采用圖形化的編程方法，把工程師從復(fù)雜枯燥的文本編程工作中解脫出來。(2)開發(fā)周期短，只需通過交互式圖形前面板進(jìn)行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示，可省去硬件面板的制作過程。(3)具備高效性，LabVIEW內(nèi)有600多個(gè)分析函數(shù)，使得數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)學(xué)運(yùn)算等過程得以高效完成。(4)開放性，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更新擴(kuò)展。(5)通用性，LabVIEW提供了大量的驅(qū)動(dòng)和模塊，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接。(6)性價(jià)比高，能夠反復(fù)使用，并能一機(jī)多用。1.2.3LabVIEW2015的安裝LabVIEW可以安裝在MacOS、Linux和Windows2000/XP/Vista等不同的操作系統(tǒng)上，LabVIEW2015中文版可以到NI公司官網(wǎng)進(jìn)行下載。雙擊下載的LabVIEW2015安裝包后選擇解壓的位置，然后點(diǎn)擊“Unzip”按鈕后軟件就進(jìn)入了解壓進(jìn)度，解壓完之后按照提示一步一步進(jìn)行安裝。1.2.4LabVIEW的編程環(huán)境

LabVIEW軟件安裝完成后，可以通過以下兩種方式啟動(dòng)LabVIEW2015：

(1)從“開始”菜單中選擇“所有程序”中的“NationalInstrument”，然后選擇“LabVIEW2015”，既可以運(yùn)行程序。

(2)通過桌面快捷方式運(yùn)行。1.2.5LabVIEW的啟動(dòng)界面運(yùn)行LabVIEW2015后，馬上會(huì)出現(xiàn)如圖所示的“啟動(dòng)界面”，在“啟動(dòng)界面”中可以進(jìn)行新建VI、新建項(xiàng)目、新建基于模板VI、打開最近關(guān)閉的Ⅵ或者項(xiàng)目、打開LabVIEW2015自帶的幫助和入門指南等文檔、查找范例和鏈接LabVIEW2015網(wǎng)絡(luò)資源等操作。從該界面的菜單欄中選擇“文件”→“新建VI”選項(xiàng)，即可進(jìn)入LabVIEW2015開發(fā)環(huán)境。LabVIEW的啟動(dòng)界面1.2.6LabVIEW的編程界面在“啟動(dòng)界面”的“文件”菜單下點(diǎn)擊“新建VI”后，彈出前面板窗口和程序框圖窗口，兩個(gè)窗口重疊在一起，可以點(diǎn)擊“窗口”菜單，選擇“左右兩欄顯示”或者“上下兩欄顯示”讓兩個(gè)窗口平鋪排列。新建的空白VI的前面板窗口和程序框圖窗口分別如圖所示。前面板窗口程序框圖窗口1.2.7LabVIEW的選板LabVIEW的開發(fā)工具共有三個(gè)選板：工具選板、控件選板和函數(shù)選板。1.工具選板工具選板是特殊的鼠標(biāo)模式，工具選板模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具，這些工具的使用類似于標(biāo)準(zhǔn)的畫圖程序工具。一般情況啟動(dòng)LabVIEW后，工具選板可自動(dòng)出現(xiàn)在窗口中，如果該選板沒有出現(xiàn)，可以從菜單欄中選擇“查看”菜單中的“工具選板”選項(xiàng)即可調(diào)出，工具選板如圖所示。工具選板2.控件選板

控件選板用來給前面板設(shè)置各種所需的顯示控件和輸入控件。每個(gè)圖標(biāo)代表一類子模板。如果控件選板未顯示，可以用“查看”菜單的“控件選板”功能打開它，也可以在前面板的空白處，右擊以彈出控件選板。

控件選板中常用的控件有“新式”、“銀色”、“系統(tǒng)”、和“經(jīng)典”四種風(fēng)格，用戶可以根據(jù)自己的需要來選擇，下面介紹“新式”風(fēng)格中幾種常用的子選板。

(1)數(shù)值子選板

數(shù)值子選板提供各種前面板所需的數(shù)值型控件，數(shù)值型控件主要完成參數(shù)設(shè)置和結(jié)果顯示。常用的有數(shù)值輸入控件、各種滑動(dòng)桿、旋鈕、轉(zhuǎn)盤、顏色盒、數(shù)值顯示控件、各種進(jìn)度條、各種刻度條、儀表、量表、液罐、溫度計(jì)、各種滾動(dòng)條、時(shí)間標(biāo)識(shí)控件等。

(2)布爾子選板

布爾子選板中包含一些布爾型的輸入控件和顯示控件，各種按鈕、開關(guān)、按鍵等都屬于輸入控件，各種指示燈則為顯示控件。

注意：布爾型控件的值只能是Ture和False。

(3)字符串與路徑

該子選板中有字符串輸入控件、字符串顯示控件、組合框、文件路徑輸入控件、文件路徑顯示控件。

(4)數(shù)組、矩陣與簇子選板

該子選板中有數(shù)組、簇、實(shí)數(shù)矩陣、復(fù)數(shù)矩陣、錯(cuò)誤信息輸入控件和錯(cuò)誤信息顯示控件。

(5)列表與表格

該子選板中有列表框、多列列表框、表格、樹形控件和Express表格等控件。

(6)圖形控件：主要完成結(jié)果顯示

該子選板中有波形圖表、波形圖、XY圖、ExpressXY圖、強(qiáng)度圖表、強(qiáng)度圖、數(shù)字波形圖、混合信號(hào)圖、羅盤圖、誤差線、羽狀圖、XY曲線矩陣、控件、三維圖片控件和數(shù)量眾多的三維圖形等控件。

(1)結(jié)構(gòu)子選板

結(jié)構(gòu)子選板中包括For循環(huán)、While循環(huán)、定時(shí)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)、平鋪和層疊兩種順序結(jié)構(gòu)、公式節(jié)點(diǎn)、反饋節(jié)點(diǎn)、全局變量、局部變量等。

(2)數(shù)值子選板

數(shù)值子選板中包括各種常用的數(shù)學(xué)運(yùn)算符，如＋、－等，以及各種常見的運(yùn)算式，如＋1運(yùn)算，還包括各種數(shù)值常量等。

(3)數(shù)組子選板

數(shù)組子選板包括各種數(shù)組運(yùn)算函數(shù)以及數(shù)組常量等。

(4)簇子選板

簇子選板包括各種簇運(yùn)算函數(shù)以及簇常量等。

(5)布爾子選板

布爾子選板中包括各種邏輯運(yùn)算符以及各種布爾常量等。

(6)字符串子選板

字符串子選板中包括各種字符串操作函數(shù)以及各種字符串常量等。

(7)波形子選板

波形子選板中包括各種波形函數(shù)等。

3．函數(shù)選板

2.程序框圖工具欄程序框圖工具欄中有一些與前面板工具欄相同的按鈕，同時(shí)也包含前面板的工具欄中所沒有的5個(gè)程序調(diào)試按鈕，從左至右依次為：“以高亮顯示執(zhí)行過程”、“保存連線值”、“開始單步執(zhí)行”、“單步跳過”和“單步跳出”。1.2.9前面板窗口和程序框圖窗口的工具欄1．前面板工具欄前面板的工具欄如圖所示，工具欄中有9個(gè)按鈕，從左至右分別為“運(yùn)行”、“連續(xù)運(yùn)行”“異常終止執(zhí)行”“暫?！薄拔谋驹O(shè)置”、“對(duì)齊對(duì)象”“分布對(duì)象”、“調(diào)整對(duì)象”、“重新排序”。1.2.8菜單欄1.2.10LabVIEW2015的幫助系統(tǒng)

LabVIEW2015的幫助系統(tǒng)提供了詳盡的幫助信息和編程范例，是最有用的學(xué)習(xí)LabVIEW的工具之一，有效地利用幫助信息是快速掌握LabVIEW的一條捷徑。獲取幫助信息的渠道包括顯示即時(shí)幫助、LabVIEW幫助、查找范例以及網(wǎng)絡(luò)資源等。1.3虛擬儀器自動(dòng)化測(cè)試項(xiàng)目介紹1.3.1項(xiàng)目背景介紹智能制造(Intelligentmanufacturing)是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進(jìn)行智能活動(dòng)，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機(jī)器的合作共事，去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動(dòng)。1.3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備由上位機(jī)、PXI機(jī)箱和板卡、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路板、可編程電源和夾具組成。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)圖1.3.3系統(tǒng)功能程序控制PXI機(jī)箱里的可編程電阻板卡，從0Ω到2000Ω，每隔2秒鐘增加10Ω，給被測(cè)產(chǎn)品提供模擬溫度信號(hào)(因被測(cè)產(chǎn)品使用的是PT1000傳感器)，通過串口將被測(cè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換后的溫度值讀取回來并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，若偏差大于5%則報(bào)警。所有的數(shù)據(jù)均存入上位機(jī)，并將溫度值在上位機(jī)以波形圖的形式進(jìn)行顯示。1.3.4項(xiàng)目實(shí)施模式項(xiàng)目的開展建議采用行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法進(jìn)行，在每