虚拟仪器及LabVIEW概述

1、第第1 1章虚拟仪器与章虚拟仪器与LabVIEWLabVIEW基础基础1、虚拟仪器概述虚拟仪器概述 虚拟仪器（虚拟仪器（Virtual Intrument，简称，简称VI）是）是20世纪世纪90年年代初期出现的一种新型仪器，它以代初期出现的一种新型仪器，它以计算机计算机为核心，将计算机为核心，将计算机与测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些与测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器面板的测量仪硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器面板的测量仪器。这种器。这种硬件功能的软件化，是虚拟仪器的一大特征。硬件功能的软件化，是虚拟仪器的一大

2、特征。操作操作人员在计算机显示屏上用鼠标和键盘控制仪器的启动、运行、人员在计算机显示屏上用鼠标和键盘控制仪器的启动、运行、结束，完成被测信号的数据采集、信号分析、谱图显示、数结束，完成被测信号的数据采集、信号分析、谱图显示、数据存储、数据回放及控制输出等功能。据存储、数据回放及控制输出等功能。 与传统仪器相比，与传统仪器相比，虚拟仪器最大的特点虚拟仪器最大的特点是其功能由软件定是其功能由软件定义，可以由用户根据应用需要进行调整，用户选择不同的应用义，可以由用户根据应用需要进行调整，用户选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器。而软件就可以形成不同的虚拟仪器。而传统仪器的功能传统仪器的功能是由

3、厂商是由厂商事先定义好的，其功能用户无法变更。当虚拟仪器用户需要改事先定义好的，其功能用户无法变更。当虚拟仪器用户需要改变仪器功能或需要构造新的仪器时，可以由用户自己改变应用变仪器功能或需要构造新的仪器时，可以由用户自己改变应用软件来实现，而不必重新购买新的仪器。软件来实现，而不必重新购买新的仪器。 虚拟仪器虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的产是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的产物，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。物，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继虚拟仪器是继模拟化仪表模拟化仪表、智能化仪器智能化仪器之后的新一代仪器，之后的

4、新一代仪器，代代表了当前测试仪器发展的方向之一。表了当前测试仪器发展的方向之一。 仪器的发展进程仪器的发展进程催生虚拟仪器的土壤催生虚拟仪器的土壤传统分析仪器与虚拟仪器比较传统分析仪器与虚拟仪器比较传统分析仪器虚拟仪器仪器定义厂家用户功能设定功能特定，与其他设备连接受到限制面向应用的系统结构，可方便地与网络设备、外设和其他设备连接关键环节硬件软件开放性封闭式系统，功能固定，不能改变基于计算机技术的开放式系统，灵活的软件功能模块性能价格比低高，可重复使用技术更新速度 慢（周期510年）快（周期12年）开发维护开发维护费用高软件结构，节省费用传统仪器传统仪器虚拟仪器虚拟仪器2、虚拟仪器的组成、虚拟

5、仪器的组成2.1虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成 虚拟仪器是以计算机为载体的自动化测量与控制系统，虚拟仪器是以计算机为载体的自动化测量与控制系统，用来对现实世界的各种物理量进行测量或者对物理过程用来对现实世界的各种物理量进行测量或者对物理过程进行控制。进行控制。典型的虚拟仪器结构典型的虚拟仪器结构 目前针对不同的应用目的和环境，已设计了目前针对不同的应用目的和环境，已设计了多种性能和用多种性能和用途的数据采集卡途的数据采集卡，包括，包括PCI结构、结构、PXI总线结构、总线结构、USB总线结总线结构、分布式系统结构、构、分布式系统结构、GPIB或串口设备结构、或串口设备结构、CRIO系统结构系统结

6、构等。等。 计算机虚拟仪器板卡计算机虚拟仪器板卡2.22.2常用虚拟仪器板卡常用虚拟仪器板卡2.3 2.3 典型的虚拟仪器结构典型的虚拟仪器结构 PCI 卡卡FiledPoint模块模块CRIO结构结构USB总线结构总线结构PXI总线结构总线结构GPIB结构结构 根据虚拟仪器所采用的信号测量硬件模块的不同，虚拟仪根据虚拟仪器所采用的信号测量硬件模块的不同，虚拟仪器可以分为下面几类：器可以分为下面几类： （1） PC-DAQ数据采集卡数据采集卡 利用计算机扩展槽和外部接口，将信号测量硬件设计为计算机利用计算机扩展槽和外部接口，将信号测量硬件设计为计算机插卡或外部设备，直接插接在计算机上，再配上相

7、应的应用软件，插卡或外部设备，直接插接在计算机上，再配上相应的应用软件，组成计算机虚拟仪器测试系统。这是目前应用得最为广泛的一种组成计算机虚拟仪器测试系统。这是目前应用得最为广泛的一种计算机虚拟仪器组成形式。计算机虚拟仪器组成形式。2.3 2.3 典型的虚拟仪器结构典型的虚拟仪器结构 （2 2）PXIPXI总线结构总线结构 PCI总线的仪器扩展。这种虚拟仪器结构有一个带总线背板的总线的仪器扩展。这种虚拟仪器结构有一个带总线背板的多槽机箱，计算机被做成一个模块插在多槽机箱，计算机被做成一个模块插在0槽中做控制器，其他槽中槽中做控制器，其他槽中可以插各种数据采集模块。可以插各种数据采集模块。 PX

8、I总线结构总线结构（3 3）USBUSB总线结构总线结构 数据采集装置挂在计算机外面，通过数据采集装置挂在计算机外面，通过USB口向计算机传输数口向计算机传输数据，比较适合于用笔记本电脑组成便携式的测试系统。据，比较适合于用笔记本电脑组成便携式的测试系统。USB数据数据采集装置有简单的模块，也有采集装置有简单的模块，也有NI公司的公司的CompactDAQ系统。系统。CompactDAQ把一组信号调理和数据采集模块装在一个机箱内，把一组信号调理和数据采集模块装在一个机箱内，机箱与计算机通过机箱与计算机通过USB总线通信。总线通信。USB总线结构总线结构（4)）分布式系统结构）分布式系统结构这种

9、虚拟仪器结构可以在工业现场把数据采集设备安装在被这种虚拟仪器结构可以在工业现场把数据采集设备安装在被测试对象附近，通过计算机网络、串口或工业现场总线与计算机测试对象附近，通过计算机网络、串口或工业现场总线与计算机通讯。通讯。NI公司这种产品以公司这种产品以FiledPoint和和CompactFiledPoint模块为模块为代表，后者尺寸更小，抗冲击和震动等性能更好。代表，后者尺寸更小，抗冲击和震动等性能更好。 FiledPoint模块模块（5） GPIB或串口设备结构或串口设备结构为了有效利用现有的技术资源和发挥传统仪器的某些优势，为了有效利用现有的技术资源和发挥传统仪器的某些优势，还可以采

10、用还可以采用GPIB或串口形式的虚拟仪器结构或串口形式的虚拟仪器结构串口是计算机与传统仪器接口的一种方式，实现对满足一定协串口是计算机与传统仪器接口的一种方式，实现对满足一定协议（例如议（例如RS232）的传统仪器与计算机的连接）的传统仪器与计算机的连接这些与计算机连接的仪器功能是专一、固定的，它们的软件固这些与计算机连接的仪器功能是专一、固定的，它们的软件固化在仪器内部。它们完成测试任务并不依赖于计算机，只是利用化在仪器内部。它们完成测试任务并不依赖于计算机，只是利用计算机的存储、显示、打印等功能，或对测试过程加以某些控制。计算机的存储、显示、打印等功能，或对测试过程加以某些控制。GPIB结

11、构结构（6） CRIO系统结构系统结构NI公司的公司的CRIO，即紧凑型可重配置输入输出，是一种小巧坚，即紧凑型可重配置输入输出，是一种小巧坚固的新型工业化控制和采集系统。固的新型工业化控制和采集系统。CRIO机箱中包括实时控制器、机箱中包括实时控制器、FPGA（现场可编程门阵列）芯片、信号输入输出模块和信号调（现场可编程门阵列）芯片、信号输入输出模块和信号调理模块，体现了理模块，体现了NI公司近年来涉足嵌入式系统领域。公司近年来涉足嵌入式系统领域。CRIO结构结构任何一种硬件功能模块，要与计算机进行通信，都需任何一种硬件功能模块，要与计算机进行通信，都需要在计算机中安装该硬件功能模块的驱动程

12、序（就如同在要在计算机中安装该硬件功能模块的驱动程序（就如同在计算机中安装声卡、显示卡和网卡一样），仪器硬件驱动计算机中安装声卡、显示卡和网卡一样），仪器硬件驱动程序使用户不必了解详细的硬件控制原理和了解程序使用户不必了解详细的硬件控制原理和了解GPIB、PXI、CRIO、RS232等通信协议就可以实现对特定仪器硬等通信协议就可以实现对特定仪器硬件的使用、控制与通信。驱动程序通常由硬件功能模块的件的使用、控制与通信。驱动程序通常由硬件功能模块的生产商随硬件功能模块一起提供生产商随硬件功能模块一起提供 。2.4 2.4 驱动程序驱动程序 “软件即仪器软件即仪器”，应用软件是虚拟仪器的核心。一般虚

13、，应用软件是虚拟仪器的核心。一般虚拟仪器硬件功能模块生产商会提供示波器、数字万用表、拟仪器硬件功能模块生产商会提供示波器、数字万用表、逻辑分析仪等常用虚拟仪器应用程序。对用户的特殊应用逻辑分析仪等常用虚拟仪器应用程序。对用户的特殊应用需求，则可以利用需求，则可以利用LabVIEW、Agilent VEE等虚拟仪器开发等虚拟仪器开发软件平台来开发。软件平台来开发。 2.5 2.5 应用软件应用软件3、常见的虚拟仪器、常见的虚拟仪器 双踪信号示波和频谱分析仪双踪信号示波和频谱分析仪 多踪信号示波器多踪信号示波器 双踪仪器库双踪仪器库 多踪多踪X-YX-Y轨迹仪轨迹仪 传递函数传递函数(频响特性频响

14、特性)分析仪分析仪 多踪频谱分析仪多踪频谱分析仪双踪信号示波和频谱分析仪 多踪信号示波器多踪信号示波器双踪仪器库多踪多踪X-YX-Y轨迹仪轨迹仪 传递函数(频响特性)分析仪 多踪频谱分析仪 4、工业应用、工业应用 羰基镍在线检查系统羰基镍在线检查系统 输油泵机组在线监测系统输油泵机组在线监测系统 信号分析系统信号分析系统 桥墩位移监控系统桥墩位移监控系统 发电机组在线监测诊断系统发电机组在线监测诊断系统 锅炉供热自动控制系统锅炉供热自动控制系统工业应用工业应用工业应用工业应用工业应用工业应用工业应用工业应用工业应用工业应用工业应用工业应用工业应用工业应用5、LabVIEW安装安装 将LabVI

15、EW光盘放入光驱，会出现下图所示界面 安装初始化 用户信息对话框 发行协议对话框 安装路径对话框 提示所安装的组件 安装进度条 安装设备驱动程序 安装结束以后需要重新启动计算机 （Laboratory Virtual instrument Engineering）编程方式界面编程举例(1)文本运行时才可见，文本行和图形文本行Turo CBasic(2)可视化（面向对象编程）图形，编程时编辑文本行VC、VB、CVI(3)图形化编程图形，编程时编辑流程框图LabVIEW、VEE7、创建第一个、创建第一个VI 从开始菜单中运行“National Instruments LabVIEW2010”，在计

16、算机屏幕上将出现图示欢迎窗口。 7.1 LabVIEW启动界面介绍启动界面介绍 新建新建VI程序、项目及模板； 打开打开各种LabVIEW文件； 最新消息链接NI官方网站，了解ni的最新新闻、技术内容、范例以及培训资源 在线支持链接NI的论坛，寻求在线支持。 帮助打开LabVIEW 各种帮助文件，网络资源和范例。NI官方论坛官方论坛7.2 新建新建VI窗口窗口 VI模板 项目 其它文件 7.3 前面板介绍前面板介绍标题栏菜单栏工具栏显示界面 u是LabVIEW的图形用户界面，输入控件和显示控件前面板例子前面板例子7.4 程序框图介绍程序框图介绍接线端节点连线uVI的图形化源程序程序框图例子程序

17、框图例子8、修改已有的、修改已有的VI 8.1通过改变Express VI的设置修改程序8.2 使用开发工具修改程序使用开发工具修改程序u工具选板u控件选板u函数选板工具选板工具选板工具名称功能操作值为前面板各种输入控件和显示控件赋值定位/调整大小/选择用于选中、移动对象或改变对象大小编辑文本用于输入各种控件所需要的数字或字符值进行连线通过连线建立程序框图中各个对象之间的数据传递关系对象快捷菜单该工具置于某一对象上时，单击鼠标左键即可弹出对象的快捷菜单滚动窗口用于滚动整个窗口内的图形，而无须使用滚动条设置/清除断点用于在程序中为某个对象设置断点探针数据用于在程序框图中设置探针，以观察程序运行的

18、结果获取颜色用于从窗口中提取颜色设置为当前色设置颜色用来为控件、前面板、程序框图设置颜色8.2.2 控件选板控件选板新式系统经典Express信号处理.NET与ActiveX用户控件控制设计与仿真信号处理附加工具包8.2.3 函数选板函数选板编程测量I/O仪器I/O数学信号处理数据通信互联接口Express收藏用户库8.4 设置对话框设置对话框统计学VI设置对话框生成控件生成控件生成输入控件生成显示控件简单修饰前面板简单修饰前面板加标题控件排列配色1.12 LabVIEW学习途径学习途径uLabVIEW的即时帮助uLabVIEW的帮助系统uLabVIEW的范例学习u快速寻求他人帮助LabVIEW的即时帮助的即时帮助执行菜单命令“帮助显示即时帮助”快捷键Ctrl+H随光标移动显示对象的基本功能信息LabVIEW的帮助系统的帮