第9章虚拟仪器与LabVIEW编程

1、第第9章章 虚拟仪器与虚拟仪器与LabVIEW 编程基础编程基础9.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念20世纪80年代末美国研制成功了虚拟仪器。虚拟仪器的发展标志着自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个崭新方向。所谓虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。 “虚拟虚拟”二字主要包含两方面的含义： 第一、虚拟仪器的面板是虚拟的第二、虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。 虚拟仪器的特点可归纳为：9.1.2 虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点 研制周期较传统仪器大为缩短

2、。 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。 仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器。 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联。9.1.3 虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成传统仪器虚拟仪器功能定义仪器厂家用户技术关键硬件软件功能升级固定通过修改软件进行增减开放性封闭基于计算机的开发系统技术更新较慢较方便、较快开发周期较长相对快工作频率较高受限与A/D与D/A的速度应用领域通用测量、计量大多为测控系统价格较高价格且可重复利用虚拟仪器由通用仪器硬件平

3、台虚拟仪器由通用仪器硬件平台( (简称硬件平台简称硬件平台) )和应用软件两和应用软件两大部分构成。大部分构成。1. 1. 通用仪器硬件平台通用仪器硬件平台构成虚拟仪器的硬件平台有两部分：构成虚拟仪器的硬件平台有两部分：（1 1）计算机：一般为一台）计算机：一般为一台PCPC机或者工作站，它是硬件平台机或者工作站，它是硬件平台的核心。的核心。（2 2）I/OI/O接口设备：主接口设备：主要完成被测输入信号的要完成被测输入信号的采集、放大、模采集、放大、模/ /数转数转换。可根据实际情况采换。可根据实际情况采用不同的用不同的I/OI/O接口硬件接口硬件设备，如数据采集卡设备，如数据采集卡/ /板

4、板(DAQ)(DAQ)、GPIBGPIB总线仪总线仪器、器、VXIVXI总线仪器模块、总线仪器模块、串口仪器等。虚拟仪器串口仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有五种的构成方式主要有五种类型，如图类型，如图9-19-1框图所框图所示。示。 2. 软件结构软件结构虚拟仪器软件由两大部分构成。虚拟仪器软件由两大部分构成。(1) (1) 应用程序。它包含两个方面的程序：应用程序。它包含两个方面的程序： 实现虚拟面板功能的前面板软件程序。实现虚拟面板功能的前面板软件程序。 定义测试功能的流程图软件程序。定义测试功能的流程图软件程序。(2) I/O接口仪器驱动程序接口仪器驱动程序 完成特定外部硬件设备的扩展、

5、驱动与通信。开发虚拟仪器，完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。必须有合适的软件工具。 虚拟仪器的软件开发工具。虚拟仪器的软件开发工具。文本式编程语言：如文本式编程语言：如C C、Visual CVisual C、Visual BasicVisual Basic、Labwindows/CVILabwindows/CVI等；图形化编程语言：如等；图形化编程语言：如LabVIEWLabVIEW、HPVEEHPVEE等。这等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境

6、。本书要介绍的是方便条件与良好的开发环境。本书要介绍的是LabVIEWLabVIEW图形化编图形化编程语言。程语言。 9.2 LabVIEW8.5编程基础编程基础 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）是由美国，实验室虚拟仪器工程平台）是由美国NI公司公司（National Instrument Company）推出的一种基于）推出的一种基于G语言语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。工具。启动启动LabVIE

7、WLabVIEW主程序后，出现主程序后，出现如图如图9-39-3所示的所示的LabVIEWLabVIEW启动启动窗口，在这个窗口中可创建窗口，在这个窗口中可创建新新VIVI、选择最近打开的、选择最近打开的LabVIEW LabVIEW 文件、查找范例以文件、查找范例以及打开及打开LabVIEWLabVIEW帮助。帮助。图图9-39.2.1 LabVIEW应用程序的构成应用程序的构成 应用应用Labview开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为VI。VI程序由前面板（程序由前面板（Front Panel）、流程图（）、流程图（Block Diagra

8、m）和图）和图标标/连接器（连接器（Icon/Connector）三个部分构成。）三个部分构成。 1.前面前面板板 前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（Controls），输出），输出量被称为显示（量被称为显示（Indicators）。控制和显示是以各种图标形式出现）。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂、易于控制数据的输

9、入板直观易懂、易于控制数据的输入 2. 流程图流程图每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用Labview图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。3. 图标图标/连接器连接器图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口。图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就像函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应

10、。连接器一般情况下隐含不显示，除非用户选择打开观察它。9.2.2 LabVIEW8.5 操作模板操作模板 主要介绍工具模板、控制模板和功能模板的主要功能和使用方法。1.工具模板工具模板工具模板提供了用于操作、编辑前面板和流程图上对象的各种工具。若想选用某操作工具，只需用鼠标点击该工具图标即可。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成与该工具对应的形状。图9-4工具模板的调用方法： 选择“查看工具选板”可以打开工具选板，如图9-4所示。将工具模板变成浮动板留在屏幕上的方法：用鼠标点击控制模板或功能模板左上角的“大头针”。9.2.2 LabVIEW8.5 操作模板操作模板 2.控件模板控件模

11、板。控件模板在前面板显示，它包含创建前面板时可用的全部对象。最常用控件可以以新式新式（modern）、经典经典（classic）和系系统统（system）三种风格显示。选择主菜单查看控件选板选项或右击前面板空白处就可以显示控件选板。如图9-5所示，控件的种类有：数值控件（如滑动杆和旋钮）、图形、图表、布尔控件（如按钮和开关）、字符串、路径、数组、簇、列表框、树形控件、表格、下拉列表控件、枚举控件和容器控件等等。 图9-59.3 LabVIEW 中的中的Express VI-快速搭建专业测试系统快速搭建专业测试系统用户在程序开发过程中，只需在整个程序流程图中简单地用户在程序开发过程中，只需在整个

12、程序流程图中简单地调用调用Express VIExpress VI程序，并使用属性设置页面配置系统的采程序，并使用属性设置页面配置系统的采集、分析与显示功能，实现应用程序的快速开发与设计，集、分析与显示功能，实现应用程序的快速开发与设计，极大地提高了程序开发效率。极大地提高了程序开发效率。 9.3.1 初识初识Express技术技术Express技术包含前面板控件和程序框图VI函数 如图9-7和图9-8所示。图9-7图9-8 后面板的Express VI函数面板前面板的Express控件面板包含了最常用的一些控件。大部分实际上和普通控件完全一样，放在Express面板下只是为了方便用户。只有波

13、形图表和Express XY 图控件会自动在程序框图中产生代码。程序框图中的函数选板上的Express VI面板包含了大量的Express VI函数，主要分6大类。信号输入Express Vls 用来从仪器采集信号或产生仿真信号。信号分析Express VIs 用来对信号进行分析处理。输出Express VIs 用于将数据存入文件，产生报表以及与仪器连接，输出真实信号等。信号操作Express VIs 主要用于对信号数据进行操作，比如类型转换、信号合并等。执行控制Express VIs和程序结构体 包含了一些基本的程序结构以及时间函数。算术与比较Express VIs 包含一些基本的数学函数、

14、比较操作符、数字和字符串。以一个滤波器为例初步感受Express VI的用法。（1 1）产生仿真信号）产生仿真信号图9-9 仿真信号Express VI属性配置对话框将函数选板上的Express输入仿真信号VI函数放置在程序框图上，同时会弹出如图9-9所示的配置对话框，用于对仿真信号进行配置。我们将其配置为100Hz的正弦信号，同时加上均匀白噪声。（3 3）创建波形显示器）创建波形显示器（2 2）放置滤波器）放置滤波器将函数选板上的Express信号分析滤波器函数放置在程序框图上，在放置的同时也会自动弹出类似图9-9所示的配置对话框。在这里可以选择滤波器的类型以及一些必要的滤波器参数。这里我们

15、采用低通滤波器。将以上两个VI放置在程序框图中后，将仿真信号的信号输出与滤波器的信号输入连接起来。右击仿真信号的信号输出端选择创建图形显示控件创建仿真信号波形图。与之类似，在滤波器的信号输出端也创建一个滤波后的波形图（Filtered Signal）。（4 4）加上程序控制结构）加上程序控制结构用Express 面板上的 执行过程控制While循环将信号发生器程序围在其中。我们可以看到与普通的While循环不一样，它会自动给While循环添加一个停止（Stop）按钮，这样就简化了编程步骤。接着我们再放置一个延时器在While循环中用以降低CPU的利用率。它在Express面板上的位置为 执行过

16、程控制 时间延迟 。同样它会自动弹出一个对话框让用户输入延时长度。图9-10 利用Express VI搭建的信号滤波器 将函数放置在程序框图上后双击函数图标也可以弹出配置对话框。此外，所有的函数参数也可以由输入端子输入。9.3.2 Express VIs简介简介1. 1. 信号输入（信号输入（InputInput） Express VIsExpress VIs图9-11 信号输入控件 信号输入Express VIs在Express-输入面板下，主要用来从仪器采集信号或产生仿真信号；通过这些函数，信号可以来源于仪器，也可以来源于文件或者由计算机仿真产生。信号输入控件如图9-11所示。2. 信号分

17、析（信号分析（Signal Analysis）Express VIs图9-12 信号分析面板信号分析Express VIs在Express-信号分析面板下。该面板下包含了最常用的信号分析函数，例如谱测量、失真度测量、曲线拟合、滤波器和直方图等。信号分析面板如图9-12所示。3. 输出（输出（Output）Express VIs图9-13 输出面板Output Express VIs在Express-输出面板下，用于将信号数据存入文件，产生报表或向仪器输出真实信号等。输出面板如图9-13所示。4. 4. 信号操作（信号操作（Signal ManipulationSignal Manipulati

18、on）Express VIsExpress VIs图9-14 信号操作面板 信号操作Express VIs在Express-信号操作面板下。主要用于对信号数据进行各种操作，譬如信号合并、类型转换、信号连接、抽样信号、触发信号和选择信号等。信号操作面板如图9-14所示。5. 算术与比较（算术与比较（Arithmetic & Comparison）Express VIs图9-15 算术与比较面板 算术与比较Express VIs在Express-算术与比较面板下，它包含一些基本的数学函数和比较操作符，以及数字和字符串等。算术与比较面板如图9-15所示。6. 执行控制执行控制Express VIs图

19、9-16 执行过程控制面板执行控制Express VIs在Express-执行过程控制面板下，包含了一些基本的程序结构以及时间函数，譬如While结构，Case结构，时间延时和消逝时间等，如图9-16所示。9.4 信号分析信号分析图9-17 信号处理面板 LabVIEW尤其适合数字信号处理，主要优势有：具有良好的图形显示功能，能够以多样化的方式直观显示各种信号波形；图形化的编程方式，学习门槛较低，易于掌握，省去了许多烦琐的编程细节；拥有数量众多、功能齐全的各种信号分析与处理VI，供用户随意调用；具有良好的扩展性，通过附加工具包扩展，以及与其他平台扩展。函数面板信号处理面板如图9-17所示。9.

20、4.1 波形和信号生成波形和信号生成图9-18 波形生成VI库 图9-19 信号生成VI库在很多情况下需要在没有硬件的情况下对系统仿真或验证系统的正确性，在某些情况下可能还需要通过D/A变换向硬件输出波形。这时就需要波形发生函数来模拟产生需要的波形。准确快捷地产生符合所需参数的信号波形，是准确进行后续仿真分析和处理的基础。1. 波形和信号生成相关的波形和信号生成相关的VI波形信号生成举例波形信号生成举例图9-20 基本信号生成波形生成有多种方法：第一种是基本信号的产生，只需把参数输入既可；第二种是根据公式法产生信号；实际中，有的根据实际情况经过数学运算和其他运算加噪音等方法模拟出接近于实际的信

21、号。（2）公式法产生的波形）公式法产生的波形图9-21 公式法产生的波形9.4.2 信号时域分析信号时域分析图9-22 波形测量VI库 图9-23 信号运算VI库 信号时域分析是指在时间域上对信号的时域参数进行测量和计算，从而提取出有助于研究和分析的信号时域特性。时域分析往往是对原始信号进行分析的第一个步骤，信号的时域特性往往也是使用其他方法进行分析的重要参考和基础。1. 1. 信号时域分析相关的信号时域分析相关的VIVI 2. 信号时域分析举例信号时域分析举例图9-24 测量波形的直流分量与均方根值（1 1） 测量波形的直流分量与均方根值测量波形的直流分量与均方根值测量波形的直流分量与均方根

22、值如图9-24所示。具体步骤如下。 新建“直流分量与均方根值的测量.vi”，添加一个While循环结构，以便连续地生成和观察信号波形。在While循环中放入生成一个混有白噪声、带直流分量的正弦波信号，只需将参数设置好。图9.24中运行后可以看到测得的直流分量与设定的相同，有效值为8.69。（2）周期信号时域特性的测量实例）周期信号时域特性的测量实例 图9-25 周期信号时域特性的测量 9.4.3 信号频域分析信号频域分析信号频域分析指将时域信号通过傅立叶变换等方法转换到频率域上，然后进行分析。一些从时域上无法解决的问题，往往从频域分析的角度可以得到有效的解决。 1. 1. 信号的信号的FFTF

23、FT分析分析与FFT相关的VI 在函数选板的位置： 信号处理 波形测量； 信号处理 变换； 信号处理 逐点变换（逐点）。2. 信号的FFT分析实例（1）FFT分析幅度谱和相位谱实例FFT分析幅度谱和相位谱的测量图如图9-26 所示具体步骤如下。新建“使用FFT分析信号幅度谱和相位谱.vi”，并添加混合单频与噪声波形VI（Tones and Noise Waveform.vi）用来生成两个不同频率、幅值和初相位的正弦波叠加信号，另外叠加均方根值为1的白噪声信号。添加“FFT Spectrum（Mag-Phase）.vi”来分析所生成的原始信号，使用Hanning窗。 图图9-26 FFT分析幅度

24、谱和相位谱的测量图分析幅度谱和相位谱的测量图 （2）信号的傅立叶变换）信号的傅立叶变换傅立叶变换是数字信号处理中最重要的变换之一，它的意义在于使人们能够在频域中观察一个信号的特征。它的一个基本应用就是计算信号的频谱，通过频谱可以方便地观察和分析信号的频率组成成分。现在通过2个正弦信号发生器产生2个不同频率不同振幅的正弦信号，并将其叠加为同一个信号作为傅立叶变换函数的输入，如图9-27所示。图图9-27 双边傅立叶变换双边傅立叶变换9.5 虚拟仪器设计举例虚拟仪器设计举例虚拟仪器将仪器功能分为一些通用模块，由输入、输出、数据处理三个部分组成。本节将介绍基于NI公司生产的数据采集卡PCI6014的

25、虚拟仪器设计方法。基于基于NI数据采集卡的虚拟双踪示波器设计数据采集卡的虚拟双踪示波器设计 1Measurement & Automation Explorer（MAX） NI公司提供一个专用的管理软件MAX，来对所有NI公司产品相关的硬件进行管理。针对数据采集卡，这个软件可以完成NI公司数据采集卡的检测、性能测试、属性配置和删除。一般在硬件驱动程序安装的同时，MAX会自动安装到计算机中。 运行MAX后，在其主界面中将显示计算机中和NI公司相关的项目，如图9-28所示。在Device and Interface的下级目录中显示该计算机安装了PCI6014数据采集卡，并被分配设备号为1，在以后的

26、数据采集VI调用中，就用这个设备号来标识这块PCI6014数据采集卡。图9-28 MAX主界面在PCI6014（Device 1）项目上单击鼠标右键，将弹出快捷菜单，其中包含了MAX中对数据采集卡PCI6014能够进行的操作，即Test Panels（性能测试）、 Delete（硬件删除）和Properties（属性配置），单击各项目即可进入相关操作界面。 其中，利用性能测试功能可以对数据采集卡的功能进行简单的测试，如图9-29所示为模拟输入（AI）采样的测试界面，该测试功能将当前数据采集卡采集的信号显示在观察窗口中，并且提供了多种采样和显示方式，相当于一个现成的数据采集器和示波器，可以用它来

27、检测数据采集卡的工作状态是否正常，或简单地观察一个信号的波形。图9-29 数据采集卡的模拟输入测试界面 利用属性配置操作可以对数据采集卡的属性进行配置和检查，在如图9-30和图9-31所示的界面中分别对数据采集卡的系统属性（System）和模拟输入属性（AI）进行检查和操作。其中系统属性中涉及到数据采集卡占用的内存、中断号和直接内存访问号，而在模拟输入属性中可以设置模拟输入范围和信号输入模式。另外，属性配置操作还可以对模拟输出（AO）、信号进入方式（Accessory）、数据采集和模拟输出的标定周期（OPC）和远程操作该数据采集卡的密码（Remote Access）等属性进行配置。图9-30

28、数据采集卡的系统属性检查 图9-31 数据采集卡的模拟输入属性操作2在在MAX中添加中添加DAQ通道通道 在MAX中添加DAQ通道的目的有两个：一是利用MAX对通道进行设置和测试，观察其是否可用；另一目的就是创建这些通道时，可以给这些通道根据用途的不同用带有特色的名字进行命名，不再使用通道1、通道2这样不易记忆的名字，方便识别并在LabVIEW等程序中进行有效调用。下面以传统DAQ通道为例，介绍添加DAQ通道的具体过程。 （1）在MAX中展开Date Neighborhood分支，如图9-32所示。图9-32 展开的Date Neighborhood分支 选择Traditional NI-DA

29、Q Devices Virtual Channel，如图9-33所示。点击“Finish”按钮，将出现的界面，如图9-34所示。界面用来选择通道的类型：模拟输入(Analog Input)、模拟输出(Analog Output)或数字输入输出(Digital I/O)。这里选择模拟输入。 图9-33 添加新通道界面图 9-34 通道类型选择（2）点击“下一步”按钮，出现如图9-35所示的界面。在此输入通道的名称和简要的描述。这里采用的通道名称为“A”，描述为“CH1”。 （3 3）选择传感器或测量的类型，如图）选择传感器或测量的类型，如图9-369-36。可以根据需要选择电压、。可以根据需要选

30、择电压、电流、电阻、各型热电隅、加速度计或应变片等，这里选择电流、电阻、各型热电隅、加速度计或应变片等，这里选择VoltageVoltage。图9-35 通道名称和描述 图9-36 选择传感器或测量的类型 （4）点击“下一步”按钮，出现如图9.37所示的界面。在此可设置信号的单位和范围。再点击“下一步”按钮，出现如图9.38所示的界面，可以设置缩放比例。这里都采用默认的方式。图9-37 设置单位和范围 图9.38 设置缩放比例（5 5）点击）点击“下一步下一步”按钮，出现如图按钮，出现如图9-399-39所示的界面。在此选择所示的界面。在此选择DAQDAQ设备、通道及输入模式，完成通道设置。这

31、里选择的设备、通道及输入模式，完成通道设置。这里选择的DAQDAQ设备是设备是PCIPCI60146014，通道为，通道为60146014的的0 0通道，输入模式为通道，输入模式为DifferentialDifferential（差分输入）。（差分输入）。通过以上通过以上5 5个步骤就完成了在传统个步骤就完成了在传统DAQDAQ通道向导下的一个通道添加与设置。通道向导下的一个通道添加与设置。这时展开的这时展开的Traditional NI-DAQ Devices Virtual ChannelsTraditional NI-DAQ Devices Virtual Channels分支如图分支如

32、图9-9-4040所示。所示。图9-39 选择DAQ设备、通道及输入模式 图9-40 完成添加通道A虚拟双踪示波器需要两个输入通道，现在已经有了一个通道虚拟双踪示波器需要两个输入通道，现在已经有了一个通道A A，我们再，我们再为其增加一个通道为其增加一个通道B B，方法是右击，方法是右击Traditional NI-DAQ Devices Traditional NI-DAQ Devices Virtual ChannelsVirtual Channels，选择，选择Add ChannelAdd Channel，如图，如图9-419-41所示。所示。下面的通道下面的通道B B添加与设置过程与通

33、道添加与设置过程与通道A A的过程相同，完成后结果如图的过程相同，完成后结果如图9-429-42所示。所示。图9-41 增加一个通道 图9-42 完成添加通道A、B如果要改变已有的设置，可以用鼠标选中要改变设置的通道，在弹出的右如果要改变已有的设置，可以用鼠标选中要改变设置的通道，在弹出的右键菜单上选择键菜单上选择PropertiesProperties属性，就可以打开其属性窗口，在其中修改设置。属性，就可以打开其属性窗口，在其中修改设置。3 3LabVIEWLabVIEW中的数据采集中的数据采集VIVI在在LabVIEWLabVIEW中，数据采集中，数据采集VIVI主要位于函数选板中的主要位

34、于函数选板中的“测量测量I/O DAQmx-I/O DAQmx-Data Acquisition”Data Acquisition”子选板，如图子选板，如图9-439-43所示。所示。图9-43 DAQmx-Data Acquisition子选板在函数选板的在函数选板的ExpressExpress子选板中也包含有输入、输出等与数据采集有关子选板中也包含有输入、输出等与数据采集有关的快速的快速VIVI。在。在NI-DAQmxNI-DAQmx中，任务是包括一条或多条通道以及定时、触中，任务是包括一条或多条通道以及定时、触发等属性的集合。从概念上来说，任务就是要进行的测量或生成。例发等属性的集合。从

35、概念上来说，任务就是要进行的测量或生成。例如，测量如，测量DAQDAQ设备一条或多条通道的温度就是一个任务。设备一条或多条通道的温度就是一个任务。利用利用DAQmx-Data AcquisitionDAQmx-Data Acquisition子选板中的子选板中的“DAQ Assistant Express VI”DAQ Assistant Express VI”创建一个任务时，出现如图创建一个任务时，出现如图9.449.44所示的所示的Create New Express Task Create New Express Task 对话对话框。框。图9-44 Create New Express Task 对话框选择选择“Acquire Signals Analog Input”Acquire