虚拟仪器的软件开发平台

第3章虚拟仪器软件开发平台虚拟仪器的软件开发平台第1页1.什么是虚拟仪器?虚拟仪器是指，在以通用计算机为关键硬件平台上，由用户自己设计定义，含有虚拟操作面板，测试功效由测试软件来实现一个计算机仪器系统。VirtualInstrument，VI3.1虚拟仪器概念虚拟仪器的软件开发平台第2页2.虚拟仪器特点

仪器=A/D+CPU+软件TheSoftwareIsInstruments传统仪器虚拟仪器实物面板图标面板关键是硬件关键是软件开发与维护费用高开发与维护费用低技术更新周期长技术更新周期短价格高价格低，而且可重用性与可配置性强厂约定义仪器功效用户定义仪器功效系统封闭、固定系统开放、灵活，与计算机进步同不易与其它设备连接轻易与其它设备连接虚拟仪器的软件开发平台第3页3.虚拟仪器体系虚拟仪器的软件开发平台第4页4.虚拟仪器分类按接口总线类型不一样划分数据采集卡式DAQRS232/RS485虚拟仪器并行接口虚拟仪器USB虚拟仪器GPIB虚拟仪器VXI虚拟仪器PXI虚拟仪器IEEE1394接口虚拟仪器虚拟仪器的软件开发平台第5页5虚拟仪器软件开发平台软件平台基于文本式编程语言开发工具

VC++，VB，C++Build，LabWindows/CVI，Delphi等。基于图形化编程语言开发工具

LabVIEW（NI企业）HPVEE（HP企业）虚拟仪器的软件开发平台第6页软面板举例：动态信号分析仪软面板虚拟仪器的软件开发平台第7页6.虚拟仪器应用航空航天教学核工业军工通信测试铁道…….虚拟仪器的软件开发平台第8页3.2虚拟仪器开发工具-LabVIEWLabVIEW

(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，试验室虚拟仪器工程平台)是美国NI企业推出一个基于G语言(GraphicsLanguage，图形化编程语言)虚拟仪器软件开发工具；目标：简化程序开发工作，使用户能快速、简便地完成自己工作。虚拟仪器的软件开发平台第9页3.2.1LabVIEW特点（1）编程简单，不需要记忆编程语言；（2）开发周期短；（3）高效性，这主要是以软件做确保；（4）开放性，可依据实际情况进行更新扩展，发展快速；（5）自定义性，工程师们能够在非常广泛测量和控制应用中自定义芯片级硬件功效；（6）性价比高，能一机多用。虚拟仪器的软件开发平台第10页3.2.2LabVIEW8.2开发平台使用LabVIEW开发平台编制程序称为虚拟仪器，简称VI。VI由以下3部分组成：前面板：即用户界面；程序框图：包含用于定义VI功效图形化源代码；

图标和连线板：用以识别VI接口，方便在创建VI时调用另一个VI。当一个VI应用在其它VI中，则称为子VI。子VI相当于文本编程语言中子程序。虚拟仪器的软件开发平台第11页1.前面板

前面板是VI用户界面。创建VI时，通常应先设计前面板，然后设计程序框图执行在前面板上创建输入、输出任务。虚拟仪器的软件开发平台第12页2.程序框图程序框图是图形化源代码集合，图形化源代码又称G代码或程序框图代码。程序框图由接线端、节点、连线和结构等组成。虚拟仪器的软件开发平台第13页程序框图对象程序框图由接线端、节点、连线和结构等组成:接线端：是程序框图中传递数据起点和终点。控件接线端用来为前面板上对象与程序框图传递数据。节点：是实现程序功效基本单元，含有输入、输出端，在VI运行时完成一定操作。连线：是程序框图中各个对象之间传递数据通道。结构：是文本编程语言中循环和条件语句图形化表示。虚拟仪器的软件开发平台第14页3.图标和连线板创建VI前面板和程序框图后，可创建图标和连线板，方便将该VI作为子VI调用。图标和连线板图形：图标是VI图形化表示，可包含文字、图形或图文组合。

连线板用于显示VI中全部输入控件和显示控件接线端，类似于文本编程语言中调用函数时使用参数列表。虚拟仪器的软件开发平台第15页3.2.3LabVIEW8.2操作选板LabVIEW8.2包含3个操作选板:

工具选板控件选板函数选板

虚拟仪器的软件开发平台第16页1.工具选板虚拟仪器的软件开发平台第17页2.控件选板控件选板包含创建前面板所需输入控件和显示控件。虚拟仪器的软件开发平台第18页

经典控件子选板虚拟仪器的软件开发平台第19页3.函数选板函数选板中包含创建程序框图所需VI和函数。虚拟仪器的软件开发平台第20页

编程子选板图标、名称及功效

虚拟仪器的软件开发平台第21页3.2.4LabVIEW8.2菜单和工具栏

LabVIEW8.2菜单LabVIEW8.2工具栏虚拟仪器的软件开发平台第22页3.2.5LabVIEW8.2中数据类型支持数据类型有：数值型布尔型数组型字符串型波形数据类型簇

路径

虚拟仪器的软件开发平台第23页3.2.6创建虚拟仪器1.创建一个虚拟仪器普通步骤

（1）前面板设计

（2）程序框图

（3）数据流编程

（4）功效检验

（5）保留文件

虚拟仪器的软件开发平台第24页创建一个虚拟仪器两数相加与两数相减VI虚拟仪器的软件开发平台第25页2.调试虚拟仪器

虚拟仪器普通调试步骤

（1）运行VI（2）去除语法错误

（3）高亮显示执行过程

（4）单步执行

（5）探针工具

（6）断点

虚拟仪器的软件开发平台第26页3.

创建和调用子VI结构一个子VI主要工作就是需先为子VI创建连线板和图标

虚拟仪器的软件开发平台第27页调用子VI示例

前面板框图程序虚拟仪器的软件开发平台第28页4.虚拟仪器创建举例测温范围：0~100oC测温传感器：AD590，灵敏度：1μA/K

例1虚拟温度计虚拟仪器的软件开发平台第29页虚拟温度计VI前面板框图程序虚拟仪器的软件开发平台第30页例2求N!

main(){inta,i,n；a=1;i=0;scanf(“%d”,&n)；do{i=i+1；a=a*i；}while(i<n);printf(“n!=%d”,a)；}前面板和程序框图

虚拟仪器的软件开发平台第31页例3波形显示

设计一个VI，显示一个正弦波电压测量结果。电压采样从0开始，每隔2ms采样一个点，共采样50个点，要求程序显示能够反应出实际采样时间及电压值。

电压测量VI前面板和程序框图

虚拟仪器的软件开发平台第32页3.3虚拟仪器数据采集DAQ虚拟仪器又称PC-DAQ仪器系统，其组成以下列图所表示。它由一台PC机和基于标准总线采集卡（仪器卡）组成，同时还配置有仪器驱动软件来支持硬件工作。虚拟仪器的软件开发平台第33页1.数据采集设备设置与测试测试与自动化资源管理器MAX是Measurement&AutomationExplorer缩写，是访问计算机当中NI各种软硬件资源一个接口。虚拟仪器的软件开发平台第34页设备设置与测试在Measurement&AutomationExplorer下拉菜单中，可利用Self-Test，TestPanels对采集卡进行自检，面板测试等操作。虚拟仪器的软件开发平台第35页2.利用NIUSB-6009数据采集卡实现数据采集主要技术指标：8个模拟通道（14位、48位kS/s采样速度）；2路14位模拟输出通道；12个I/O通道；1个32位计数器/定时器。

产品经过USB接口供电，不需要任何外接电源。它们均包含用于直接信号连接可拆卸螺孔端子、用于支持外部设备以及传感器1个参考电压、低噪音高精度4层电路板，以及高达±35v模拟输入过电压保护。

虚拟仪器的软件开发平台第36页

模拟输入：AI0~AI7模拟输出：AO0,AO1数字I/O：P0.0~P0.7,P1.0~P1.3定时/计数器：PFI0NIUSB-6009接线端子分配虚拟仪器的软件开发平台第37页（1）利用DAQ助手创建数据采集程序程序框图运行结果虚拟仪器的软件开发平台第38页利用NI-DAQmx采集函数实现数据采集单通道数据采集VI虚拟仪器的软件开发平台第39页多通道数据采集VI虚拟仪器的软件开发平台第40页（2）利用NI-DAQmx函数构建模拟输出模拟输出程序框图前面板虚拟仪器的软件开发平台第41页（3）利用NI-DAQmx函数构建数字I/O输出控制P0口8根I/O线输出状态虚拟仪器的软件开发平台第42页（4）工程实战霍尔元件传感器调理电路6009数据采集模块Labview处理控制和显示基于LabVIEW计数信号采集与控制平台构建虚拟仪器的软件开发平台第43页1）霍尔元件传感器经典线性型霍尔器件H03虚拟仪器的软件开发平台第44页2）调理电路原理图霍尔元件H03管脚3输出交流电压脉冲信号，经过C0601耦合到OP07输入端，经OP07放大后，送至LM393电压比较器，将模拟信号转换为输出信号，送至DAQ6009计数通道。虚拟仪器的软件开发平台第45页3)计数器数据采集与控制程序前面板程序框图虚拟仪器的软件开发平台第46页3.4虚拟仪器信号分析与处理为深入了解信号物理实质，将其进行分类研究是非常必要，从不一样角度观察信号，可分为：时域和频域。时间幅值频率时域分析频域分析时域分析与频域分析关系虚拟仪器的软件开发平台第47页1.信号时域分析时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号作用下，其输出信号随时间改变情况；信号时域描述:以时间为独立变量，描述信号随时间改变特征，反应信号幅值随时间改变关系；优点:形象、直观缺点:不能显著揭示信号内在结构虚拟仪器的软件开发平台第48页信号时域分析举例一相关分析所谓“相关”是指变量之间线性关系；相关性是指信号相同和关联程度，相关分析不但可用于确定性信号，也可用于随机信号检测、识别和提取等；相关分析惯用相关函数（自相关函数和相互关函数）或相关系数来描述；相关函数和功率谱(密度)是一对傅立叶变换。虚拟仪器的软件开发平台第49页相关函数相关函数序列

自相关函数：反应了信号在时移中相关性。相互关函数：反应了两个信号在时移中相关性。虚拟仪器的软件开发平台第50页相关分析工程应用实例

自相关分析：机械加工表面粗糙度虚拟仪器的软件开发平台第51页相互关分析：地下输油管道漏损位置探测将两拾音器测得音响信号x1(t)和x2(t)进行相互关分析，找出相互关值最大处延时τ，即可由τ确定油管破损位置。虚拟仪器的软件开发平台第52页LabVIEW中相关分析函数AutoCorrelation.viCrossCorrelation.vi虚拟仪器的软件开发平台第53页相互关运算举例前面板程序框图

虚拟仪器的软件开发平台第54页2.信号频域分析频域分析是采取傅立叶变换将时域信号X(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号特征；信号频域描述：应用傅里叶变换，对信号进行变换(分解)，以频率为独立变量，建立信号幅值、相位与频率关系;特点：频域描述抽取信号内在频率组成，信息丰富，应用广泛。虚拟仪器的软件开发平台第55页时域-频域关系建立时域信号x(t)傅里叶变换为:比如，50Hz正弦波信号x(t)=10sin(2*π*50*t)

其频谱函数为转换过程如图所表示:虚拟仪器的软件开发平台第56页频域分析应用描述信号频谱代表了信号在不一样频率分量处信号成份大小，它能够提供比时域信号波形更直观、更丰富信息。

虚拟仪器的软件开发平台第57页(1)快速傅立叶变换FFT实现傅里叶变换是信号处理与数据处理中一个主要分析工具，其意义在于将时域与频域信号联络起来，经过频域分析将复杂信号分解为各个单一频率成份。FFT.vi虚拟仪器的软件开发平台第58页例:双边傅里叶变换前面板程序框图频率间隔与采样频率和采样点数关系虚拟仪器的软件开发平台第59页（2）频谱分析频谱分析是指把时间域各种动态信号经过傅里叶变换转换到频率域进行分析。内容包含:①频谱分析：包含幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱；②功率谱分析：包含自谱和互谱；③频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱之比；④相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱相关程度。虚拟仪器的软件开发平台第60页举例：功率谱LabVIEW8.2中，用于计算输入序列单边自功率谱函数AutoPowerSpectrum.vi图标及端口如图所表示。等效数学运算式公式虚拟仪器的软件开发平台第61页自功率谱分析举例前面板程序框图

虚拟仪器的软件开发平台第62页3.数字滤波器数字滤波器即是以数值计算方法来实现对离散化信号处理，以降低干扰信号在有用信号中所占百分比，从而改变信号质量，到达滤波或加工信号目标。

数字滤波器分为无限冲激响应滤波器IIR有限冲激响应滤波器FIR特点：精度高、稳定性好、灵活性强、处理功效强虚拟仪器的软件开发平台第63页LabVIEW提供滤波器函数虚拟仪器的软件开发平台第64页数字滤波器应用举例使用巴特沃斯滤波器提出正弦信号虚拟仪器的软件开发平台第65页3.5虚拟仪器举例1.虚拟相位差计（1）功效描述①可测量两个同频率正弦波相位差；②可测相位差θ数值范