第1章認(rèn)識虛擬儀器

1、第1章 認(rèn)識虛擬儀器第1章 認(rèn)識虛擬儀器虛擬儀器（Virtual Instruments，簡稱VI）是一種對現(xiàn)實中的各類儀器用計算機(jī)進(jìn)行模擬的軟件。它能完成現(xiàn)實中的儀器所能完成的大部功能。本章先對虛擬儀器作入門性介紹，也是對以后所學(xué)知識的總體介紹，然后引出LabVIEW。通過本章的學(xué)習(xí)，力求使讀者對LabVIEW有一個初步的認(rèn)識。1.1 什么是虛擬儀器所謂虛擬儀器是指現(xiàn)實中并不存在的儀器。它主要是通過計算機(jī)來進(jìn)行一些儀器的功能模擬，完成儀器的功能。本節(jié)將對虛擬儀器進(jìn)行介紹和說明。1.1.1 虛擬儀器簡介圖1.1 虛擬儀器功能虛擬儀器是個全新的概念，是計算機(jī)和儀器技術(shù)的結(jié)晶。同樣，它也是測試技術(shù)

2、和計算機(jī)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。從計算機(jī)和儀器兩者的結(jié)合粗略地講，虛擬儀器可以分為智能儀器和虛擬儀器。它們的區(qū)別是，前者把計算機(jī)裝入儀器，后者把儀器裝入計算機(jī)。虛擬儀器把計算機(jī)的處理器、存儲器、顯示器和儀器的數(shù)模變換器、模數(shù)變換器、數(shù)字輸入輸出等結(jié)合到一起，用于數(shù)據(jù)的分析處理、傳輸、顯示等，如圖1.1所示。它充分利用了計算機(jī)的優(yōu)勢，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行大量計算和存儲。虛擬儀器是在傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，完全繼承了傳統(tǒng)儀器的所有優(yōu)點，并超越了傳統(tǒng)儀器。其把傳統(tǒng)儀器的顯示和硬件數(shù)據(jù)處理引入到計算機(jī)中來顯示并進(jìn)行軟件處理。這也是近年來計算機(jī)迅速發(fā)展的結(jié)果。虛擬儀器配置了多種相應(yīng)的I/O接口設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用

3、不同功能的測試軟件對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析處理及顯示，構(gòu)成一整套的虛擬測試系統(tǒng)。虛擬儀器具有強(qiáng)大的信號分析、數(shù)據(jù)處理功能，也具有友好的人機(jī)界面。其各個功能和面板可以由編程用戶根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展和自定義。因而用戶不用花昂貴的價錢購買多臺不同功能的儀器，只需要在最基本的虛擬單位上自行開發(fā)。在不同時期的不同場合下，用戶可以修改程序來實現(xiàn)對不同環(huán)境的測量，達(dá)到資源節(jié)省。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和完善，還可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程調(diào)試和控制。虛擬儀器的產(chǎn)生，徹底改變了多年來傳統(tǒng)儀器的觀念，開辟了測試及控制領(lǐng)域的新紀(jì)元。虛擬儀器實現(xiàn)了儀器的智能化、多樣化和模塊化等功能，體現(xiàn)出多功能、低成本等操作優(yōu)點。與傳統(tǒng)儀器相比，虛

4、擬儀器具有更大的應(yīng)用范圍，因此它成為儀器行業(yè)發(fā)展的一個重要方向，并受到許多國家儀器行業(yè)的重視。虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件3大要素構(gòu)成的。計算機(jī)與儀器硬件又稱為VI的通用儀器硬件平臺。1.1.2 虛擬儀器的特征虛擬儀器從出現(xiàn)到現(xiàn)在的廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了幾十年，可以說它的發(fā)展速度是相當(dāng)快的，尤其是近年來各行各業(yè)中大量應(yīng)用此技術(shù)。它的迅速發(fā)展，主要依托以下幾個方面。1性能高虛擬儀器是建立在計算機(jī)平臺基礎(chǔ)之上的。隨著計算機(jī)運(yùn)行速度的快速發(fā)展、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟粩嗉訌?qiáng)及與PC總線的結(jié)合，數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能適時地進(jìn)行復(fù)雜的分析計算并保存。同時越來越快的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)出其更強(qiáng)大

5、的優(yōu)勢，使數(shù)據(jù)分享進(jìn)入了一個全新的階段。將因特網(wǎng)和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，就能夠輕松地發(fā)布測量結(jié)果。2擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活性好虛擬儀器的提出是針對于傳統(tǒng)儀器而言的，它們之間的最大區(qū)別是虛擬儀器完成的測量或控制任務(wù)中所需的軟件和硬件設(shè)備是由用戶定義的。虛擬儀器具有開放的模塊化設(shè)計，用戶可按自己的要求對其開發(fā)使用。其軟件適應(yīng)性強(qiáng)，只需要修改程序和部分硬件就能開發(fā)出不同的測試系統(tǒng)。3智能化程度高虛擬儀器相關(guān)的軟件應(yīng)用簡單，功能強(qiáng)大，集成了大量常用的工具。它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、計算、和圖形顯示等功能。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，如數(shù)據(jù)采集視覺運(yùn)動和分布式I/O等，幫助用戶輕松地將多個測量

6、設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。4界面友好虛擬儀器采用圖形化界面，在屏幕上可以直接構(gòu)建出儀器面板。這些操作過程簡單、快捷，儀器的功能選擇、參數(shù)設(shè)置和顯示等都可以通過很好的人機(jī)對話來實現(xiàn)。5開發(fā)時間少高效的軟件構(gòu)架與計算機(jī)、儀器儀表和通信方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起，使開發(fā)過程相當(dāng)快。它提供了充分發(fā)揮個人才能和想象空間的平臺，可編寫適合自己的儀器儀表。虛擬儀器軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的靈活操作，同時提供了強(qiáng)大的功能，讓用戶能輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布和維護(hù)一個系統(tǒng)。6兼容性虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器會并存一段時間，有一些場合必然要將兩者結(jié)合使用，它們之間的兼容性問題已成為關(guān)注的焦點?，F(xiàn)在的虛擬儀器

7、可與傳統(tǒng)儀器兼容，也就是說虛擬儀器可以和傳統(tǒng)儀器搭配工作。虛擬儀器提供了與常用傳統(tǒng)儀器連接的總線，例如USB、GPIB、串行總線和以太網(wǎng)等，同時也提供了大量相互連接的函數(shù)庫，方便它們之間的連接。1.1.3 虛擬儀器的發(fā)展過程虛擬儀器產(chǎn)生的關(guān)鍵是測試技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)水平的提高。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使許多行業(yè)發(fā)生了巨大變化，各行業(yè)之間的聯(lián)系更加密切。世界上最早開發(fā)和應(yīng)用虛擬儀器的公司是National Instruments（簡稱NI）公司。20世紀(jì)70年代，杰姆特魯查德和杰夫柯德斯凱兩人為美國海軍研制的一種聲納測試儀。它是基于計算機(jī)的測試儀，能為用戶提供多種數(shù)據(jù)、多層次的交互式接口，在計

8、算機(jī)的控制下完成指定的測試工作。它還可以對系統(tǒng)中的可編程控制器進(jìn)行編程，配置不同的測試系統(tǒng)。由于是第一次開發(fā)虛擬儀器，成本相當(dāng)高且開發(fā)的周期相當(dāng)長，用戶在操作過程中要學(xué)習(xí)很多的指令，難以在短時間內(nèi)掌握。后來杰姆特魯查德和杰夫柯德斯凱兩人在多次研發(fā)后，總結(jié)經(jīng)驗，將一些功能進(jìn)行了模塊化處理，大大簡化了程序結(jié)構(gòu)和操作的復(fù)雜性。這是一次里程碑式的改進(jìn)，為以后虛擬儀器的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。1986年5月NI公司推出了LabVIEW Beta版本，同年10月推出了LabVIEW 1.0正式版。在Windows 3.0操作系統(tǒng)出現(xiàn)之前，LabVIEW全是運(yùn)行在Macintosh平臺上。當(dāng)Windows 3

9、.0操作系統(tǒng)出現(xiàn)后，其良好的操作性能得到了廣大用戶的肯定，并為虛擬儀器的快速發(fā)展提供了基礎(chǔ)。隨后通過NI公司的研發(fā)，使虛擬儀器的功能越來越強(qiáng)大，系統(tǒng)的性能越來越好，如現(xiàn)在的LabVIEW 8.5。由于虛擬儀器具有先進(jìn)的性能和廣泛的應(yīng)用前景，在NI公司之后還有一些國際知名廠商也加入到虛擬儀器的研發(fā)中。例如，HP公司、PC儀器公司、Racal公司等先后研發(fā)了一些儀器，但NI公司仍然處于領(lǐng)先地位。時至今日，虛擬儀器行業(yè)發(fā)展已相當(dāng)成熟。相信它在未來有更廣闊的應(yīng)用前景。1.2 虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境虛擬儀器可以在相同的硬件平臺下，通過不同的軟件進(jìn)行開發(fā)。常見的虛擬儀器開發(fā)軟件是NI公司提供的LabVIEW

10、和LabWindows/CVI兩種。這兩種編程有本質(zhì)的區(qū)別，下面分別對比講解兩種軟件的不同之處。1.2.1 LabWindows/CVI的使用LabWindows/CVI是NI公司推出的一種基于標(biāo)準(zhǔn)C語言的虛擬儀器開發(fā)平臺，其非常適合開發(fā)面向測控領(lǐng)域的基于Windows的圖形化應(yīng)用軟件。它以ANSIC和擴(kuò)展集為基本編程語言，含有豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，如RS232、GPIB、VISA、數(shù)據(jù)分析與處理和TCP協(xié)議函數(shù)庫等，可以滿足測量、控制、數(shù)據(jù)傳輸及處理等各種需要。LabWindows/CVI是熟悉C語言開發(fā)人員進(jìn)行檢測與控制系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等軟件設(shè)計的理想選擇。當(dāng)安裝此軟件時，系統(tǒng)

11、會自動安裝一些常用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)和一些儀器的驅(qū)動函數(shù)、工具庫等來擴(kuò)展LabWindows/CVI的功能。它還具有項目文件的管理和源代碼的編輯、調(diào)試等功能，當(dāng)開發(fā)成功后可以方便地生成安裝文件，用于軟件的發(fā)布、共享等。1.2.2 LabVIEW的使用LabVIEW是NI公司推出的一種圖形化編程語言，其全稱是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench。LabVIEW的源程序完全是圖形化框圖，沒有文本代碼。在LabVIEW平臺上編寫的程序擴(kuò)展名是VI。傳統(tǒng)指令編程語言根據(jù)語句的含義和邏輯的先后順序編譯程序，但是LabVIEW 軟件則采用數(shù)據(jù)流的方

12、式編程。后面板程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的邏輯與執(zhí)行順序。指令及表示的含義由圖標(biāo)表示，數(shù)據(jù)流向由連線表示。下面將著重講解LabVIEW虛擬儀器開發(fā)語言和平臺。1.3 LabVIEW簡介LabVIEW自問世以來，經(jīng)歷了一個快速發(fā)展的過程，如今已被大家所認(rèn)可。它是當(dāng)前測控領(lǐng)域的技術(shù)熱點，也代表著未來虛擬儀器的發(fā)展方向。LabVIEW是圖形化的編程語言，類似于傳統(tǒng)的文本編程語言中的函數(shù)或子程序，用它開發(fā)的軟件稱為虛擬儀器，在操作界面上與現(xiàn)實中的儀器完全一樣，功能比現(xiàn)實中的傳統(tǒng)儀器還要強(qiáng)大。LabVIEW還包含了大量的控件、工具和函數(shù)，用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲等操作。同時，其提供了廣

13、泛的接口，可以與DLL、Visual Basic、MATLAB等多種軟件互相調(diào)用。其附帶有擴(kuò)展庫函數(shù)，在自身配備的工具不能完成一些任務(wù)時，就可以調(diào)用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集和處理工具包擴(kuò)展庫，進(jìn)行強(qiáng)大的專業(yè)數(shù)學(xué)分析等。其也具有強(qiáng)大的儀器驅(qū)動庫，可以和多種儀器連接。LabVIEW軟件可以編寫出界面美觀、功能強(qiáng)大的程序，它具有形象、生動的編程語言，使初學(xué)者很容易入門，有一定基礎(chǔ)的人能夠很快地掌握各類編程技巧。在編程過程中，需要某個控件時直接拖動到目的地就可以找到相應(yīng)的接線端口，進(jìn)行連接設(shè)置后即可傳輸數(shù)據(jù)，省去了許多源代碼的編寫麻煩和參數(shù)傳遞的設(shè)置。1.3.1 LabVIEW系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用LabVIEW系統(tǒng)

14、的構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜，但大體上由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及保存模塊構(gòu)成，如圖1.2所示。按軟硬件分類，LabVIEW由兩部分組成。圖1.2 LabVIEW系統(tǒng)的組成1硬件獲取測試對象的被測信號虛擬儀器主要是由計算機(jī)組成，但是計算機(jī)不能自己獲得信號，因而必須有相應(yīng)的硬件來配合才可以完成所有功能。主要的配件有各種傳感器、信號調(diào)理器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等。虛擬儀器同時也會根據(jù)需要在系統(tǒng)中配置一些示波器、傳統(tǒng)儀器等來輔助完成強(qiáng)大的功能。有時它可用于控制系統(tǒng)中，這需要調(diào)用一定的模塊進(jìn)行控制，有可能配置一些繼電器、開關(guān)和智能控制卡等來完成精確的控制。2測試軟件控制LabVIEW實現(xiàn)了把數(shù)據(jù)采集、分析、處理和顯示

15、等功能通過編程集中操作。它提供了儀器操作與運(yùn)行的命令環(huán)境，為各類系統(tǒng)的開發(fā)提供了系統(tǒng)平臺和支撐。近年來，隨著科技的發(fā)展，LabVIEW被廣泛地用到了各領(lǐng)域。如在通信行業(yè)中對移動電話的在線檢測系統(tǒng)和通信信道中生成虛擬動力線路的測試；航空航天中對衛(wèi)星功能測試系統(tǒng)和航天飛機(jī)附件的ATE測試；工業(yè)自動化中對機(jī)器運(yùn)行的監(jiān)控、多任務(wù)控制及溫度的測試系統(tǒng)；汽車行業(yè)中對汽車運(yùn)行的各參數(shù)測試及模擬；生物醫(yī)學(xué)中對心電、腦電的數(shù)據(jù)采集和醫(yī)藥產(chǎn)品的標(biāo)簽檢測；環(huán)境中的大氣腐蝕和污染物檢測分析系統(tǒng)等。1.3.2 LabVIEW軟件的安裝LabVIEW軟件包有許多張光盤，但安裝光盤只有一張。把LabVIEW軟件安裝好后，可

16、以再根據(jù)需要安裝相關(guān)的驅(qū)動。驅(qū)動的安裝比較簡單，按照界面提示和自己的安裝要求進(jìn)行安裝即可。下面詳細(xì)講解LabVIEW軟件的安裝過程。（1）將LabVIEW安裝光盤放入光驅(qū)，計算機(jī)自動讀取光盤信息，出現(xiàn)如圖1.3所示的界面。（2）單擊第一項“安裝NI LabVIEW 8.5簡體中文”鏈接，彈出“NI LabVIEW 8.5簡體中文”安裝對話框，如圖1.4所示。 圖1.3 安裝光盤啟動界面 圖1.4 LabVIEW 8.5安裝界面（3）等待安裝程序初始化完后，單擊“下一步”按鈕，進(jìn)入“用戶信息”對話框，如圖1.5所示。（4）輸入相關(guān)個人信息和安裝序列號后，單擊“下一步”按鈕，進(jìn)入“目標(biāo)目錄”對話框

17、，如圖1.6所示。 圖1.5 “用戶信息”對話框 圖1.6 “目標(biāo)目錄”對話框（5）選擇安裝路徑，也可以使用默認(rèn)的路徑。單擊“下一步”按鈕，進(jìn)入“組件”對話框，如圖1.7所示。（6）選擇好安裝的組件后，單擊“下一步”按鈕，進(jìn)入“產(chǎn)品信息”對話框，如圖1.8所示。 圖1.7 “組件”對話框 圖1.8 “產(chǎn)品信息”對話框（7）查看安裝的信息正確后，直接單擊“下一步”按鈕，進(jìn)入“許可協(xié)議”對話框，如圖1.9所示。（8）選擇“我接受該許可協(xié)議”單選按鈕，則“下一步”按鈕顯示為可執(zhí)行狀態(tài)。此時單擊“下一步”按鈕，進(jìn)入“開始安裝”對話框，如圖1.10所示。（9）看完提醒事項后，單擊“下一步”按鈕，進(jìn)入安裝

18、進(jìn)度對話框，開始安裝組件包，如圖1.11所示。（10）安裝結(jié)束后，自動彈出驅(qū)動程序的安裝對話框，如圖1.12所示。（11）若要安裝驅(qū)動，單擊“現(xiàn)在”按鈕；否則，單擊“以后”按鈕彈出“安裝完成”對話框，如圖1.13所示。 圖1.9 “許可協(xié)議”對話框 圖1.10 “開始安裝”對話框 圖1.11 安裝進(jìn)度對話框 圖1.12 驅(qū)動提示（12）單擊“完成”按鈕，表明LabVIEW組件安裝結(jié)束，彈出重啟操作的對話框，如 圖1.14所示。 圖1.13 “安裝完成”對話框 圖1.14 重啟操作按要求單擊“重新啟動”按鈕。重新啟動計算機(jī)后，即可運(yùn)行LabVIEW軟件，也可以繼續(xù)安裝一些驅(qū)動。1.3.3 Lab

19、VIEW的學(xué)習(xí)技巧LabVIEW是圖形化的程序語言，在編程時不再使用繁瑣的代碼，而是使用一些圖形表示，并以圖形之間的邏輯關(guān)系對功能模塊進(jìn)行組合。這樣就利用了大家熟悉的編程基本語言、圖標(biāo)和規(guī)則進(jìn)行編程。因而LabVIEW是一個面向最終編程用戶的軟件，它能夠快速地組建成一個系統(tǒng)，并進(jìn)行簡單的操作，從而完成功能強(qiáng)大的操作。圖1.15 快速“創(chuàng)建”控件圖1.16 整理連線LabVIEW作為一門編程G語言，和其他編程語言一樣，關(guān)鍵還是要多動手操作，多思考。下面是對其學(xué)習(xí)方法的一些說明。q 在以后學(xué)習(xí)本書的過程中，要培養(yǎng)自己的學(xué)習(xí)興趣。q 先配合程序說明看一些簡單的實例，運(yùn)行觀察程序，再嘗試修改相關(guān)的控件及方