機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章虛擬儀器與Labview課件

虛擬儀器與Labview主要內(nèi)容虛擬儀器的基本概念虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)虛擬儀器的特點(diǎn)虛擬儀器硬件虛擬儀器軟件基于Labview的數(shù)據(jù)采集虛擬儀器的應(yīng)用虛擬儀器的基本概念對(duì)于整天與PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）打交道的人來說，在緊張、繁忙的工作一段時(shí)間后，通常會(huì)選擇聽一段輕松的音樂或觀看一部DVD大片，其目的就是來緩解一下因緊張工作帶來的壓力和煩躁。因?yàn)樯虡I(yè)化PC完全具備了這樣的能力，我們?yōu)楹尾唤璐讼硎芤环?！我相信，絕大多數(shù)經(jīng)常與PC打過交道的人，都曾會(huì)有過這樣類似的經(jīng)歷。仔細(xì)地想一想：能夠獲得這樣悠閑地享受，我們所做的只不過是在PC的DVDROM中放入了一張CD或DVD光盤，PC就會(huì)為我們提供視覺和聽覺上的享受。虛擬儀器的基本概念LineInMicInWaveOut虛擬儀器的基本概念所謂“虛擬儀器”，就是在通用計(jì)算機(jī)上，利用通用接口總線連接硬件數(shù)據(jù)采集或控制模塊，通過軟件編程控制硬件模塊進(jìn)行控制或測(cè)量，并利用軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量和分析功能。

其實(shí)，“虛擬儀器”這個(gè)概念從字面上來簡(jiǎn)單理解就是：借助于計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊通過軟件設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)儀器的測(cè)量功能，但確不是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的、有模有樣的真實(shí)的測(cè)量?jī)x器。這話看著似乎別扭，沒錯(cuò)，但是這樣的表述可能更清晰。

當(dāng)虛擬儀器出現(xiàn)后，為了區(qū)別于虛擬儀器，人們將過去所使用的儀器（示波器、萬(wàn)用表、信號(hào)源等）稱為：傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器的基本概念虛擬儀器的基本概念虛擬儀器概念最早是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（NationalInstrument）在1986年提出的，但其雛形可以追溯到1981年由美國(guó)西北儀器系統(tǒng)公司推出的AppleII為基礎(chǔ)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器。這種儀器和個(gè)人計(jì)算機(jī)的概念相適應(yīng)，當(dāng)時(shí)被稱為個(gè)人儀器。（PersonalInstrument）。1986年，NI公司推出了圖形化的虛擬儀器編程環(huán)境LabVIEW，標(biāo)志著虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)基本成型，虛擬儀器從概念構(gòu)思變?yōu)楣こ處熆蓪?shí)現(xiàn)的具體對(duì)象。虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)GPIBSerialDAQProcessorUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&DriverSoftwareLabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分虛擬儀器的特點(diǎn)項(xiàng)目傳統(tǒng)儀器虛擬儀器中心環(huán)節(jié)關(guān)鍵是硬件關(guān)鍵是軟件開發(fā)維護(hù)費(fèi)用開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低技術(shù)更新周期技術(shù)更新周期長(zhǎng)（慢5-10年）技術(shù)更新周期短（快1-2年）性能/價(jià)格比價(jià)格昂貴價(jià)格低，并且可重用性與可配置性強(qiáng)儀器定義廠商定義儀器功能用戶定義儀器功能功能設(shè)定儀器的功能、規(guī)模均已固定系統(tǒng)功能和規(guī)?？赏ㄟ^軟件修改和增減開放性封閉的系統(tǒng)，與其它設(shè)備連接受限基于計(jì)算機(jī)的開放系統(tǒng)，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它設(shè)備連接應(yīng)用情況多為實(shí)驗(yàn)室擁有個(gè)人可以擁有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器的特點(diǎn)性能高虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。虛擬儀器的特點(diǎn)靈活性強(qiáng)在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。虛擬儀器的特點(diǎn)無縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。虛擬儀器硬件虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件。計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。按照測(cè)控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

虛擬儀器硬件基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡Seed-2000PCI總線數(shù)據(jù)采集卡虛擬儀器硬件NI的DAQ及VXI產(chǎn)品虛擬儀器硬件PXI產(chǎn)品虛擬儀器軟件測(cè)試軟件是虛擬儀器的核心。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實(shí)用成果時(shí)，就用軟件就是儀器來表達(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡(jiǎn)潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測(cè)試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測(cè)試程序，來實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個(gè)儀器從系統(tǒng)中消失，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器軟件虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分：儀器面板控制軟件數(shù)據(jù)分析處理軟件儀器驅(qū)動(dòng)軟件通用I/O接口軟件虛擬儀器軟件軟件平臺(tái)LabVIEW美國(guó)的NI（NationalInstrument）公司開發(fā)。LabScene吉林大學(xué)智能儀器與測(cè)控技術(shù)研究所研制開發(fā)。其他：LabWindows，VEE等虛擬儀器軟件儀器驅(qū)動(dòng)儀器的驅(qū)動(dòng)軟件是專門控制某種儀器的軟件。LabVIEW因?yàn)榫哂忻姘蹇刂频母拍?，特別適合于創(chuàng)建儀器的驅(qū)動(dòng)程序。軟件的前面板部分可以模擬儀器的前面板操作。軟件的框圖部分可以傳送前面板指定的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)建立了一個(gè)儀器的驅(qū)動(dòng)程序后，就不必再記住儀器的控制命令，而只要從前面板輸入簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)即可。僅僅擁有控制單臺(tái)儀器的軟件，意義并不大。其真正意義在于可以把儀器驅(qū)動(dòng)程序作為子程序調(diào)用，與其他子程序一道組成一個(gè)大控制程序，從而控制整個(gè)系統(tǒng)。虛擬儀器軟件虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案第三步虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案第一步虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成

第二步虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器平臺(tái)（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）的簡(jiǎn)稱,是NI公司的創(chuàng)新產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）構(gòu)成的新概念。一個(gè)VI可以由更底層的多個(gè)VI組成。底層VI代表了最基本的計(jì)算、I/O操作與界面設(shè)計(jì)功能，各層VI有相同的結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)VI都有用戶接口組件。虛擬儀器模型、圖形界面和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流程圖編程是LabVIEW的三大核心技術(shù)。LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境基于Labview的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集（DataAcQuisition，DAQ）是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬或數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。一個(gè)完整的DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件等?；贚abview的數(shù)據(jù)采集典型的基于PC的數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器和變換器傳感器感應(yīng)物理信息并生成可測(cè)量的電信號(hào)。例如熱電偶、電阻式測(cè)溫計(jì)（RTD）、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可測(cè)量的模擬信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成信號(hào)調(diào)理從傳感器得到的信號(hào)可能會(huì)很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等等，這種信號(hào)在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過信號(hào)調(diào)理。信號(hào)調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵(lì)、冷端補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集設(shè)備信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)即可與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，與計(jì)算機(jī)的連接可以采用多種方式。NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持的總線類型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Ethernet以及火線等各種總線。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、觸發(fā)采集和定時(shí)I/O。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成PC與軟件軟件使PC與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。軟件分為驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序。驅(qū)動(dòng)程序可以直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處理器中斷、DMA和內(nèi)存這樣的計(jì)算機(jī)資源結(jié)合在一起。驅(qū)動(dòng)程序隱藏了復(fù)雜的硬件底層編程細(xì)節(jié)，為用戶提供容易理解的接口。一般來說，硬件廠商在賣出硬件的同時(shí)也會(huì)提供驅(qū)動(dòng)程序。上層應(yīng)用程序用來完成數(shù)據(jù)的分析，存儲(chǔ)和顯示等。LabVIEW就是一個(gè)極佳的開發(fā)上層應(yīng)用程序的開發(fā)平臺(tái)。虛擬儀器的應(yīng)用虛擬儀器無處不在。85%的世界500強(qiáng)制造型企業(yè)已經(jīng)選擇了虛擬儀器技術(shù)，NI提供的1000多款軟硬件產(chǎn)品應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、生物醫(yī)藥、科研、教育等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。虛擬儀器的應(yīng)用消費(fèi)電子微軟公司使用LabVIEW和PXI模塊化儀器開發(fā)了Xbox和Xbox360手柄的多功能驗(yàn)證，效率提升了100%虛擬儀器的應(yīng)用結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)為了對(duì)東海大橋進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的健康監(jiān)測(cè)，上海巨一公司使用NI的PXI平臺(tái)和動(dòng)態(tài)采集（DSA）設(shè)備實(shí)現(xiàn)了全橋14個(gè)工作站的上千個(gè)通道的需求，并通過GPS時(shí)間信號(hào)和PXI背板實(shí)現(xiàn)了精確的同步采集標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器的應(yīng)用RF與通信測(cè)試上海聚星儀器公司使用NILabVIEW和基于PXI的矢量信號(hào)分析儀開發(fā)了業(yè)界性價(jià)比最高的GPS多星接收機(jī)測(cè)試?；谲浖膬?yōu)勢(shì)使得系統(tǒng)可以同時(shí)仿真多顆衛(wèi)星的信號(hào)，使接收機(jī)的功能測(cè)試更為有效。虛擬儀器的應(yīng)用聲音與振動(dòng)基于NILabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境配合PXI模塊化硬件平臺(tái)，波音公司實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量高達(dá)600的麥克風(fēng)陣列。該麥克風(fēng)陣列可以同步地將飛機(jī)飛過區(qū)域時(shí)的噪音采集、回溯并對(duì)龐大的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后繪制不同噪聲等級(jí)的示意圖，準(zhǔn)確地確定噪聲來源。虛擬儀器的應(yīng)用汽車BMW研發(fā)人員和德國(guó)MicroNova公司的工程師合作，選用了基于虛擬儀器技術(shù)的NIPXI平臺(tái)。針對(duì)不同的信號(hào)類型和接口功能，使用圖形化LabVIEW軟件對(duì)板載FPGA的NI板卡作開發(fā)，并應(yīng)用于BMW氫能7系發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的硬件測(cè)試。因?yàn)镻XI平臺(tái)的可擴(kuò)展性和通用性，該平臺(tái)已成功用于BMW其它不同系列發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的硬件在環(huán)測(cè)試。虛擬儀器的應(yīng)用軍事Mantech公司選用PXI作為用于美國(guó)空軍F-15E和F-16C/D高級(jí)戰(zhàn)斗機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)LANTRIN的