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1、第7章虚拟仪器系统,概 述,一.虚拟仪器的概念,第一代仪器是模拟式仪器仪表。它们的主要结构是基于电磁机械式机构，其测量结果是依靠指针显示，也称为模拟指针仪表，如模拟万用表、模拟函数发生器、指针式电压表等。第二代是数字化仪器。它们将模拟信号转化为数字信号，以数字形式输出与显示出结果。如数字万用表、数字存储示波器、数字电压表等。第三代是智能仪器。这种仪器内部有微处理器，可以进行自动检测，可以代替人脑具有一定的数据处理能力，故称“智能”仪器，其主要功能模块是硬件与固化的软件，对开发和应用仍不灵活。,概 述,随着计算机硬件技术、软件技术、总线技术的高速发展，出现了全新概念的第四代仪器虚拟仪器(Virt
2、ual Instruments，简称VI)。1986年美国的国家仪器公司(National Instruments Corporation，简称NI)首先提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器完全采用新的检测理念、新的仪器结构、新的检测方法和新的开发手段，使科学仪器的功能和作用也发生了质的变化。虚拟仪器是电子测量技术与仪器领域中的一次技术飞跃。虚拟仪器是当今计算机辅助测试(CAT)领域研究和应用的热点，它为工程师和科学家提高生产率、测量精度及系统性能做出了很大的贡献。,概 述,通常意义上说，虚拟仪器就是利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计算机软件来实现信号数据的运算、分析和处理，利用计
3、算机显示器来模拟传统仪器控制面板来输出检测结果，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件(例如插入式板卡)及驱动软件，它们在一起共同完成传统仪器的功能。计算机在虚拟仪器中处于核心地位，而完成仪器的各种功能和面板控件均由计算机软件完成，任何一个用户均可以在现有硬件的条件下通过修改软件来改变仪器的功能，因此软件是虚拟仪器的关键，国际上也有“软件即仪器”(The Software is the Instrument)之说。,1.能自由定义，仪器开放灵活如前所述，传统仪器的功能是由厂方定义的，对用户来说是封闭的、固定的
4、，不方便进行扩展；而虚拟仪器的功能不是事先由厂家决定，而是由用户根据自己的检测需要用软件来定义的，从而使得整个仪器的功能以及操作面板就更具个性化；另外，虚拟仪器基于计算机网络技术和接口技术，比传统仪器更方便与其他仪器设备、网络等连接，易于构成自动检测系统，易于实现测量、控制过程的智能化、网络化，从而使检测系统更开放、更灵活。,二.虚拟仪器的特点,概 述,概 述,2.检测效果更好，精度更高利用传统仪器进行检测任务时，人工干预较多，检测的速度、精度、稳定性、可靠性等要求往往难以保证，而虚拟仪器基于计算机总线和模块化仪器总线技术，硬件实现了模块化、系列化，同时利用计算机及软件将多种检测功能集成于一体
5、的方法不仅缩短了检测时间，而且也提高了检测的精度。嵌入式数据处理器建立的一些功能性数学模型，使测试数据不会随时间发生变化，这样就保证了检测结果的稳定性和可重复性。,概 述,3.数据表达更方便传统仪器大多需要人工进行记录数据，而虚拟仪器则利用计算机的显示、存储、打印、网络传输等功能，可以方便地把检测结果实时地保存记录下来，更可以直接进行数据分析、处理。4.开发费用更低，技术更新更快传统仪器硬件是关键部分，开发维护费用很高，技术更新周期长；而虚拟仪器的关键部分是软件，减少了大量仪器硬件的制作，就使得虚拟仪器的研制周期比传统仪器大为缩短，即开发费用更低，技术更新更快。,概 述,5.更经济实惠首先，虚
6、拟仪器的前面板上的控件都是与实物相像“图标”，而不是传统仪器上的“实物”，并且每个图标都对应着相应的软件程序，用户可用计算机的鼠标“点击”来对其进行操作；另一方面，虚拟仪器的检测功能是在PC计算机为核心组成的硬件平台上，通过软件编程设计来实现仪器的检测功能，而且用户可以根据自己的测试需要，通过软件模块的组合来实现各种不同的检测功能，从而大大缩小了仪器硬件的成本。以前，我国主要依靠进口的如数字示波器，频谱分析仪，逻辑分析仪等高档仪器价格非常昂贵，而现在就可以只采购必要的通用仪器硬件，采用虚拟仪器技术很经济地构建这些高档仪器系统。,概 述,三.虚拟仪器的发展前景,第一阶段称为初级虚拟仪器。它是利用
7、计算机来增强传统仪器的功能。随着GPIB总线标准的确立，人们把传统仪器通过GPIB和RS-232C同计算机连接，从而可以用计算机来控制仪器。随着计算机的普及，传统仪器的功能通过这种方式得以较大扩展。第二阶段称为开放式虚拟仪器。随着插入式数据处理卡的出现，如基于台式计算机PCI总线的数据采集卡(DAQ)、基于笔记本计算机PCMCIA总线的数据采集卡，特别是VXI及PXI总线的确立，使得虚拟仪器进入了开放式时代。目前比较流行的开放式虚拟仪器的开发系统是NI公司的LabVIEW图形编程系统。,概 述,第三阶段称为虚拟仪器框架。由我国自主提出的“框架协议”开发系统，利用面向对象技术封装出虚拟仪器的功能
8、库、控件库、开发系统、帮助模块、成品模块等，用户利用这一系统几乎可以“零编程”地开发出虚拟仪器。第四阶段称为网络化虚拟仪器。随着远程(异地)、复杂、大范围的测控任务的需求越来越大，网络化虚拟仪器就应运而生了，所谓“仪器流技术”。以PC机和工作站为基础，通过Internet网进行远程测控，不仅可以充分利用仪器资源、降低检测成本，也可以提高测控系统的功能，拓展其应用的范围。,虚拟仪器的结构,一.虚拟仪器的结构,虚拟仪器除了测控对象、信号调理器外，其内部主要由三大功能模块构成：信号的采集与控制、信号分析与处理、结果的表达与输出。虚拟仪器的结构图如图7.1所示。,图7.1 虚拟仪器结构图,虚拟仪器的结
9、构,二.虚拟仪器的硬件结构,虚拟仪器由硬件平台和应用软件两大部分构成。虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件两部分。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机、工控机等。计算机用于管理虚拟仪器的硬件、软件资源，是虚拟仪器的硬件支撑。测控功能硬件主要完成被测信号的放大、A/D转换和采集。具体测量仪器硬件模块是指各种传感器、信号调理器、A/D转换器(ADC)、D/A转换器(DAC)、数据采集器(Data AcQuisition，简称DAQ)，同时包括外置测试设备。,虚拟仪器的结构,目前虚拟仪器的构成方式主要有基于PC-DAQ的虚拟仪器系统
10、，基于通用总线GPIB接口的虚拟仪器系统，基于VXI总线仪器实现虚拟仪器系统，基于PXI总线仪器实现虚拟仪器四种标准体系结构。几种不同体系结构虚拟仪器系统性能见表7-1。,表7-1 几种不同体系结构虚拟仪器系统性能对比,虚拟仪器的结构,三.虚拟仪器的软件结构,根据VPP系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构包括仪器I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。I/O接口软件I/O接口软件存在于仪器(即I/O接口设备)与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。在VPP系统规范中，详细
11、规定了虚拟仪器的I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器I/O接口软件定义为虚拟仪器软件结构(VISA)软件。,虚拟仪器的结构,2.仪器驱动程序每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的；仪器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过I/O软件所提供的统一基础与格式的函数库(VISA)的调用来实现的。对于应用程序设计人员来说，一旦有了仪器驱动程序，即便不了解仪器内部操作过程，也可进行虚拟仪器系统的设计工作。虚拟仪器驱动程序是连接上层应用程序与底层I
12、/O接口软件的纽带和桥梁。,虚拟仪器的结构,3.应用软件应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，提供给用户一个界面友好、满足用户功能要求的应用程序。应用软件开发环境目前有多种选择，具体的选择因人而异，一般取决于开发人员的喜好，目前，可供开发人员选择的虚拟仪器系统应用软件开发环境主要包括两种：(1)基于传统的文本语言式的平台。主要有NI公司的LabWindows/CVI，Microsoft公司的Visual C+、Visual Basic，Borland公司的Delphi等。(2)基于图形化编程环境的平台。如NI公司的LabVIEW和HP公司的HPVEE等。图形化软件开发平台的提出使编
13、程人员不再需要文本方式编程，因而可以减轻系统开发人员的工作量，使其可将主要精力集中投入到系统设计中，而不再是具体软件细节的推敲上。,虚拟仪器软件开发平台LabVIEW简介,一.LabVIEW的特点与功能,LabVIEW的特点LabVIEW是英文Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench(实验室虚拟仪器工程平台)的首字母缩写，它是美国国家仪器公司(National Instruments Corporation)推出的一个图形化的软件开发环境。由于虚拟仪器的延伸和发展，使得LabVIEW的应用变得越来越广泛；反过来，也是因为LabVIE
14、W的成功，才使得虚拟仪器的概念在学术界和工程界被广泛接受。LabVIEW作为一种软件工具语言，具有以下特点：,虚拟仪器软件开发平台LabVIEW简介,(1)图形化编程环境。LabVIEW采用专为工程师和科学家而设计的直观的图形化编程语言(Graphics Language)。它尽可能利用了技术人员所熟悉的术语、图标和概念。在测试系统的开发过程中设计人员基本上不写程序代码，取而代之的是图形化符号。因此可以方便迅速地建立自己的虚拟仪器系统。(2)功能强大的函数库。LabVIEW提供了用于输入/输出、控制、分析和数据显示的数百个内置函数。这些函数可由用户直接调用，从而大大提高了工作效率。(3)内置3
15、2位程序编译器。保证用户数据采集及测试方案能高效执行。同时，利用LabVIEW可产生独立运行的可执行文件。,虚拟仪器软件开发平台LabVIEW简介,(4)灵活的程序调试手段。可通过设置断点、单步运行、高亮执行及设置探针等程序调试手段来检查程序设计中的错误。(5)开放式的开发平台，LabVIEW可通过ActiveX技术应用、动态数据交换、调用库函数、代码接口节点等实现与其他应用程序的链接，使用户在LabVIEW中能方便地使用其他软件开发编译的模块。(6)支持多种操作系统。LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh等多种版本。并且在不同平台上开发的应用程序可直接进
16、行移植。(7)强大的Internet功能，支持常用网络协议，易于构建基于计算机网络的测试系统。(8)集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能。,虚拟仪器软件开发平台LabVIEW简介,2.LabVIEW的功能LabVIEW的基本程序单位是一个虚拟仪器程序，简称为VI(Virtual Instrument)。LabVIEW通过图形编程的方法，建立一系列的VI来完成用户指定的测试任务。简单的测试任务可由一个VI完成；而复杂的测试任务，则可按照模块化的设计思想，把一项复杂的测试任务分解成一系列的子任务，首先建立子任务的VI。然后把这些VI组合起来建成
17、顶层的虚拟仪器，该顶层VI就成为一个包括众多功能的子虚拟仪器的集合。利用LabVIEW可以完成以下功能：,虚拟仪器软件开发平台LabVIEW简介,(1)从数据采集设备中采集数据；(2)仪器通信和控制；(3)从传感器中采集数据；(4)处理和分析测量数据；(5)设计图形化用户界面；(6)将测量数据保存在文件中；(7)将LabVIEW与其他软件程序结合使用,虚拟仪器软件开发平台LabVIEW简介,二.LabVIEW应用程序的构成,前面板(Front Panel)前面板是程序与用户交流的窗口，用于设置各种输入控制参数和观察输出量。前面板的作用相当于传统仪器的面板，在它上面有用户输入和显示输出两类对象，
18、具体表现为开关、旋钮、拨盘等用户输入的控制(Control)对象和图形、图表等显示(Indicator)对象。如图7.2所示的是一个正弦函数产生和显示VI的前面板，上面有一个显示对象，图形显示控件(Waveform Graph)，它以曲线的方式显示了一个正弦波。有两个控制对象，旋钮(Knob)和停止键(Stop)，旋钮用于调节产生的正弦波的幅值，停止键用于启动和停止程序的运行。,虚拟仪器软件开发平台LabVIEW简介,图7.2 正弦函数产生和显示VI的前面板,虚拟仪器软件开发平台LabVIEW简介,2.程序框图(Block Diagram)每个前面板都有相应的程序框图与之对应。程序框图是VI的
19、图形化源代码，是实现程序的核心，可以把它想象为传统仪器机箱中用来实现功能的零部件，它控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。程序框图由节点、端口和连线等要素组成。图7.3是与图7.2对应的程序框图，在该图中可以看到程序框图中的各组成要素。,虚拟仪器软件开发平台LabVIEW简介,图7.3 正弦函数产生和显示VI的程序框图,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,1)节点节点是实现程序功能的基本单元，它类似于文本语言的语句、函数或子程序。常见的节点类型有函数、结构和属性节点等。函数节点用于进行一些基本操作，如数值加减、逻辑运算、文件输入、输出等，如图7.3所示的为一个信号发生函数节点，它用于产生
20、一个正弦信号。结构节点包括For循环、While循环、顺序结构等，如图7.3所示的为While循环结构，该循环结构反复执行包含在循环圈(即)内的程序，直至达到某个边界条件。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,2)端口端口是程序框图中数据传递的起点和终点，类似于参数和常数。包括控件端口、节点端口、结构端口和常数几类。控件端口即前面板上的各对象的连线端子，如图7.3中所示的、分别为前面板上旋钮、图形显示控件和停止键的接线端口。当程序运行时，从前面板控件输入的数据就从这些端口传送到程序框图，而当程序运行结束后，输出数据就从这些端口输送到前面板的指示器。控件端口在前面板上创建(和删除)对象时自动生
21、成(和删除)。节点端口是节点上数据传递的端点，如图7.3上信号发生函数的端口Sine，它用于输出信号发生函数产生的正弦信号。结构端口是结构上数据输入、输出的端点，如图7.3所示的为While循环结构的端口，该端口用于设置循环执行的条件。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,3)连线连线是程序框图中各个对象之间数据传递的通道，类似于普通程序中的变量。在连线中，数据是单方向流动的，从一个源端口流向一个或多个目的端口，正是这种单向的数据流向控制图形语言执行的顺序。不同的线形和颜色代表了不同的数据类型，如绿色代表布尔量，细线代表单个数据。表7-2列出了一些常用数据类型所对应的线型和颜色。,虚拟仪器软
22、件开发台LabVIEW简介,在图7.3所示的程序框图中，由信号发生函数产生的正弦信号通过连线传到显示端口，再由显示端口传入显示控件显示，并由旋钮调节正弦信号的幅值。为了使正弦信号持续显示，设置了一个While Loop循环，由停止键输入的布尔量控制这一循环的结束。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,3.图标/连接器(Icon/Connector)VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子程序，这里称为子VI(sub-VI)，被其他VI调用。图标/连接器可以让用户把VI程序变成一个VI对象(子程序)，然后在其他程序中调用。图标表示在其他程序中被调用的子程序。而接线端口表示图标的输入/输
23、出口，类似于子程序的参数端口。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,三.LabVIEW的模板简介,在LabVIEW的用户界面上包括工具模板(Tools Palette)、控件)模板(Controls Palette)和函数模板(Functions Palette)。通过它们即可实现程序开发，现分别介绍如下。1.工具模板(Tools Palette)工具模板提供了创建、修改和调试LabVIEW程序所需要的各种工具。按住Shift键在程序框图的空白处单击鼠标右键即可显示如图7.4所示的工具模板。也可以通过在Windows菜单下单击Show Tools Palette命令来显示该模板。模板上方具有
24、绿色指示灯的图标表示自动选择工具，当选中该按钮后，指示灯亮，LabVIEW根据光标指示的对象与其他对象的关系自动为用户选择工具。在工具模板的图标上单击鼠标左键即选择了该工具，当选中任意一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。表7-3列出了各工具的名称和功能。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,表7-3 各工具的名称和功能,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,2.控件模板(Control Palette)在前面板的空白处单击右键或单击Windows菜单的Show Controls Palette命令就可以打开控件模板。控件模板用于设置前面板的各种
25、输出显示对象和输入控制对象。控件模板如图7.5所示，每个图标代表一类子模板。各子模板的功能见表7-4。,表7-4 控件子模板的名称和功能,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,用控件模板设计前面板：前面板中的所有对象均是从控件模板中调用的，现以图7.2所示的VI为例简单说明前面板的设计方法。,图7.2 正弦函数产生和显示VI的前面板,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,1)控件的调用方法为调用图形显示控件(Waveform Graph)，将光标移动到控件模板的Graph(图形显示)上，单击该图标进入子模板，在该子模板
26、中单击Waveform Graph图标，这个图形显示控件就“粘”在光标上了，将光标移动到前面板的目的地后再单击一下，即将该控件安放在前面板上。以同样的方法在控件模板的Numeric子模板中调用Knob控件，在Boolean子模板中调用Stop Button。这样前面板上的三个对象均调用完毕。,2)控件的布置将控件放入前面板后，应该让控件在前面板上合理分布，这样才利于用户操作和使用。控件的大小和位置可以用定位与选择工具进行设置。控件在前面板的排列也可以采用工具条上的对齐工具，该工具条包括顶端对齐、水平中心对齐、底端对齐和左端对齐、垂直中心对齐和右端对齐六个工具。选中若干对象以后，从中选择相应的工
27、具，即可将它们按要求对齐。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,图7.4 工具模板 图7.5 控件模板,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,3)控件的设置直接从控制面板中取出来的控件往往不能满足用户的要求，因此要对控件的属性重新设置。在控件上单击鼠标右键可以弹出快捷菜单，在快捷菜单上可以对控件的外观、类型和功能进行设置和修改。属性对话框实现对象特有参数的基本设置，在快捷菜单上单击Properties可以弹出属性对话框，在该对话框中可进行各项属性设置，使其满足设计要求。,3.函数模板(Functions Palette)在程序框图的空白处单击右键或单击Windows菜单的Show Funct
28、ions Palette命令就可以打开函数模板。函数模板用于创建程序框图。函数模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。函数模板如图7.6所示，其子模板的名称及功能见表7-5。,图7.6 函数模板,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,程序框图的设计：用以图7.3所示的VI程序框图为例说明程序框图的设计方法。1)函数的调用方法函数的调用方法和控件的调用方法类似，为调用信号发生函数(Simulate Signal)，将光标移动到全函数模板的Anal
29、yze上单击该图标进入子模板，在该子模板中单击Waveform Generation图标进入子模板选中Simulate Signal函数，将该函数安放在程序框图上。以同样的方法在函数模板的Structure子模板中选中While Loop结构，把它放置在程序框图中，将其拖至适当大小，将3个控件端口和信号发生函数均移到循环圈内。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,2)连线在程序框图的设计中，连线是一个很重要的环节，在LabVIEW中可以采用手工连线和自动连线两种方式。使用工具面板上的连线工具进行手工连线，选中该工具，当连线工具经过一个端口时，端口会持续闪烁，提示将线连接到这里，并弹出一个黄色
30、的窗口显示该端口的名称。在端口处单击鼠标左键进行连线，当连线需要转折时，在转弯处单击鼠标即可。若连线错误会在连线上出现一红叉，选中该连线，按Delete键即可删除。自动布线命令可以使布线更合理，可以在手动连线时在连线上单击鼠标右键弹出快捷菜单用Clean Up Wire命令重新布置连线。自动布线后的连线更加整齐。自动连线自动为放进程序框图的对象连线。缺省值下是允许自动连线的，可以通过菜单命令ToolsOptions打开程序框图的设置对话框选中或不选Enable Auto Wiring切换自动连线功能。LabVIEW找到它认为数据类型最匹配的端口进行连线。在图7.3所示的程序框图中需要将信号发生
31、函数的Sine输出端口和控件Waveform Graph的控件端口连接起来，把停止开关的控件端口和While循环的条件端口连接，并将旋钮的控件端口和信号发生函数的Amplitude输入端相连，这样就在LabVIEW中创建了一个信号发生和显示VI。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,四.程序的运行和调试,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,2.程序调试技术1)找出语法错误若一个VI程序不能执行，运行按钮 会变成一个折断的箭头，这表示该VI存在错误。单击该折断的箭头或使用菜单命令Window-Show Error List则LabVIEW弹出错误清单窗口，双击其中任何一个列出的错误，则出错的
32、对象或端口就会变成高亮。2)设置程序高亮度运行单击程序框图工具条上的高亮执行按钮，则它变成高亮形式。单击运行按钮，VI程序就以较慢的速度运行，并在程序的运行中用气泡显示数据沿着连线从一个节点流向另一节点的情况。这样，就可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行。再次按下高亮执行按钮，程序恢复正常运行。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,3)单步执行为查找程序中的逻辑错误，可以让程序框图一个节点一个节点地执行，这就是单步执行。单击工具条的单步按钮 或，激活单步执行，闪烁的节点表示该节点准备执行。激活单步执行后，按钮 称作单步进入，按钮 称作单步跨越(前者表示执行当前节点，后者表示跳过当前节点执行)
33、。再次按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁。单击(Step Out)按钮，结束正在执行的节点。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,4)断点断点工具 用于使程序在某处暂停执行，以便使用探针或单步方式观察中间结果。用该工具单击希望设置或清除断点的地方，则断点被设置或清除。断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当VI程序运行到断点处，程序被暂停在将要执行的节点处，以闪烁表示。按下单步按钮，进入单步状态。5)探针探针工具 用于程序执行时显示流经某一连接线的数据值。用该工具单击希望放置探针的连接线，这时会弹出一个探针显示窗口。通过该窗口，观察流过数据的
34、详细信息。探针结合高亮执行、单步执行和断点等工具可以使程序调试相当迅速、有效。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,五.LabVIEW的帮助,要学好LabVIEW，最有效的方法是使用LabVIEW的帮助系统。访问LabVIEW的帮助系统有以下几种途径。1.Show Context Help单击LabVIEW的帮助菜单下的Show Context Help子菜单，选中该命令。它打开一个Context Help窗口，打开该窗口后，当光标移动到前面板或程序框图的对象上，就会出现关于该对象基本功能的信息。2.VI，Function，HOW to Help该命令位于Help菜单下，它用于打开标准的Wi
35、ndows帮助窗口，用户可以查找各种帮助信息。,虚拟仪器软件开发台LabVIEW简介,3.Find Example该命令位于Help菜单下，它打开查找示例对话框。用户可以通过LabVIEW自带的示例程序学习编程。4.对话框帮助按钮在LabVIEW的各种对话框中一般都有Help按钮，可以随时打开，查看关于当前操作的详细说明。5.LabVIEW及时提示在执行某些操作时，LabVIEW会自动弹出一个Just-In-Time Advice窗口，该窗口用于说明当前操作在LabVIEW的当前版本和以前版本有何不同。单击提示文字，可以打开详细说明窗口。,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,一.数据采集基
36、础,虚拟仪器系统的典型硬件结构为：传感器信号调理器数据采集设备计算机。传感器把被测量的物理量转换为电量；信号调理器对传感器转换的电信号进行放大、滤波、隔离等预处理；数据采集设备主要是将模拟信号经过脉冲序列的采样后转换成离散信号，然后再经过量化，就将原来的模拟信号转换成了数字信号，以便后面用计算机对信号进行处理。数据采集设备包括插卡式(PCI卡或PCMCIA卡)的数据采集卡、分布式数据采集设备(以NI公司的FiledPoint和CompactFieldPoint为代表)、VXI与PXI设备、GPIB或串口设备等。,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,数据采集设备涉及到的参数及概念(1)采样周
37、期：采样脉冲相邻两个脉冲的时间差，一般用Ts表示。(2)采样率：采样率就是采样周期的倒数，即Fs=1/Ts，也就是A/D转换的速率，一般根据信号类型进行适当选取。在实际的测试系统中，如果有多个信号通过独立的通道进入数据采集卡，而一般的数据采集卡是多个通道共用一个A/D转换器，在这种情况下，采集卡的采样率就被所用的各个通道进行平分；如果数据采集卡给出的采样率指标是单通道的，则各个通道就是同步采样，各自使用独立的A/D转换器。如NI公司的PCI-6036E采集卡的采样率为200kS/s，DAQCard-6062E采集卡的采样率为500kS/s。(3)分辨率：是数据采集设备的精度指标，用A/D转换的
38、数字位数来表示。数据采集设备A/D转换的数值位数越多，分辨率就高，精度也越高。一个16位的采集卡，对于一个振幅为5V的信号，能区分V的小变化。(4)通道数：数据采集设备能输入或输出信号的路数。一般为16通道或64通道。,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,2.被测信号的参考点(1)接地信号(Ground Ref.Source，简称GS)：接地信号是信号的一端直接接地的电压信号，它的参考点是系统地(如大地或建筑物的地)，如图7.7(a)所示。最常见的接地信号源是通过墙上的电源插座接入建筑物地的设备，如信号发生器等。(2)浮动信号(Floating Source，简称FS)：浮动信号是不连接到
39、建筑物地等绝对参考点的电压信号，如图7.7(b)所示。常见的例子有电池及其供电设备、热电偶、变压器、隔离放大器等设备。,(a)接地信号(b)浮动信号图7.7 信号参考点,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,3.被测信号的连接方式对于大多数模拟输入设备，有三种不同的信号连接方式：差分DIFF(differential)、参考单端RSE(referenced single-ended)和非参考单端NRSE(non-referenced single-ended)。(1)差分DIFF连接方式：信号的正负极分别接入两个通道，所有输入信号各自有自己的参考点，如图7.8所示。差分DIFF连接方式只读取
40、信号两极间的差模电压，不测量共模电压，这是较理想的连接方式，可以抑止接地回路感应误差，也可以抑止环境噪声。当输入信号有下列情况时，使用差分DIFF连接方式：低电平信号(如小于1V)；信号电缆比较长或没有屏蔽，环境噪声较大；任何一个输入信号要求有一个单独的参考点。,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,图7.8 差分DIFF连接方式,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,(2)单端连接方式：所有信号都参考一个公共参考点，即仪器放大器的负极，单端连接方式较差分连接方式多出一倍的检测通道。当输入信号复合下列条件时，使用单端连接方式：高电平信号(如大于1V)；信号电缆比较短(通常小于5m)或有屏蔽
41、，环境无噪声；所有信号可以共享一个公共参考点。单端连接方式又分为参考单端RSE和非参考单端NRSE。参考单端RSE：用于测试浮动信号，把信号参考点与仪器模拟输入地连接起来，如图7.9所示。非参考单端NRSE：用于测试接地信号，所有输入信号均已经接地了，所以信号参考点不需要再接地，如图7.10所示。,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,图7.9 参考单端RSE连接方式 图7.10 非参考单端NRSE连接方式,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,二.基于LabVIEW的数据采集程序构建方式,LabVIEW7.1(目前最新版为8.0版)开发环境安装时，会自动安装NI-QAQ7.1软件，包含两
42、个驱动程序传统NI-QAQ和NI-QAQmx，它们各自有单独的应用程序编程接口API，方便有不同的硬件和软件设置方法，形成了两套独立的数据采集系统(NI公司建议尽量使用NI-QAQmx)。下面简单介绍在LabVIEW中，信号采集程序的三种基本构建方式。本小节所采集的信号均为标准的50Hz，幅值为1V的正弦信号。,数组运算,五.逻辑运算,逻辑运算也是对数组元素的运算。MATLAB语言提供的逻辑运算符有三个，逻辑运算符如表所示。,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,(1)直接从FunctionsInput中调取信号采集助手DAQ Assistant，可以很快构建一个简单采集程序，如图7.11所
43、示。,(a)程序框图(b)前面板图7.11 信号采集助手构建数据采集程序,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,(2)从FunctionsAll FunctionsNI MeasurementsDAQmx 里选取DAQmx Start Task.vi，DAQmx Read Task.vi和DAQmx Stop Task.vi来构建采集程序，如图7.12所示。,(a)程序框图(b)前面板图7.12 NI-DAQmx函数构建数据采集程序,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,(3)采用传统的NI-DAQ 构建采集程序，要输入：设备号、通道号、采样数、采样率，如图7.13所示。,(a)程序框图(
44、b)前面板图7.13 传统的NI-DAQ构建数据采集程序,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,三.基于LabVIEW的数据采集实例,连续信号采集及频谱分析实例1)硬件设置采用DAQmx物理通道。打开MAX在Devices and InterfacesNI-DAQmx devices PCI-6036E“Dev1”项上弹出菜单，在“self-test has tested”之后选择“test”进行设置：系统自动把设备号Device=1；模拟输入AI:范围 10V+10V输入模式Mode=continue输入图形：Input configuration=Differential(差分)采样率：
45、rate=1000采样点：samples to read=1000,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,2)程序设计按图7.14所示构建信号采集存储与传输程序前面板，并参考图中的显示进行采样参数设置；按图7.15所示构建程序框图。,图7.14 信号采集存储与传输程序前面板,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,图7.15 信号采集存储与传输程序框图,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,程序中用到All FunctionsCommunicationDataSocket函数子模板中的DataSocket Open、DataSockoet Write和 DataSocket Close；A
46、ll FunctionFiles I/O函数子模板中的Write To Spreadsheet File.vi；All FunctionAnalyseSignal PressingFreqency Domain子模板中的自功率谱Auto Power Sprectrum.vi及AnalyseSignal PressingWindows(汉宁窗)进行频谱分析。另外，本程序中采用的是FunctionsInput子模板中采集助手 DAQ Assistant，对于初步涉及到DAQ的学者能更方便。在整个程序运行前，必须先打开数据传输服务器DataSocket Server 进行网络连接，在服务器端设置的电
47、荷放大器增益参数和采样率参数对后面信号分析都是必不可少的，因此这两个参数要和采样信号一起传输。,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,2.定时采集信号并记录存盘实例1)说明定时采集并记录数据是数据记录最普遍的情况，当我们长期监测一个连续运行的对象时，往往需要按照一定的时间间隔对被监测对象的运行情况进行记录，并按一定的时间周期生成报表，在这种情况下触发数据记录的条件就是时间，每到一定的时刻就进行一次数据记录。本例就是一个定时采集并进行记录的示例，每到用户设定的时间间隔就输出一个True值到后面的Case结构，触发数据采集并记录的模块。输入的“间隔小时数”不为零时，到整点计时；否则，在当前时间分
48、钟数能整除“间隔分钟数”时计时。,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,2)程序设计程序中的All FunctionsStringString/Number conversionDecimal String To Number 函数将系统时间字符串中的小时和分钟数值字符转换为十进制整形数，通过检查这个数能否整除设定的时间间隔来判断是否计时。All FunctionsNI Measurements DAQmx Data AcqusitionDAQmx start task.vi 函数已经将任务打开，处于等待状态，时间一到，任务就进入Case结构中的DAQmx read.vi开始采集数据，同时W
49、rite To Spreadsheet File.vi 开始记录。记录完毕等待下一个采集并记录时刻的到达。按图7.16所示构建程序前面板，并参考图中的显示进行采样参数设置；按图7.17、图7.18所示构建程序框图。,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,图7.16 定时采集信号并记录存盘程序前面板,基于LabVIEW的数据采集方法及实例,图7.17 定时采集信号并记录存盘程序框图(一),基于LabVIEW的数据采集方法及实例,图7.18 定时采集信号并记录存盘程序框图(二),本 章 小 结,(1)虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。(
50、2)虚拟仪器具有功能定义自由、仪器开放灵活、检测效果更好、精度更高、数据表达更方便、开发费用更低、技术更新更快等优点。(3)虚拟仪器除了测控对象、信号调理器外，其内部主要由三大功能模块构成：信号的采集与控制、信号分析与处理、结果的表达与输出。虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件两部分。虚拟仪器系统的软件结构包括仪器I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。(4)LabVIEW是最具代表性的图形化虚拟仪器开发平台。可以实现从数据采集设备中采集数据、仪器通信和控制、从传感器中采集数据、处理和分析测量数据、设计图形化用户界面、将测量数据保存在文件中等功能。,习题与思考题,7-1
