第9章 虛擬儀器與LabVIEW 編程

第9章虛擬儀器與LabVIEW

編程基礎(chǔ)9.1.1虛擬儀器的概念20世紀80年代末美國研制成功了虛擬儀器。虛擬儀器的發(fā)展標志著自動測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個嶄新方向。所謂虛擬儀器(VirtualInstrument，簡稱VI)，就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義、具有虛擬面板、測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。

“虛擬”二字主要包含兩方面的含義：

第一、虛擬儀器的面板是虛擬的第二、虛擬儀器測量功能是由軟件編程來實現(xiàn)的。

虛擬儀器的特點可歸納為：9.1.2虛擬儀器的特點④研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。①在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。②儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。③儀器性能的改進和功能擴展只需進行相關(guān)軟件的設(shè)計更新，而不需購買新的儀器。⑤虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)。9.1.3虛擬儀器的構(gòu)成傳統(tǒng)儀器虛擬儀器功能定義儀器廠家用戶技術(shù)關(guān)鍵硬件軟件功能升級固定通過修改軟件進行增減開放性封閉基于計算機的開發(fā)系統(tǒng)技術(shù)更新較慢較方便、較快開發(fā)周期較長相對快工作頻率較高受限與A/D與D/A的速度應(yīng)用領(lǐng)域通用測量、計量大多為測控系統(tǒng)價格較高價格且可重復利用虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(簡稱硬件平臺)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。1.通用儀器硬件平臺構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺有兩部分：（1）計算機：一般為一臺PC機或者工作站，它是硬件平臺的核心。（2）I/O接口設(shè)備：主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換?？筛鶕?jù)實際情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡?/?板(DAQ)、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串口儀器等。虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有五種類型，如圖9-1框圖所示。

2.軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成。(1)應(yīng)用程序。它包含兩個方面的程序：①實現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。②定義測試功能的流程圖軟件程序。(2)I/O接口儀器驅(qū)動程序

完成特定外部硬件設(shè)備的擴展、驅(qū)動與通信。開發(fā)虛擬儀器，必須有合適的軟件工具。

虛擬儀器的軟件開發(fā)工具。文本式編程語言：如C、VisualC＋＋、VisualBasic、Labwindows/CVI等；圖形化編程語言：如LabVIEW、HPVEE等。這些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。本書要介紹的是LabVIEW圖形化編程語言。

9.2LabVIEW8.5編程基礎(chǔ)

LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench，實驗室虛擬儀器工程平臺）是由美國NI公司（NationalInstrumentCompany）推出的一種基于G語言（GraphicsLanguage，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。啟動LabVIEW主程序后，出現(xiàn)如圖9-3所示的LabVIEW啟動窗口，在這個窗口中可創(chuàng)建新VI、選擇最近打開的LabVIEW

文件、查找范例以及打開LabVIEW幫助。圖9-39.2.1LabVIEW應(yīng)用程序的構(gòu)成

應(yīng)用Labview開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VI。VI程序由前面板（FrontPanel）、流程圖（BlockDiagram）和圖標/連接器（Icon/Connector）三個部分構(gòu)成。

1.前面板

前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Controls），輸出量被稱為顯示（Indicators）?？刂坪惋@示是以各種圖標形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使這得前面板直觀易懂、易于控制數(shù)據(jù)的輸入

2.流程圖每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序。框圖程序用Labview圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。3.圖標/連接器圖標/連接器是子VI被其它VI調(diào)用的接口。圖標是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就像函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應(yīng)。連接器一般情況下隱含不顯示，除非用戶選擇打開觀察它。9.2.2LabVIEW8.5操作模板

主要介紹工具模板、控制模板和功能模板的主要功能和使用方法。1.工具模板工具模板提供了用于操作、編輯前面板和流程圖上對象的各種工具。若想選用某操作工具，只需用鼠標點擊該工具圖標即可。當從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成與該工具對應(yīng)的形狀。圖9-4工具模板的調(diào)用方法：選擇“查看→工具選板”可以打開工具選板，如圖9-4所示。將工具模板變成浮動板留在屏幕上的方法：用鼠標點擊控制模板或功能模板左上角的“大頭針”。9.2.2LabVIEW8.5操作模板

2.控件模板。控件模板在前面板顯示，它包含創(chuàng)建前面板時可用的全部對象。最常用控件可以以新式（modern）、經(jīng)典（classic）和系統(tǒng)（system）三種風格顯示。選擇主菜單查看→控件選板選項或右擊前面板空白處就可以顯示控件選板。如圖9-5所示，控件的種類有：數(shù)值控件（如滑動桿和旋鈕）、圖形、圖表、布爾控件（如按鈕和開關(guān)）、字符串、路徑、數(shù)組、簇、列表框、樹形控件、表格、下拉列表控件、枚舉控件和容器控件等等。圖9-59.3LabVIEW

中的ExpressVI--快速搭建專業(yè)測試系統(tǒng)用戶在程序開發(fā)過程中，只需在整個程序流程圖中簡單地調(diào)用ExpressVI程序，并使用屬性設(shè)置頁面配置系統(tǒng)的采集、分析與顯示功能，實現(xiàn)應(yīng)用程序的快速開發(fā)與設(shè)計，極大地提高了程序開發(fā)效率。

9.3.1初識Express技術(shù)Express技術(shù)包含前面板控件和程序框圖VI函數(shù)如圖9-7和圖9-8所示。圖9-7圖9-8后面板的ExpressVI函數(shù)面板前面板的Express控件面板包含了最常用的一些控件。大部分實際上和普通控件完全一樣，放在Express面板下只是為了方便用戶。只有波形圖表和ExpressXY圖控件會自動在程序框圖中產(chǎn)生代碼。程序框圖中的函數(shù)選板上的ExpressVI面板包含了大量的ExpressVI函數(shù)，主要分6大類。信號輸入ExpressVls

用來從儀器采集信號或產(chǎn)生仿真信號。信號分析ExpressVIs

用來對信號進行分析處理。輸出ExpressVIs

用于將數(shù)據(jù)存入文件，產(chǎn)生報表以及與儀器連接，輸出真實信號等。信號操作ExpressVIs

主要用于對信號數(shù)據(jù)進行操作，比如類型轉(zhuǎn)換、信號合并等。執(zhí)行控制ExpressVIs和程序結(jié)構(gòu)體包含了一些基本的程序結(jié)構(gòu)以及時間函數(shù)。算術(shù)與比較ExpressVIs

包含一些基本的數(shù)學函數(shù)、比較操作符、數(shù)字和字符串。以一個濾波器為例初步感受ExpressVI的用法。（1）產(chǎn)生仿真信號圖9-9仿真信號ExpressVI屬性配置對話框?qū)⒑瘮?shù)選板上的Express｜輸入｜仿真信號VI函數(shù)放置在程序框圖上，同時會彈出如圖9-9所示的配置對話框，用于對仿真信號進行配置。我們將其配置為100Hz的正弦信號，同時加上均勻白噪聲。（3）創(chuàng)建波形顯示器（2）放置濾波器將函數(shù)選板上的Express｜信號分析｜濾波器函數(shù)放置在程序框圖上，在放置的同時也會自動彈出類似圖9-9所示的配置對話框。在這里可以選擇濾波器的類型以及一些必要的濾波器參數(shù)。這里我們采用低通濾波器。將以上兩個VI放置在程序框圖中后，將仿真信號的信號輸出與濾波器的信號輸入連接起來。右擊仿真信號的信號輸出端選擇創(chuàng)建｜圖形顯示控件創(chuàng)建仿真信號波形圖。與之類似，在濾波器的信號輸出端也創(chuàng)建一個濾波后的波形圖（FilteredSignal）。（4）加上程序控制結(jié)構(gòu)用ExpressⅥ面板上的執(zhí)行過程控制｜While循環(huán)將信號發(fā)生器程序圍在其中。我們可以看到與普通的While循環(huán)不一樣，它會自動給While循環(huán)添加一個停止（Stop）按鈕，這樣就簡化了編程步驟。接著我們再放置一個延時器在While循環(huán)中用以降低CPU的利用率。它在ExpressⅥ面板上的位置為執(zhí)行過程控制｜時間延遲。同樣它會自動彈出一個對話框讓用戶輸入延時長度。圖9-10利用ExpressVI搭建的信號濾波器將函數(shù)放置在程序框圖上后雙擊函數(shù)圖標也可以彈出配置對話框。此外，所有的函數(shù)參數(shù)也可以由輸入端子輸入。9.3.2ExpressVIs簡介1.信號輸入（Input）ExpressVIs圖9-11信號輸入控件信號輸入ExpressVIs在Express->輸入面板下，主要用來從儀器采集信號或產(chǎn)生仿真信號；通過這些函數(shù)，信號可以來源于儀器，也可以來源于文件或者由計算機仿真產(chǎn)生。信號輸入控件如圖9-11所示。2.信號分析（SignalAnalysis）ExpressVIs圖9-12信號分析面板信號分析ExpressVIs在Express->信號分析面板下。該面板下包含了最常用的信號分析函數(shù)，例如譜測量、失真度測量、曲線擬合、濾波器和直方圖等。信號分析面板如圖9-12所示。3.輸出（Output）ExpressVIs圖9-13輸出面板OutputExpressVIs在Express->輸出面板下，用于將信號數(shù)據(jù)存入文件，產(chǎn)生報表或向儀器輸出真實信號等。輸出面板如圖9-13所示。4.信號操作（SignalManipulation）ExpressVIs圖9-14信號操作面板信號操作ExpressVIs在Express->信號操作面板下。主要用于對信號數(shù)據(jù)進行各種操作，譬如信號合并、類型轉(zhuǎn)換、信號連接、抽樣信號、觸發(fā)信號和選擇信號等。信號操作面板如圖9-14所示。5.算術(shù)與比較（Arithmetic&Comparison）ExpressVIs圖9-15算術(shù)與比較面板

算術(shù)與比較ExpressVIs在Express->算術(shù)與比較面板下，它包含一些基本的數(shù)學函數(shù)和比較操作符，以及數(shù)字和字符串等。算術(shù)與比較面板如圖9-15所示。6.執(zhí)行控制ExpressVIs圖9-16執(zhí)行過程控制面板執(zhí)行控制ExpressVIs在Express->執(zhí)行過程控制面板下，包含了一些基本的程序結(jié)構(gòu)以及時間函數(shù)，譬如While結(jié)構(gòu)，Case結(jié)構(gòu)，時間延時和消逝時間等，如圖9-16所示。9.4信號分析圖9-17信號處理面板LabVIEW尤其適合數(shù)字信號處理，主要優(yōu)勢有：具有良好的圖形顯示功能，能夠以多樣化的方式直觀顯示各種信號波形；圖形化的編程方式，學習門檻較低，易于掌握，省去了許多煩瑣的編程細節(jié)；擁有數(shù)量眾多、功能齊全的各種信號分析與處理VI，供用戶隨意調(diào)用；具有良好的擴展性，通過附加工具包擴展，以及與其他平臺擴展。函數(shù)面板—〉信號處理面板如圖9-17所示。9.4.1波形和信號生成圖9-18波形生成VI庫圖9-19信號生成VI庫在很多情況下需要在沒有硬件的情況下對系統(tǒng)仿真或驗證系統(tǒng)的正確性，在某些情況下可能還需要通過D/A變換向硬件輸出波形。這時就需要波形發(fā)生函數(shù)來模擬產(chǎn)生需要的波形。準確快捷地產(chǎn)生符合所需參數(shù)的信號波形，是準確進行后續(xù)仿真分析和處理的基礎(chǔ)。1.波形和信號生成相關(guān)的VI波形信號生成舉例圖9-20基本信號生成波形生成有多種方法：第一種是基本信號的產(chǎn)生，只需把參數(shù)輸入既可；第二種是根據(jù)公式法產(chǎn)生信號；實際中，有的根據(jù)實際情況經(jīng)過數(shù)學運算和其他運算加噪音等方法模擬出接近于實際的信號。（2）公式法產(chǎn)生的波形圖9-21公式法產(chǎn)生的波形9.4.2信號時域分析圖9-22波形測量VI庫圖9-23信號運算VI庫信號時域分析是指在時間域上對信號的時域參數(shù)進行測量和計算，從而提取出有助于研究和分析的信號時域特性。時域分析往往是對原始信號進行分析的第一個步驟，信號的時域特性往往也是使用其他方法進行分析的重要參考和基礎(chǔ)。1.信號時域分析相關(guān)的VI

2.信號時域分析舉例圖9-24測量波形的直流分量與均方根值（1）測量波形的直流分量與均方根值測量波形的直流分量與均方根值如圖9-24所示。具體步驟如下。①新建“直流分量與均方根值的測量.vi”，添加一個While循環(huán)結(jié)構(gòu)，以便連續(xù)地生成和觀察信號波形。②在While循環(huán)中放入生成一個混有白噪聲、帶直流分量的正弦波信號，只需將參數(shù)設(shè)置好。③圖9.24中運行后可以看到測得的直流分量與設(shè)定的相同，有效值為8.69。（2）周期信號時域特性的測量實例

圖9-25周期信號時域特性的測量

9.4.3信號頻域分析信號頻域分析指將時域信號通過傅立葉變換等方法轉(zhuǎn)換到頻率域上，然后進行分析。一些從時域上無法解決的問題，往往從頻域分析的角度可以得到有效的解決。1.信號的FFT分析與FFT相關(guān)的VI在函數(shù)選板的位置：①信號處理—〉波形測量；②信號處理—〉變換；③信號處理—〉逐點—〉變換（逐點）。2.信號的FFT分析實例（1）FFT分析幅度譜和相位譜實例FFT分析幅度譜和相位譜的測量圖如圖9-26所示具體步驟如下。①新建“使用FFT分析信號幅度譜和相位譜.vi”，并添加混合單頻與噪聲波形VI（TonesandNoiseWaveform.vi）用來生成兩個不同頻率、幅值和初相位的正弦波疊加信號，另外疊加均方根值為1的白噪聲信號。②添加“FFTSpectrum（Mag-Phase）.vi”來分析所生成的原始信號，使用Hanning窗。圖9-26FFT分析幅度譜和相位譜的測量圖

（2）信號的傅立葉變換傅立葉變換是數(shù)字信號處理中最重要的變換之一，它的意義在于使人們能夠在頻域中觀察一個信號的特征。它的一個基本應(yīng)用就是計算信號的頻譜，通過頻譜可以方便地觀察和分析信號的頻率組成成分?，F(xiàn)在通過2個正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生2個不同頻率不同振幅的正弦信號，并將其疊加為同一個信號作為傅立葉變換函數(shù)的輸入，如圖9-27所示。圖9-27雙邊傅立葉變換9.5虛擬儀器設(shè)計舉例虛擬儀器將儀器功能分為一些通用模塊，由輸入、輸出、數(shù)據(jù)處理三個部分組成。本節(jié)將介紹基于NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡PCI－6014的虛擬儀器設(shè)計方法?；贜I數(shù)據(jù)采集卡的虛擬雙蹤示波器設(shè)計1．Measurement&AutomationExplorer（MAX）

NI公司提供一個專用的管理軟件MAX，來對所有NI公司產(chǎn)品相關(guān)的硬件進行管理。針對數(shù)據(jù)采集卡，這個軟件可以完成NI公司數(shù)據(jù)采集卡的檢測、性能測試、屬性配置和刪除。一般在硬件驅(qū)動程序安裝的同時，MAX會自動安裝到計算機中。運行MAX后，在其主界面中將顯示計算機中和NI公司相關(guān)的項目，如圖9-28所示。在DeviceandInterface的下級目錄中顯示該計算機安裝了PCI－6014數(shù)據(jù)采集卡，并被分配設(shè)備號為1，在以后的數(shù)據(jù)采集VI調(diào)用中，就用這個設(shè)備號來標識這塊PCI－6014數(shù)據(jù)采集卡。圖9-28MAX主界面在PCI－6014（Device1）項目上單擊鼠標右鍵，將彈出快捷菜單，其中包含了MAX中對數(shù)據(jù)采集卡PCI－6014能夠進行的操作，即TestPanels（性能測試）、Delete（硬件刪除）和Properties（屬性配置），單擊各項目即可進入相關(guān)操作界面。

其中，利用性能測試功能可以對數(shù)據(jù)采集卡的功能進行簡單的測試，如圖9-29所示為模擬輸入（AI）采樣的測試界面，該測試功能將當前數(shù)據(jù)采集卡采集的信號顯示在觀察窗口中，并且提供了多種采樣和顯示方式，相當于一個現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集器和示波器，可以用它來檢測數(shù)據(jù)采集卡的工作狀態(tài)是否正常，或簡單地觀察一個信號的波形。圖9-29數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入測試界面利用屬性配置操作可以對數(shù)據(jù)采集卡的屬性進行配置和檢查，在如圖9-30和圖9-31所示的界面中分別對數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)屬性（System）和模擬輸入屬性（AI）進行檢查和操作。其中系統(tǒng)屬性中涉及到數(shù)據(jù)采集卡占用的內(nèi)存、中斷號和直接內(nèi)存訪問號，而在模擬輸入屬性中可以設(shè)置模擬輸入范圍和信號輸入模式。另外，屬性配置操作還可以對模擬輸出（AO）、信號進入方式（Accessory）、數(shù)據(jù)采集和模擬輸出的標定周期（OPC）和遠程操作該數(shù)據(jù)采集卡的密碼（RemoteAccess）等屬性進行配置。圖9-30數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)屬性檢查圖9-31數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入屬性操作2．在MAX中添加DAQ通道

在MAX中添加DAQ通道的目的有兩個：一是利用MAX對通道進行設(shè)置和測試，觀察其是否可用；另一目的就是創(chuàng)建這些通道時，可以給這些通道根據(jù)用途的不同用帶有特色的名字進行命名，不再使用通道1、通道2這樣不易記憶的名字，方便識別并在LabVIEW等程序中進行有效調(diào)用。下面以傳統(tǒng)DAQ通道為例，介紹添加DAQ通道的具體過程。（1）在MAX中展開DateNeighborhood分支，如圖9-32所示。圖9-32展開的DateNeighborhood分支選擇TraditionalNI-DAQDevicesVirtualChannel，如圖9-33所示。點擊“Finish”按鈕，將出現(xiàn)的界面，如圖9-34所示。界面用來選擇通道的類型：模擬輸入(AnalogInput)、模擬輸出(AnalogOutput)或數(shù)字輸入輸出(DigitalI/O)。這里選擇模擬輸入。圖9-33添加新通道界面圖9-34通道類型選擇（2）點擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)如圖9-35所示的界面。在此輸入通道的名稱和簡要的描述。這里采用的通道名稱為“A”，描述為“CH1”。（3）選擇傳感器或測量的類型，如圖9-36。可以根據(jù)需要選擇電壓、電流、電阻、各型熱電隅、加速度計或應(yīng)變片等，這里選擇Voltage。圖9-35通道名稱和描述圖9-36選擇傳感器或測量的類型（4）點擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)如圖9.37所示的界面。在此可設(shè)置信號的單位和范圍。再點擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)如圖9.38所示的界面，可以設(shè)置縮放比例。這里都采用默認的方式。圖9-37設(shè)置單位和范圍圖9.38設(shè)置縮放比例（5）點擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)如圖9-39所示的界面。在此選擇DAQ設(shè)備、通道及輸入模式，完成通道設(shè)置。這里選擇的DAQ設(shè)備是PCI－6014，通道為6014的0通道，輸入模式為Differential（差分輸入）。通過以上5個步驟就完成了在傳統(tǒng)DAQ通道向?qū)碌囊粋€通道添加與設(shè)置。這時展開的TraditionalNI-DAQDevicesVirtualChannels分支如圖9-40所示。圖9-39選擇DAQ設(shè)備、通道及輸入模式圖9-40完成添加通道A虛擬雙蹤示波器需要兩個輸入通道，現(xiàn)在已經(jīng)有了一個通道A，我們再為其增加一個通道B，方法是右擊TraditionalNI-DAQDevicesVirtualChannels，選擇AddChannel…，如圖9-41所示。下面的通道B添加與設(shè)置過程與通道A的過程相同，完成后結(jié)果如圖9-42所示。圖9-41增加一個通道圖9-42完成添加通道A、B如果要改變已有的設(shè)置，可以用鼠標選中要改變設(shè)置的通道，在彈出的右鍵菜單上選擇Properties屬性，就可以打開其屬性窗口，在其中修改設(shè)置。3．LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI在LabVIEW中，數(shù)據(jù)采集VI主要位于函數(shù)選板中的“測量I/O→DAQmx-DataAcquisition”子選板，如圖9-43所示。圖9-43DAQmx-DataAcquisition子選板在函數(shù)選板的Express子選板中也包含有輸入、輸出等與數(shù)據(jù)采集有關(guān)的快速VI。在NI-DAQmx中，任務(wù)是包括一條或多條通道以及定時、觸發(fā)等屬性的集合。從概念上來說，任務(wù)就是要進行的測量或生成。例如，測量DAQ設(shè)備一條或多條通道的溫度就是一個任務(wù)。利用DAQmx-DataAcquisition子選板中的“DAQAssistantExpressVI”創(chuàng)建一個任務(wù)時，出現(xiàn)如圖9.44所示的CreateNewExpressTask對話框。圖9-44CreateNewExpressTask對話框選擇“AcquireSignal