機電一體化系統(tǒng)設(shè)計第三章虛擬儀器與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于整天與PC（個人計算機）打交道的人來說，在緊張、繁忙的工作一段時間后，通常會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。因為商業(yè)化PC完全具備了這樣的能力，我們?yōu)楹尾唤璐讼硎芤环兀∥蚁嘈?，絕大多數(shù)經(jīng)常與PC打過交道的人，都曾會有過這樣類似的經(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”，就是在通用計算機上，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)行控制或測量，并利用軟件實現(xiàn)儀器的測量和分析功能。

其實，“虛擬儀器”這個概念從字面上來簡單理解就是：借助于計算機和數(shù)據(jù)采集模塊通過軟件設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)真實儀器的測量功能，但確不是一個實實在在的、有模有樣的真實的測量儀器。這話看著似乎別扭，沒錯，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、萬用表、信號源等）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國家儀器公司（NationalInstrument）在1986年提出的，但其雛形可以追溯到1981年由美國西北儀器系統(tǒng)公司推出的AppleII為基礎(chǔ)的數(shù)字存儲示波器。這種儀器和個人計算機的概念相適應(yīng)，當(dāng)時被稱為個人儀器。（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)計平臺基本成型，虛擬儀器從概念構(gòu)思變?yōu)楣こ處熆蓪崿F(xiàn)的具體對象。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項目傳統(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)費用開發(fā)與維護(hù)費用高開發(fā)與維護(hù)費用低技術(shù)更新周期技術(shù)更新周期長（慢5-10年）技術(shù)更新周期短（快1-2年）性能/價格比價格昂貴價格低，并且可重用性與可配置性強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)備連接受限基于計算機的開放系統(tǒng)，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它設(shè)備連接應(yīng)用情況多為實驗室擁有個人可以擁有一個實驗室虛擬儀器的特點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，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)入磁盤的同時就能實時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。虛擬儀器的特點靈活性強在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。虛擬儀器的特點無縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。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測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。NI的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，幫助我們輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(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)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。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，計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、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)，它們主要完成被測輸入信號的采集、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用成果時，就用軟件就是儀器來表達(dá)虛擬儀器的特征，強調(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潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試程序，來實現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機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)動軟件通用I/O接口軟件虛擬儀器軟件軟件平臺LabVIEW美國的NI（NationalInstrument）公司開發(fā)。LabScene吉林大學(xué)智能儀器與測控技術(shù)研究所研制開發(fā)。其他：LabWindows，VEE等虛擬儀器軟件儀器驅(qū)動儀器的驅(qū)動軟件是專門控制某種儀器的軟件。LabVIEW因為具有面板控制的概念，特別適合于創(chuàng)建儀器的驅(qū)動程序。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)建立了一個儀器的驅(qū)動程序后，就不必再記住儀器的控制命令，而只要從前面板輸入簡單數(shù)據(jù)即可。僅僅擁有控制單臺儀器的軟件，意義并不大。其真正意義在于可以把儀器驅(qū)動程序作為子程序調(diào)用，與其他子程序一道組成一個大控制程序，從而控制整個系統(tǒng)。虛擬儀器軟件虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計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)計標(biāo)準(zhǔn)LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW是實驗室虛擬儀器平臺（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）的簡稱,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VI可以由更底層的多個VI組成。底層VI代表了最基本的計算、I/O操作與界面設(shè)計功能，各層VI有相同的結(jié)構(gòu)形式，每個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設(shè)備等模擬或數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。一個完整的DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計算機、驅(qū)動程序和應(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量的電信號。例如熱電偶、電阻式測溫計（RTD）、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可測量的模擬信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成信號調(diào)理從傳感器得到的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等等，這種信號在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵、冷端補償?shù)葦?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集設(shè)備信號調(diào)理后的信號即可與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個數(shù)據(jù)采集卡，與計算機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完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。軟件分為驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序。驅(qū)動程序可以直接對數(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)存這樣的計算機資源結(jié)合在一起。驅(qū)動程序隱藏了復(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也會提供驅(qū)動程序。上層應(yīng)用程序用來完成數(shù)據(jù)的分析，存儲和顯示等。LabVIEW就是一個極佳的開發(fā)上層應(yīng)用程序的開發(fā)平臺。虛擬儀器的應(yīng)用虛擬儀器無處不在。85%的世界500強制造型企業(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、機械、通信、生物醫(yī)藥、科研、教育等各個行業(yè)領(lǐng)域。虛擬儀器的應(yīng)用消費電子微軟公司使用LabVIEW和PXI模塊化儀器開發(fā)了Xbox和Xbox360手柄的多功能驗證，效率提升了100%虛擬儀器的應(yīng)用結(jié)構(gòu)監(jiān)測為了對東海大橋進(jìn)行實時可靠的健康監(jiān)測，上海巨一公司使用NI的PXI平臺和動態(tài)采集（DSA）設(shè)備實現(xiàn)了全橋14個工作站的上千個通道的需求，并通過GPS時間信號和PXI背板實現(xiàn)了精確的同步采集標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器的應(yīng)用RF與通信測試上海聚星儀器公司使用NILabVIEW和基于PXI的矢量信號分析儀開發(fā)了業(yè)界性價比最高的GPS多星接收機測試?；谲浖膬?yōu)勢使得系統(tǒng)可以同時仿真多顆衛(wèi)星的信號，使接收機的功能測試更為有效。虛擬儀器的應(yīng)用聲音與振動基于NILabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境配合PXI模塊化硬件平臺，波音公司實現(xiàn)了一個數(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飛過區(qū)域時的噪音采集、回溯并對龐大的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后繪制不同噪聲等級的示意圖，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。針對不同的信號類型和接口功能，使用圖形化LabVIEW軟件對板載FPGA的NI板卡作開發(fā)，并應(yīng)用于BMW氫能7系發(fā)動機控制器的硬件測試。因為PXI平臺的可擴展性和通用性，該平臺已成功用于BMW其它不同系列發(fā)動機控制器的硬件在環(huán)測試。虛擬儀器的應(yīng)用軍事Mantech公司選用PXI作為用于美國空軍F-15E和F-16C/D高級戰(zhàn)斗機的測試系統(tǒng)LANTRIN的