当前位置:首页 >> 教学反思/汇报 >>

基于LabVIEW的虚拟仪器技术研究与应用


基于 LabVIEW 的虚拟仪器技术研究与应用
李绍稳 1 袁媛 2 汪伟伟 2 房文娟 2
(1 安徽农业大学信息学院 2 安徽农业大学园艺学院,安徽 合肥 230036)



要:LabVIEW 被认为是虚拟仪器技术最有影响力和发展前景的软件平台。本文阐述了 LabVIEW

虚拟仪器的设计原理,详细介绍了 LabVIEW 的发展历程和研究进展,并举例介绍其应用现状。最后 对基于 LabVIEW 虚拟仪器技术的前景做出展望。 关键词:LabVIEW 虚拟仪器 发展历程 研究进展 应用现状

1 引言
在这个信息技术日新月异的时代, 利用计算机和网络等技术对传统产业进行改造已是大势所趋。 虚拟仪器技术正是计算机技术及网络通信技术与传统仪器技术融合的产物。美国国家仪器公司 (National Instruments,简称 NI)于 20 世纪 80 年代中期,首先提出了“软件就是仪器(The Software is the Instrument) ”这一虚拟仪器新概念。所谓的虚拟仪器(Virtual Instrument,简称 VI) ,就是在以 计算机为核心所组成的硬件平台上,利用其显示功能虚拟仪器控制面板,测试分析功能由软件实现 的一种计算机仪器系统。 虚拟仪器技术充分利用了最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能, 一直成为发达国家自动测控领域的研究热点。虚拟仪器的核心是仪器软件化设计理念。近年来,世 界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发软件平台, 如美国 HP 公司的 HP-VEE 与 HP-TIG, Tektronix 公司的 Ez-Test 和 Tek-TNS, 以及 HEM Data 公司的 Snap -Master 平台等,但最早和最具影响力的要数 NI 公司的 LabVIEW 开发环境。 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器集成环境)是 NI 公司推出的具有革命性的图形化虚拟仪器设计平台, 它内置信号采集、 测量分析与数据显示功能, 摒弃了传统开发工具的复杂性,在提供强大测控功能的同时,还保持系统的灵活性,让您可以无缝 地集成一套完整的应用方案[1]。虽然只有近二十年的发展史,可它已经渗透到各行各业,成为科学 家和工程师们进行自动测控与仪器应用开发的首选工具。 本文就 LabVIEW 虚拟仪器技术的研究、 现 状及发展前景作一个概述。 2 LabVIEW 虚拟仪器设计原理 虚拟仪器系统一般由硬件和软件组成,硬件是虚拟仪器的基础,而软件是实现虚拟仪器的关键, 任何用户都可以通过修改软件的方法很方便地改变、增减仪器系统的功能和规模。虚拟仪器技术的 出现,开辟了用户自主设计仪器的新时代,为各层次设计者提供了广阔的思维空间。可以说,计算 机是虚拟仪器的心脏,软件是虚拟仪器的灵魂。所以,计算机硬件技术和软件技术的发展都是推动 虚拟仪器技术发展的决定性因素。构造一个虚拟仪器系统,基本硬件确定以后,就可通过不同的软 件实现不同的功能。所以,提高计算机软件编程效率就成了一个非常现实的问题。 2.1 虚拟仪器系统的硬件构成

1

虚拟仪器系统的硬件主要是由个人计算机或者工作站和硬件接口模块组成。 其中计算机是主体, 主要用来提供实时高效的数据处理性能。硬件接口模块包括仪器硬件和各种通用接口总线,主要用 来采集、传输信号。仪器硬件如各种传感器、插入式数据采集卡(DAQ) 、信号调理器等。通用接口 总线用来把独立的仪器连接到计算机上,如 RS232 串行总线、GPIB 通用接口总线、USB 通用串行 总线、VXI 总线和 PXI 总线等,可以借不同接口总线的沟通,将虚拟仪器、带接口总线的各种电子 仪器或各种插件单元调配并组建成为中小型甚至大型的虚拟仪器自动测试系统。因此计算机和硬件 接口模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、 GPIB 仪器控制系统、VXI 仪器系统以及这三者之间的任意组合。 2.2 LabVIEW 虚拟仪器应用程序的构成 LabVIEW是NI公司推出的一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境,是目前国际上 唯一的编译型图形化编程语言。它把复杂、烦锁、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法 选择功能(图形),再用线条把各种功能(图形)连接起来。LabVIEW中编写的源程序,很接近程序流程 图。所以,只要把程序流程框图画好了,程序也就差不多编好了。 LabVIEW图形编程语言中的基本编程单元是VI(Virtual Instrument,虚拟仪器) ,VI包括三个部 分:前面板(Front Panel) 、框图程序(Block Diagram)和图标(Icon)/连接器(Connector) 。前 面板既接受来自框图程序的指令,又是用户与程序代码发生联系的窗口。这个窗口模拟真实仪表的 前面板,用于设置输入和观察输出,输入量称为控件(Controls) ,输出量称为指示器(Indicators) 。 当把一个控件或指示器放到前面板上时,框图中相应地放置一个端子(Terminals) ,这个端子不能随 意被删除,只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。用户可以使用多种图标,如旋 钮、开关、按钮、图表、文本框、图形等,使前面板易看易懂。图1示意了一个利用公式产生波形图 的程序(Waveform Generation Using Formula.vi)的前面板。 每一个VI程序的前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写,可以 把它理解成传统程序的源代码。 所有VI源程序的框图都是由节点 (Nodes) 端子、 、 图框和连线 (Wires) 四种元素构成。其中,端子被用来同程序前面板的控件和指示器传递数据,节点被用来实现函数和 功能调用,图框被用来实现结构化程序控制命令,而连线代表程序执行过程中的数据流,定义了框 图内的数据流动方向。编制框图程 图1 利用公式产生波形图的程序的前面板 序时,从功能模板中选择需要的节点图标或图框,将之置于窗体面板上适当的位置,然后用连线连 接它们及框图中的端子即可。在彩色监视器上,每种数据类型以不同的颜色和线形强调显示。上述 利用公式产生波形图的程序的框图程序如图2。

图2 利用公式产生波形图的程序的框图程序 图标/连接器是子 VI 被其它 VI 调用的接口。图标是子 VI 在其他程序框图中被调用的节点表现 形式,而连接器则表示节点数据的输入/输出口,就象函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面 板的控件和指示器一一对应。图 3 是利用公式产生波形图的程序的图标和连接器。连接器一般情况
2

下隐含不显示,除非用户选择打开观察它。 图3 利用公式产生波形图的程序的图标和连接器 2.3 LabVIEW 虚拟仪器的特点 LabVIEW 给用户提供了一个理想的程序设计环境和虚拟仪器开发平台, 面向的是没有编程经验 的用户(尤其是不熟悉 C 语言或 Basic 语言的用户) ,而不是编程专家,它使得科研和工程人员可以 摆脱对专业编程人员的依赖。因此 LabVIEW 适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员,被誉 为工程师和科学家的语言。作为一种高水平的程序设计语言,同传统的编程语言相比,可以节省大 约 80% 的程序开发时间,而其运行速度却几乎不受影响,体现了极高的效率。 LabVIEW 以其直观简便的编程方式、众多源码级的设备驱动程序、多种多样的分析与表达功能 支持,满足用户的不同需求。其特点主要体现在以下几个方面:①LabVIEW 不同于基于文本的编程 语言 (如 VB 和 VC)它是一种完全图形化编程语言——通常称为 G 编程语言 , (Graphical Programming Language) ,用图标代替文本代码创建应用程序,简明直观、易学易用。②LabVIEW 的前面板是模 拟真实仪表的前面板,但是它的功能却是真实的,能够代替实际的仪器发挥作用。③LabVIEW 使用 数据流程序模式, 可同时执行多个 LabVIEW 子程序。 ④LabVIEW 中的 VI 具有模块化结构和层次化 结构,每一个 VI 可以单独执行,或者被其他程序当作子 VI 来调用。⑤LabVIEW 提供了各种各样 的、功能强大的虚拟仪器集成函数库和专用程序,以便用户能够快速组建自己的应用系统。⑥ LabVIEW 提供 DLL 接口、CIN(C Interface Node)节点,使得其成为一个开放的开发平台;还直接 支持动态数据交换(DDE) 、结构化查询语言(SQL) 、TCP 和 UDP 网络协议等。⑦LabVIEW 采用 编译方式运行 32 位应用程序,解决了用解释方式运行程序的其它图形化编程平台运行速度慢的缺 陷。⑧支持多种操作系统平台,如 Macintosh、Power Macintosh、HP-UX、Sun SPARC、Windows 3.X/98/2000/NT 等。在以上任何一个平台开发的 LabVIEW 应用程序都可以直接移植到其它平台上。 3 基于 LabVIEW 的虚拟仪器技术发展历程与研究进展 进入 80 年代,计算机在测试与控制领域应用越来越多,NI 的工程师们意识到:需要一种强大 的软件平台,让用户通过他们的计算机获得更简单有效的测试与控制。苹果公司的 Macintosh 为这 种即将诞生的图形化软件语言提供了一个最好的环境:G 语言。不久后,也就是 1983 年 6 月,NI 为基于计算机的测量和自动化开发出的一个软件包——LabVIEW 问世。 它的目标是简化程序的开发 工作,让工程师和科学家能充分利用 PC 机的功能,快速简便地完成自己的工作[2]。1986 年 10 月推 出的 LabVIEW 1.0 For Macintosh 引发了仪器工业的革命。1990 年 1 月,Macintosh 机的第二版推出, 它提供了图形编译功能,使得 LabVIEW 中的 VI 可以与编译 C 语言一样的速度运行。1992 年, LabVIEW 的多平台版本问世, 使其可以在 Macintosh、 Microsoft Windows 环境以及 Sun Solaries 等平 台上运行。1993 年 10 月,LabVIEW 3.0 版本开发完成,同时提供给用户的是一个应用系统生成器 (Application Builder) ,它使得 LabVIEW 的 VI 变成一个可以独立运行的程序[3]。为了支持更多的操 作系统平台,1994 年 4 月,LabVIEW for Windows 32 推出,紧接着在同年 10 月又推出了 LabVIEW for power Macintosh。 1995 年 10 月, LabVIEW for Windows 95 开发成功。 1997 年 5 月, LabVIEW 4.0 版本问世 。1998 年 2 月,版本升级到 LabVIEW 5.0 。1999 年 2 月,LabVIEW for Linux 问世,同 年 NI 公司推出了基于 Windows 95/Windows NT4.0 的 LabVIEW 5.1,它特别增加了网络功能,借着
3

它的新 NI DataSocket 技术,用户可与其 Internet 启动应用程序共用数据,不用担心网络协议或数据 格式,从而提高了开发网络应用程序的能力。2000 年 8 月 LabVIEW 6i 问世,不仅适用于更多的操 作系统平台,而且将智能化测量与控制技术进一步扩展到了 Internet 网。2001 年 12 月,版本升级到 LabVIEW 6.1。2003 年 5 月,NI 公司推出了 LabVIEW 7 Express 版本,这是该公司 LabVIEW 图形化 编程语言全系列产品的一次重要升级。它极大地简化了测量和自动化应用任务的开发,同时还将 LabVIEW 使用范围进行了扩充。其新特性包括 Express VI(虚拟仪器程序)和交互式仪器控制与数 据采集,并新增 RT(实时) 、FPGA 和 PDA 模块。一年后,LabVIEW 7.1 迅速推出,它将 Express 技术扩展到自动化测量技术和 RT 应用系统中。 经过二十多年的发展, 现在的 LabVIEW 已经成为一个功能强大而又灵活的虚拟仪器和分析软件 应用开发工具。 基于 LabVIEW 的虚拟仪器技术的研究是虚拟仪器适应形势发展的必然要求。 随着近 年来互联网技术的发展,虚拟仪器网络化已经成为研究的热点之一。虚拟仪器不再局限于一台独立 的 PC 机,仪器使用联接功能来分配工作任务变得越来越普遍,最典型的例子就是超级计算机、分 布式监控设备及数据/结果远程可视化。另外,商业计算机(PC 机)技术开始逐渐与嵌入式系统融 合,虚拟仪器的功能也在进一步扩展,包括了更多嵌入式和实时功能。随着消费者对智能型汽车、 电器和住宅等消费品需求的增加,嵌入式系统仍然会保持迅猛的发展势头。它的发展促进虚拟仪器 实用性的开发,使其能应用到更多不同的领域中。下一代虚拟仪器将能够快速方便地与蓝牙 (Bluetooth) 、无线以太网和其他标准的网络技术融合。此外,虚拟仪器软件还要能更好的描述与设 计分布式系统之间的定时和同步关系,以便帮助用户更快速地开发和控制这些常见的嵌入式系统[4]。 4 基于 LabVIEW 的虚拟仪器技术应用现状 LabVIEW 自诞生以来,在研发设计、实验测试验证、生产测控等方面取得了广泛的应用,遍布 电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工、科研、教育、军事等诸多行业领域。从交通监 控系统到大学实验室, 从部件自动测试到工业过程控制都有 LabVIEW 的存在, 尤其在测试与测量领 域,LabVIEW 更是成为工业标准,其国际市场的占有率高达 65%,远远超过了其竞争对手[5]。这些 都充分表明 LabVIEW 应用的广泛性和实用性。 目前,虚拟仪器在发达国家中的设计、生产、使用已经十分普及。在美国,虚拟仪器系统及其 图形编程语言已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国斯坦福大学的机械工程系要求三、四 年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。美国 Geomatica 公司利用基于 LabVIEW 的虚拟仪器技术开发的一套 AgriMate 自动灌溉系统,已成为当地农民监控用水、降低费 用的有效工具[6]。阿尔卡特公司采用 LabVIEW 在很短的时间里开发了一套自动测试平台,用于测量 Litespan 系统中 ISDN 电话设备的比特误码率 (BER) 挪威 CARDIAC 公司开发的基于 LabVIEW 平 。 台的测试海洋石油、 大气、 水流的 MPFM 系统[7]已经成功应用。 在欧洲外壳石油钻探平台, LabVIEW 实时软件运行在紧凑型 FieldPoint I/O 模块上,测量石油和天然气的压力和液位[8]。 我国虚拟仪器的设计、生产、使用起步不久。从 90 年代开始,国内的一些大学相继开展了虚拟 仪器系统的研究与开发工作,如:清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、国防科技大学、成都电 子科技大学、中国科技大学等[9]。现在,国内已经有不少公司、科研院所进行虚拟仪器技术的研究。 清华大学用 G 语言和虚拟仪器提升电工实验教学水平, 改善了实验条件; 该校机电系以 LabVIEW 6i 软件为平台,采用 NI 公司的多功能数据采集卡,并结合自行研发的采集装置,开发了一套具有采集 分析和特征提取功能的先进脑电模型信号测量系统。相比以前的利用 A/D 转换器与计算机进行并口
4

通讯的方式,大大减少了开发周期,提高了测量质量,而且界面美观、接口方便。中国科学院构建 了基于 LabVIEW 的同步辐射实验系统。 系统应用表明, 语言有利于实验室标准化和实验系统的持 G 续发展更新,非常适用于同步辐射这种大型综合实验。上海毛麻科学技术研究所应用 NI 的 DAQ 和 LabVIEW,构建了数据检测处理系统,用于服装面料的质量测定。从 1998 年投入使用以来,提高了 整个质量测定系统的精确度和稳定性。上海法雷奥汽车电机雨刮系统有限公司利用 LabVIEW 和 NI 公司的数据采集卡,研制了一套在线检测系统,已成功地应用到大众宝来 A4 轿车雨刮器电机生产 中,在线测试电机电性能及电机振动量,同时进行测试数据存储及条形码打印。上海聚星仪器有限 公司是 NI 在中国的联盟商之一(VI Service Network) ,致力于汽车电子、电信产品的测试与测量, 运用 LabVIEW 和 NI-DAQmx,仅仅在一个月的时间内就完成支持 2.5G 手机的整个 EDGE 测试系统 的集成。解决方案与原先的传统解决方案相比,成本降低了将近一半,同时使测试能力得到大大扩 展。THOMSON SDM 在深圳的公司,利用 NI 公司的温度模块 (FP-TC-120)和湿度模块(FP-AI-111) 作为硬件,LabVIEW 6.1 作为软件支持,动态实时地监控公司内二十多个试验箱内的交变温湿度。 广西省也有利用 LabVIEW 开发平台, 实现农作物繁育环境监测自动化、 数据记录无纸化和参数统计 图表化的试验案例。目前在诸多成功案例中,有不少正在向商业化发展。 5 前景 LabVIEW作为一个功能强大的图形化编程软件,是开发虚拟仪器的一种方便快捷的工具。作者 认为,基于LabVIEW的虚拟仪器技术将沿着高性能、多功能、集成化和网络化方向发展。首先,性 能将进一步提高。为了满足不同领域、不同用户的需求,LabVIEW的性能将不断增强,实时性也将 越来越好。其次,目前虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准,使得资源的可重复利用率提 高,功能易于扩展,生产、维护和开发的费用降低,这些非常有利于LabVIEW应用范围的扩大。最 后,随着Internet技术的发展,基于LabVIEW的虚拟仪器技术也必将朝着网络化方向发展。未来,网 络化虚拟仪器将有无限的发展前景。继“计算机就是仪器”、“软件就是仪器”概念之后,“网络就是仪 器”的提法也已出现,它确切地概括了仪器的网络化发展趋势[11]。利用网络和虚拟仪器技术建立设备 远程监测及故障诊断系统是一个新的发展方向,它采用LabVIEW构造虚拟仪器的平台,再结合其它 相关的技术如DataSocket技术和底层传输协议(TCP,UDP,DDE,PPC或Appleevent)编程等来实 现远程网络监测与诊断。目前这一技术已经取得一定成果,远程联网监测分析技术也越来越得到重 视。 基于LabVIEW的虚拟仪器技术还在向更广泛的领域发展。作者认为,把LabVIEW虚拟仪器技术 应用到农业领域也有很大的发展空间。国外已经有在农业上应用的成功案例,国内目前应用的还很 少,大多处于研究试验阶段。例如,利用LabVIEW开发农业气象实时监测系统,可以及时采集各种 气象环境数据,为农业天气及灾害预报、病虫害预测预报以及农作物的栽培管理提供及时准确的信 息。自动化、智能化、网络化和数字化将是今后农业发展的主要方向之一,而基于LabVIEW的虚拟 仪器技术正是适应了这种现代农业的发展要求。因此,它将会在现代农业测试、农业自动化和农业 信息化方面有所突破和发展。 参考文献 [1] http://ni.com/aap/zhs/ [2]http://www.cetinet.com/t_article/list.asp?indexid=1373
5

[3]刘仁普, 左毅. 仪器开发系统的新纪元——LabIEW 软件系统. 电子科技导报,1995, (11):32-35 [4] 虚拟仪器白皮书,NI 公司,2003 [5] 王瑞林. 虚拟仪器技术在我国的应用前景. 新疆大学学报(理工版) ,2001,18(1) :27-30 [6]http://www.kdntc.edu.cn/nic/netstudy/wsjs/tongxin/yibiao/005.htm [7] National Instruments. LabVIEW—Virtual Instrument Tools for C/C++,1996,1-10 [8]http://sbcserve.cumt.edu.cn/internetshiyanshi/new%20techknowlege/IO%20mokuaiweixinghua.htm [9] http://www.ecee.net [10]http://www.vip.qschina.com/html/tradeinfo/html/2003/12/19/2372.html [11]http://info.cm.hc360.com/html/001/002/002/31142.htm

6


赞助商链接
相关文章:
基于LabVIEW的虚拟仪器技术
基于LabVIEW的虚拟仪器技术_理学_高等教育_教育专区。...和应用灵活性上不逊于任何高级语言, 因此 LabVIEW ...2015年研究生复试指导 赢在复试——考研复试必胜4堂...
基于labview的温度采集系统研究与设计--毕业论文
基于labview的温度采集系统研究与设计--毕业论文_工学_高等教育_教育专区。基于...工业发达国家已经将虚拟仪器技术广泛应用于航天、通讯、生物医学、地球 物理、电子...
基于LabVIEW的虚拟仪器设计研究
LabVIEW 基于 LabVIEW 的虚拟仪器设计研究 第一章 1.1 问题的提出 绪论 由于...技术、 计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器 领域中的应用,...
基于labvIEW的虚拟仪器信号发生器的设计
基于虚拟仪器的实验室,而且还开设了 LabVIEW 编程...采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、...第 1 章.主要阐述了课题研究的背景、研究意义以及...
虚拟仪器的技术及其应用
2.虚拟仪器技术的国内外研究概况 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术...基于 LabVIEW 8.0 DataSocket 技术的 基于虚拟仪器技术的振动测试系统及模块设计...
基于Labview的员工管理系统
通过设计重点研究树形控件的使用和在 员工管理系统中的应用,学会事件结构、条件...基于 LabVIEW 的虚拟仪器技术及其应用[J].中国科技信息,2006, (13)8:209~210...
基于Labview的设施农业控制方法研究
本课题是基于 labview 的设施 农业方法控制研究,利用虚拟仪器技术,根据作物的生长特点,对温室中的主要 环境因子进行采集,显示,控制和输出,根据监控信息的状态,计算机...
基于LabVIEW的虚拟仪器教学系统的设计
测试技术与科学研究、工程师工程实践密切相关。科学技术的发展 促进了测试技术的...基于 LabVIEW 的虚拟仪器教学系统的设计 虚拟仪器可广泛应用于电子测量、电力工程...
基于labview的信号发生器-虚拟仪器的发展与应用 毕业设...
基于labview的信号发生器-虚拟仪器的发展与应用 毕业设计文献综述_工学_高等教育...2 国内外虚拟仪器研究的现状从虚拟仪器概念提出至今,有关虚拟仪器 技术研究...
基于LabVIEW的虚拟仪器设计研究
126 基于 LabVIEW 的虚拟仪器设计研究* 谢国善 熊鹏俊 (海军驻武汉七一九所军事代表室 武汉 430064) 摘要 文章介绍了基于 LabVIEW 软件虚拟仪器的技术特点和设计...
更多相关标签: