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第一讲 虚拟仪器及LabVIEW基础


第一讲 虚拟仪器及LabVIEW基础

Graphical Programming

成绩的标准
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两种获得学分的方法: 1、出勤+作业+上机+期末测试 出勤→缺勤次数不可以达到3次 作业→应该自己做 上机→(掌握基本操作) 期末测试
注:期末有两周的课程设计

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教学软件及参考书
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教学软件采用英文版Labview 7.1 希望大家加强对科技英语的学习

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参考书《Labview 7.1编程与虚拟仪器设计》 侯国屏编著,清华大学出版社


1.2 虚拟仪器的特点



1.1 虚拟仪器的基本概念 1.3 虚拟仪器的组成
1.4 虚拟仪器和LabVIEW的发展

1.5 LabVIEW的特点
1.6 LabVIEW的安装 1.7 LabVIEW的窗口和模板

1.1 虚拟仪器的基本概念
虚拟仪器(Virtual Instrument,简称VI) 是以计算机为基础 ,配以相应测试功能的硬 件作为信号输入输出的接口, 完成信号的采集、 测量与调理,由用户自己设计定义,具有虚拟的

操作面板,测试功能由测试软件来实现的一种计
算机仪器系统。

仪器的发展历史
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第一代仪器:模拟仪器 第二代仪器:数字化仪器 第三代仪器:智能仪器
前三代属于传统仪器,如示波器、电压表、频 率计、信号源等,是具有特定功能和仪器外观的测 试设备。

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第四代仪器:虚拟仪器

虚拟仪器前面图

虚拟仪器程序框图

虚拟的含义
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虚拟的仪器面板 传统仪器面板上的器件都是实物,而虚拟仪器面板控 件是外形与实物相像的图标,其操作对应着相应的软件 程序,使用鼠标式键盘操作虚拟面板的控件。 虚拟仪器的测控功能 传统的仪器特别是早期的仪器,它的功能是通过硬件 来实现的,而虚拟仪器是通过软件编程来实现的
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传统仪器 厂商定义功能

虚拟仪器 用户定义功能

虚拟仪器起源
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虚拟仪器是以计算机为核心的,是仪器系统与计算机软件 技术的紧密结合。这种结合有两种方式:将计算机装入仪 器的智能仪器和将仪器装入计算机的嵌入式仪器。虚拟仪 器主要是指后一种方式, 是以通用的计算机硬件及操作系 统为依托,实现各种仪器功能。 美国国家仪器(National Instrument,简称NI)公司于20 世纪80年代中期首先提出“软件就是仪器”(The Software Is The Instrument)的虚拟仪器概念。

虚拟仪器的基本功能
信号调理与采集:硬件平台实现
数据分析和处理:软件实现 参数设置和结果表达:计算机人 机对话功能实现

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厂家 定义

用软件在屏幕上生成仪器 面板,用软件来进行信号处理 分析,实现传统仪器的功能。

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用户 定义

传统仪器

虚拟仪器

1.2 虚拟仪器的特点
传统仪器仪表:本身带有输入输出能力,仪表上 有按钮、旋钮、标度尺、图形等功能。仪器内部 包含有数模、模数转换器、微处理器、存储器、 总线等,所有的电路都是固定的。仪器把信号输 入后,通过内部的处理,得出结果。

虚拟仪器:是以计算机为核心,充分利用计算机
强大的显示、处理、存储能力来模拟物理仪表的

处理过程。

传统仪器仪表 功能由仪表厂家定义

虚拟仪器 功能由用户自定义

功能确定,与其他设备的 面向应用,可以方便地 连接受到限制 连接其他设备
关键为硬件 关键为软件

价格昂贵

价格便宜,可再利用

封闭、功能固定、单一, 以计算机为支撑,开放 不能更改 性好,功能灵活

技术更新慢 开发和维护费用高

技术更新快 硬件结构大大减少

虚拟仪器构成
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虚拟仪器被划分为数据采集与控制、数 据分析处理、结果表达三大功能模块。
信号处理 网络传输

PC-DAQ采集卡 GPIB仪器 串口仪器

数字滤波 统计 分析

磁盘复制

VXI仪器

文件I/O 图形用户接口 结果表达

PXI仪器 数据采集与控制

数据分析处理

虚拟仪器构成
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虚拟仪器由硬件平台和应用软件两大部 分构成。 其组成图如下:
工作站或PC机

PC-DAQ接口

GPIB接口

VXI接口

PXI接口

串 行接口

被测信号

1.3 虚拟仪器的硬件系统组成
信号调理 GPIB 接口仪器 测 控 对 象 DAC 卡 GPIB 接口卡

VXI/PXI 接口模块 串行口仪器/PLC 现场总线设备 其他计算机硬件板卡

计 算 机 软 件 系 统

虚拟仪器构成形式
基于数据采集卡的虚拟仪器 基于GPIB方式的虚拟仪器 基于VXI总线方式的虚拟仪器 基于PXI总线方式的虚拟仪器 基于LXI总线方式的虚拟仪器

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基于数据采集卡的虚拟仪器
开放式的、多厂商标准的测试测量和自动化平台 在以PC 机为基础的虚拟仪器中,插入式数据采 集卡DAQ (Data Acquisition)是虚拟仪器中最常用 的接口形式之一。其功能是将现场数据采集到计算 机,或将计算机数据输出给受控对象。

测量模块 用于模拟和数字输入输出,范围从高分辨率DC至 2.7 GHz RF信号。 工业模块 运动控制、机器视觉以及模拟和数字I/O模块,用 于工业级PXI/CompactPCI应用。 PXI开关 灵活的高通道开关模块,具有通用继电器,多路 复用器和矩阵开关特性 总线接口模块 用于千兆以太网、串口、SCSI、CAN、 VXI、 DeviceNet、 FireWire、 CardBus及其它总线连接

GPIB——通用接口总线
General Purpose Interface Bus(简写为GPIB)是由IEEE协会规

定的一种ANSI/IEEE 488总线标准.
是传统测试仪器在数字接口方面

的延伸和扩展

GPIB 电缆 GPIB Interface

DMM

基于VXI总线方式的虚拟仪器
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VXI总线(VMEbus Extension for Instrumentation)具有标准开放、结构 紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步准 确、模块可重复利用、众多厂家支持等 优点得到广泛应用。
CPU 仪器1 仪器2 RAM 仪器3

主控 计算机

单CPU系统

基于PXI总线方式的虚拟仪器
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PXI( PCI eXtensions for Instrumentation) 总线是NI公司在1997年9月1日推出的全新的开放 性、模块化仪器总线规范。它以CompactPCI为基 础,是PCI总线面向仪器领域的扩展。
PXI 机箱

PXI 模块 主控计算机 MXI-3 模块

MXI-3是NI公司新一代的多系统扩展接口(multisystem extension interface,MXI) 产品,是目前世界上最快的用于PC机控制PXI/CompactPCI模块的串行连接。

基于LXI总线方式的虚拟仪器
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2004年9月,VXI 科技公司和安捷伦公司共同推出一 种适用于自动测试系统的新一代基于局域网(LAN) 的模块化测量仪器接口标准LXI(LAN-based eXtensions for Instrumentation),即LAN的仪器 扩展。

通用总线接口 串行设备 数据采集 VXI 图像采集 运动控制

测试过程或 对象

PCI扩展版 =PXI

虚拟仪器的软件
虚拟仪器软件层次结构

仪器面板控制软件 数据分析处理软件 仪器驱动程序 输入/输出接口软件

虚拟仪器的软件
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输入/输出(I/O)接口软件
I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间,是一个 完成对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作,为仪器 驱动程序提供信息传递的低层软件,是实现开放的、统一 的虚拟仪器系统的基础和核心。

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仪器驱动程序
仪器驱动程序是连接上层应用软件和低层I/O软件的纽 带和桥梁。仪器生产厂家在提供仪器模块的同时提供仪器 驱动程序

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应用软件
上层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分析处 理软件。一般是在仪器硬件厂商提供的I/O接口软件\仪器 驱动程序基础上进行应用软件开发。

虚拟仪器的软件开发平台
基于文本式编程语言开发工具 LabWindows/CVI, VC++, C++Build, VB, Delphi等。

基于图形化编程语言开发工具
LabVIEW(NI公司),HP VEE(HP公司)

虚拟仪器系统
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以数据采集卡PC-DAQ接口的虚拟仪器为例, 虚拟仪器的整体结构如图
信 号 调 理 电 路 数 设 据 备 卡 驱 动
面板程序 应用程序 虚拟仪器开发平台 PC 机

被 测 信 号

传 感 器

虚拟仪器的优势
? 丰富和增强了传统仪器的功能。 虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中 交由计算机来处理。 ? 仪器由用户自己定义。 ? 开放的工业标准。 虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准,使资源的 可重复利用率提高,功能易于扩展,管理规范,生产、维护 和开发费用降低。 ? 便于构成复杂的测试系统。 可通过网络构成复杂的分布式测试系统,进行远程测试、 监控、和诊断。可节约仪器购买和维护费用。

虚拟仪器的应用
航空 航天 教学 核工业 军工 通信测试 铁道 …….

虚拟仪器的实际应用

LabVIEW的基本概念
LabVIEW (Laboratory Virtual
Instrument Engineering Workbench,

实验室虚拟仪器工程平台 ) 是美国 NI
公司推出的一种基于 G 语言 (Graphics Language, 图形化编程语言)

的虚拟仪器软件开发工具。

1.4 虚拟仪器和LabVIEW的发展
1976年,美国National Instruments-NI创立; 1986年,NI推出虚拟仪器概念及LabVIEW语言;

十多年前,了解虚拟仪器的人寥寥无几;
2004年,LabVIEW从4.0版本更新到7.1版本;

清华大学、北京科技大学、北京理工大学、北京联
合大学等高校都建立了虚拟仪器实验室;

LabVIEW是目前国际唯一的编译型图形化编程语
言。在以PC机为基础的测量和工控软件中,其市 场普及率仅次于C++/C语言。

1.5 LabVIEW的特点
流程图式编程,并能同时运行多个程序的多任务
系统; 提供了用于数据采集、分析、表达及数据存储的 函数库; 提供如设置断点、单步运行、高亮执行等调试工 具, 使程序的调试和开发更为便捷; 具有强大的外部接口能力,可以实现 LabVIEW 与

外部的应用软件(如Word,Excel)、C语言、
MATLAB等语言之间的通信;

LabVIEW的特点
内置了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-232 和 RS-485在内的各种仪器通信总线标准的所有 功能函数,支持数据采集卡和GPIB、串口设备、 VXI仪器、PLC、工业现场总线以及用户特殊的 硬件板卡; 强大的Internet功能,内置了便于应用TCP/IP、 DDE、Active X 等软件标准的库函数。支持常用 网络协议,方便网络、远程测控仪器的开发。

1.6 LabVIEW系统安装
运行安装光盘中的setup程序,选择
必要的安装选项一步步即可完成; 随LabVIEW系统光盘,NI公司提供 数张专门的仪器驱动光盘供用户选

择.

LabVIEW 7.1系统目录

LabVIEW启动
双击快捷方式
LabVIEW即可 启动LabVIEW

LabVIEW启动
第一个启

动界面:
选择查看 帮助文档、

升级提示

LabVIEW启动
第二个
启动界
创建一个空白 VI或从模板生 成一个VI 打开一个最近 操作过的VI或 打开例程

面:

1.7 LabVIEW的空VI窗口
空VI包括两个无标题(Untitled)窗口
前面板开发窗口: 编辑和显示前面板对象

框图程序窗口(流程图编辑窗口):
编辑和显示框图程序

窗口主选单栏

窗口快捷工具栏

LabVIEW的操作模板

工具模板:
用于操作编辑 前面板和流程 图上对象的各

种工具

LabVIEW的操作模板 控制模板: 给前面板添加 输入控制件和 输出显示件

LabVIEW的操作模板 功能模板: 是创建框图程 序的工具,在

流程图中使用


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