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05 虚拟仪器软件LabVIEW


计算机测控系统
—— 虚拟仪器软件 虚拟仪器软件LabVIEW

李江全

石河子大学机电学院电气工程系 2008年12月 年 月

虚拟仪器概述

虚拟仪器发展

National Instrument公司提出的计算机虚拟仪器 公司提出的计算机虚拟仪器

虚拟仪器 Virtual Instrument 简称VI 简称

虚拟仪器的概念1 虚拟仪器的概念1 :
用软件构造的, 看得见、摸不着、断电即逝” 用软件构造的,“看得见、摸不着、断电即逝”,既是 PC机又是仪器的“仪器”又称为“虚拟仪器”。 机又是仪器的“ 机又是仪器的 仪器”又称为“虚拟仪器” 包含实际仪器使用、操作信息的软件与PC机结合构成的仪 包含实际仪器使用、操作信息的软件与PC机结合构成的仪 PC 就称之为虚拟仪器。 器,就称之为虚拟仪器。 或者说,虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的PC机仪器, 或者说,虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的PC机仪器,它 PC机仪器 PC机 一系列功能化硬件模块和控制软件组成。 由PC机、一系列功能化硬件模块和控制软件组成。

虚拟仪器的概念2: 虚拟仪器的概念 : 虚拟仪器就是以通用计算机为核心的硬件平台上, 虚拟仪器就是以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定 义、具有虚拟面板、测试功能有测试软件实现的一种计算机 具有虚拟面板、 仪器系统。 仪器系统。 PC机+仪器板卡+应用软件构成计算机虚拟仪器 机 仪器板卡+

虚拟含义两方面 一方面:虚拟仪器的面板是虚拟的 一方面:虚拟仪器的面板是虚拟的; 另一方面: 另一方面:虚拟仪器测量功能由软件编程来实现的。

计算机就是仪器, 计算机就是仪器,软件就是仪器
虚拟仪器采用计算机开放体系结构来取代传统的单机测量仪器

虚拟仪器工作原理 利用PC显示器( 利用 显示器(CRT)的显示功能模拟传统仪器的控制面板 显示器 ) 以各种形式输出检测结果 接口设备完成信号的采集、 由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理 接口设备完成信号的采集 用软件实现信号数据的运算、分析、 用软件实现信号数据的运算、分析、处理

虚拟仪器的特点

1)软件是虚拟仪器的核心 )
虚拟仪器的硬件确立后, 虚拟仪器的硬件确立后,它的功能主要是通 过软件来实现的, 过软件来实现的,软件在虚拟仪器中具有重要的 地位。美国国家仪器公司( ) 地位。美国国家仪器公司(NI)就曾提出一个 著名的口号: 软件就是仪器” 著名的口号:“软件就是仪器”。

2)虚拟仪器的性价比高 )
一方面, 一方面,虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的 测量,同时, 测量,同时,由于信号的传送和数据的处理几乎都是靠 数字信号或软件来实现的, 数字信号或软件来实现的,所以还大大降低了环境干扰 和系统误差的影响。 和系统误差的影响。 另一方面, 另一方面,用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的 功能,这缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期。 功能,这缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期。此 外,采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节,从 采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节, 而降低系统的开发成本和维护成本,因此, 而降低系统的开发成本和维护成本,因此,使用虚拟仪 器比传统仪器更经济。 器比传统仪器更经济。

3)虚拟仪器的出现缩小了仪器厂商与用户之间 ) 的距离
虚拟仪器使得用户能够根据自已的需要定义仪器功 能,而不像传统仪器那样,受到仪器厂商的限制,出现 而不像传统仪器那样,受到仪器厂商的限制, 厂商提供的仪器功能与用户要求不相符合的情况。利用 厂商提供的仪器功能与用户要求不相符合的情况。 虚拟仪器,用户可以组建更好的测试系统, 虚拟仪器,用户可以组建更好的测试系统,并且更容易 增强系统的功能。由于 机能提供远胜于仪器内部的处 增强系统的功能。由于PC机能提供远胜于仪器内部的处 理能力,因此,借助于一台通用数据采集系统( 理能力,因此,借助于一台通用数据采集系统(或板 卡),用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。 ),用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。 用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器

4)虚拟仪器具有良好的人机界面 )
在虚拟仪器中, 在虚拟仪器中,测量结果是通过软 件在计算机显示器上生成的, 件在计算机显示器上生成的,与传统仪 器面板相似的图形界面由软面板来实现。 器面板相似的图形界面由软面板来实现。 因此,用户可根据自己的爱好, 因此,用户可根据自己的爱好,通过编 制软件来定义他所喜爱的面板形式。 制软件来定义他所喜爱的面板形式。

5)扩展性强 )
NI的软、硬件工具使得工程师和科学家不再局限 的软、 的软 于当前的技术。得益于 软件的灵活性 软件的灵活性, 于当前的技术。得益于NI软件的灵活性,只需更新用 户的计算机或测量硬件,就能以最少的硬件投资和极 户的计算机或测量硬件, 少的、 少的、甚至无需软件上的升级即可改进用户的整个系 统。在利用最新科技的时候,用户可以把它们集成到 在利用最新科技的时候, 现有的测量设备, 现有的测量设备,最终以较少的成本加速产品上市的 时间。 时间。

6)虚拟仪器具有和其它设备互联的能力 )
如和VXI总线或现场总线等的接口能力。此外,还可 总线或现场总线等的接口能力。此外, 如和 总线或现场总线等的接口能力 以将虚拟仪器接入网络, 以将虚拟仪器接入网络,如Internet等,以实现对现场生 等 产的监控和管理。 产的监控和管理。

7)虚拟仪器的软、硬件都具有开放性、模块化、 )虚拟仪器的软、硬件都具有开放性、模块化、 可重复使用及互换性等特点。因此, 可重复使用及互换性等特点。因此,用户可以根 据自己的需要灵活组合,大大提高了使用效率, 据自己的需要灵活组合,大大提高了使用效率, 减少了投资。 减少了投资。

虚拟仪器与传统仪器的区别 在通用硬件平台上, 在通用硬件平台上,软件取代传统仪器的硬件实现仪器的功能 用户根据需要由应用软件来定义仪器的功能, 用户根据需要由应用软件来定义仪器的功能,而不是厂家定义 提高仪器性能或构造新仪器功能,由用户通过改变软件来实现 提高仪器性能或构造新仪器功能, 研制周期较传统仪器大为缩短 虚拟仪器采用计算机开放体系结构来取代传统的单机测量仪器 虚拟仪器开放、灵活、可与计算机同步发展, 虚拟仪器开放、灵活、可与计算机同步发展,可与网络及其它 周边设备互联 软件即仪器” “虚拟仪器的关键是软件——软件即仪器” 虚拟仪器的关键是软件 软件即仪器

虚拟仪器的基本结构
虚拟仪器由仪器物理硬件、 虚拟仪器由仪器物理硬件、硬件接口和计算机上运行的虚拟仪器软件三部 分构成,如图4-7所示 虚拟仪器的软件是核心、关键部分, 所示。 分构成,如图 所示。虚拟仪器的软件是核心、关键部分,用于实现对仪器 硬件通信和控制,对信号进行分析处理,对结果表达和输出。 硬件通信和控制,对信号进行分析处理,对结果表达和输出。

硬件功能模块构成方式

VXI系统:是以VXI标准总线仪器为计算机为硬件平台组成的测 系统:是以 系统 标准总线仪器为计算机为硬件平台组成的测 试系统。 试系统。 串口系统:是以RS232标准串行总线仪器与计算机为硬件平台 串口系统:是以 标准串行总线仪器与计算机为硬件平台 组成的测试系统。 组成的测试系统。 现场总线系统:是以 现场总线系统:是以FieldBus标准总线仪器与计算机为硬件平 标准总线仪器与计算机为硬件平 台组成的测试系统

PC-DAQ测试系统:是以数据采集卡、信调理电路及计算机 测试系统:是以数据采集卡、 测试系统 为仪器硬件平台组成的测试系统 DAQ卡与计算机及软件组成虚拟测试仪器的一般方式如图

GPIB系统:是以 是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组 是以 标准总线仪器与计算机为硬件平台组 成的测试系统。 成的测试系统。

利用GPIB设备与计算机组成的虚拟仪器系统一般有串行联接 如下 设备与计算机组成的虚拟仪器系统一般有串行联接(如下 利用 设备与计算机组成的虚拟仪器系统一般有串行联接 所示)、 如下图(b)所示 和混合联接三种方法。 图(a)所示 、星型联接 如下图 所示 和混合联接三种方法。 所示 星型联接(如下图 所示)和混合联接三种方法

(a) GPIB设备的串行连接 设备的串行连接

(b) GPIB设备的并行连接 设备的并行连接

虚拟仪器的软件
在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是解决信号的输入/ 在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是解决信号的输入/输出 问题的方法和软件赖以生存、运行的物理环境, 问题的方法和软件赖以生存、运行的物理环境,软件才 是整个仪器的核心构件, 是整个仪器的核心构件,任何使用者只要通过调整或修 改仪器的软件, 改仪器的软件,便可方便地改变和增减仪器的功能和规 甚至仪器的性质。在很大程度上, 模,甚至仪器的性质。在很大程度上,虚拟仪器系统能 否成功地运行,就取决于虚拟仪器的软件。 否成功地运行,就取决于虚拟仪器的软件。 虚拟仪器的软件可以分为几个层次, 虚拟仪器的软件可以分为几个层次,其中包括仪器驱动 程序、应用程序和软面板程序。 程序、应用程序和软面板程序。

虚拟仪器软件结构
应用软件 包括 两方面程序 实现虚拟面板功能的前面板软件程序 定义测试功能的流程图软件程序 I/O接口仪器驱动程序 接口仪器驱动程序 功能:完成特定外部硬件设备的扩展、 功能:完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信

虚拟仪器软件的典型单元模块
虚拟仪器的核心是软件,其软件模块主要由硬件板卡驱动模块, 虚拟仪器的核心是软件,其软件模块主要由硬件板卡驱动模块, 信号分析模块和仪器表头显示模块三类软件模块组成 硬件板卡驱动模块:通常由硬件板卡制造商提供, 硬件板卡驱动模块:通常由硬件板卡制造商提供,直接在其提 供的DLL或ActiveX基础上开发就可以了 供的 或 基础上开发就可以了 信号分析模块: 信号分析模块:功能主要是完成各种数学运算 仪器表头显示模块 :仪表显示常用的软件仪表盘显示模块 仪表显示常用的软件仪表盘显示模块

虚拟仪器的软件开发平台目前主要有两类: 虚拟仪器的软件开发平台目前主要有两类: 第一类是基于传统语言的C、 第一类是基于传统语言的 、Visual Bsaic、Visual C++、Delph 、 、 等 第二类是基于图形组态和编程的图形组态软件, 第二类是基于图形组态和编程的图形组态软件,如HP公司的 公司的 VEE、HEM公司的 、 公司的Snap-Master、IOtech公司的 公司的Dasylab、等 公司的 、 公司的 、 美国国家仪器公司( )作为测试领域最知名的公司之一, 美国国家仪器公司(NI)作为测试领域最知名的公司之一, LabWindows/CVI和LabVIEW是其推出的两款专业测试软 / 和 是其推出的两款专业测试软 件开发平台。 件开发平台。

Labview开发的温度测量仪的前面板图和 开发的温度测量仪的前面板图和Diagram 连线图 开发的温度测量仪的前面板图和

Dasylab Windows、DIRECT VIEW for WINDOWS、和 、 、 Process Control Software for Windows等针对测控领域的虚拟 等针对测控领域的虚拟 仪器软件

虚拟仪器软件 LabVIEW

LabVIEW的特点: 的特点: 的特点 1)图形化编程环境 ) 2)可重用性高 ) 3)开发功能高效、通用 )开发功能高效、 4)支持多种仪器和数采硬件的驱动 ) 5)查错、调试能力强大 )查错、

LabVIEW的操作步骤参见配套光盘: LabVIEW的操作步骤参见配套光盘: 的操作步骤参见配套光盘 \视频教学\第2章 LabVIEW程序设 视频教学\ 程序设 计基础\ 2.4 LabVIEW程序设计步骤 程序设计步骤.exe 计基础\ 程序设计步骤

LabVIEW与串口通信 与串口通信

LabVIEW串口通信功能模块 串口通信功能模块 中函数模板的Instrument I/O 子模板中的 在LabVIEW8.2中函数模板的 中函数模板的 Serial子模板内包含进行串口通信操作的一些功能模块, 子模板内包含进行串口通信操作的一些功能模块, 子模板内包含进行串口通信操作的一些功能模块 如图所示。 如图所示。

LabVIEW串口通信步骤 串口通信步骤

1)VISA Configure Serial Port模块: Port模块: 模块 功能:从指定的仪器中读取信息,对串口进行初始化, 功能:从指定的仪器中读取信息,对串口进行初始化,可设置 串口的波特率、数据位、停止位、校验位、缓存大小及流量 串口的波特率、 数据位、 停止位、 校验位、 控制等参数。 控制等参数。 输入端口参数设置: 输入端口参数设置: VISA resource name:指定要打开的资源,即设置串口号; :指定要打开的资源,即设置串口号; baud rate:设置波特率(默认值为 );data bits:设置 :设置波特率(默认值为9600); ); : 数据位(默认值为8); );stop bits:设置停止位(默认值为 数据位(默认值为 ); :设置停止位(默认值为1 );parity:设置奇偶校验位(默认为 ,即无校验)。 位); :设置奇偶校验位(默认为0,即无校验)。

2)VISA Write模块: Write模块: 模块 功能:将输出缓冲区中的数据发送到指定的串口。 功能:将输出缓冲区中的数据发送到指定的串口。 输入端口参数设置: name:串口设备资源名, 输入端口参数设置:VISA resource name: 串口设备资源名, 即设置串口号; buffer:写入串口缓冲区的字符。 即设置串口号;write buffer:写入串口缓冲区的字符。 输出端口参数设置: count,实际写入数据的字节数。 输出端口参数设置:return count,实际写入数据的字节数。 Read模块 模块: 3)VISA Read模块: 功能: 功能:将指定的串口接收缓冲区中的数据按指定字节数读取到 计算机内存中。 计算机内存中。 输入端口参数设置: name:串口设备资源名, 输入端口参数设置:VISA resource name: 串口设备资源名, 即设置串口号; count:要读取的字节数。 即设置串口号;byte count:要读取的字节数。 输出端口参数设置: 输出端口参数设置:read buffer:从串口读到的字符;return :从串口读到的字符; count,实际读取到数据的字节数。 ,实际读取到数据的字节数。

4)VISA Bytes at Serial Port模块: Port模块: 模块 功能:返回指定串口的接收缓冲区中的数据字节数。 功能:返回指定串口的接收缓冲区中的数据字节数。 输入端口参数设置:reference:串口设备资源名, 输入端口参数设置:reference:串口设备资源名,即设置 串口号。 串口号。 输出端口参数设置: Number of Bytes at serial port : port: 输出端口参数设置 : 存放接收到的数据字节数; code:显示错误代码。 存放接收到的数据字节数;error code:显示错误代码。 在使用VISA Read模块读串口前,先用 模块读串口前, 在使用 模块读串口前 先用VISA Bytes at Serial Port模块检测当前串口输入缓冲区中已存的字节数,然后 模块检测当前串口输入缓冲区中已存的字节数, 模块检测当前串口输入缓冲区中已存的字节数 由此指定VISA Read模块从串口输入缓冲中读出的字节数, 模块从串口输入缓冲中读出的字节数, 由此指定 模块从串口输入缓冲中读出的字节数 可以保证一次就将串口输入缓冲区中的数据全部读出。 可以保证一次就将串口输入缓冲区中的数据全部读出。

Close模块 模块: 5)VISA Close模块: 功能: 结束与指定的串口资源之间的会话, 功能 : 结束与指定的串口资源之间的会话 , 即关闭串口 资源。 资源。 输入端口参数设置: name: 输入端口参数设置 : VISA resource name : 串口设备资 源名,即设置串口号。 源名,即设置串口号。 输出端口参数设置:error code:显示错误代码。 code:显示错误代码。 输出端口参数设置: Break模块 模块: 6)VISA Serial Break模块: 功能:向指定的串口发送一个暂停信号。 功能:向指定的串口发送一个暂停信号。 输入端口参数设置: name: 输入端口参数设置 : VISA resource name : 串口设备资 源名,即设置串口号。 源名,即设置串口号。 输出端口参数设置: 输出端口参数设置:error code:显示错误代码。 :显示错误代码。

7)其他 Size设置 VISA Set I/O Buffer Size设置 指定的串口的输入输出缓冲区大 小。 Buffer清空指 VISA Flush I/O Buffer 清空指 定的串口的输入输出缓冲区。 定的串口的输入输出缓冲区。 与串口操作有关的所有函数均要 提供串口资源( 提供串口资源 ( VISA resource name) name),该控件位于控制模板中 I/O子模板中 如图所示。 子模板中, 的I/O子模板中,如图所示。 将该控件添加到前面板中, 将该控件添加到前面板中,可以 用工具点击控件右侧的下拉箭头 选择串口资源名(即串口号)。 选择串口资源名(即串口号)。

LabVIEW与数据采集 与数据采集

基于LabVIEW的数据采集系统: 的数据采集系统: 基于 的数据采集系统

虚拟仪器的硬件平台由计算机和其I/O接口设备两部分组成。 接口设 虚拟仪器的硬件平台由计算机和其 接口设备两部分组成。I/O接口设 接口设备两部分组成 备主要执行信号的输入、数据采集、放大、 数转换等任务 根据I/O接 数转换等任务。 备主要执行信号的输入、数据采集、放大、模/数转换等任务。根据 接 口设备总线类型的不同,虚拟仪器的构成方式主要有五种: 口设备总线类型的不同,虚拟仪器的构成方式主要有五种:PC-DAQ/PCI 插卡式虚拟仪器系统、 虚拟仪器测试系统、 插卡式虚拟仪器系统、GPIB虚拟仪器测试系统、VXI总线虚拟仪器测试系 虚拟仪器测试系统 总线虚拟仪器测试系 串口总线虚拟仪器测试系统和PXI总线虚拟仪器测试系统。 总线虚拟仪器测试系统。 统、串口总线虚拟仪器测试系统和 总线虚拟仪器测试系统 在上述五种虚拟仪器系统中, 在上述五种虚拟仪器系统中,PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器系统是虚拟 插卡式虚拟仪器系统是虚拟 仪器最基本最廉价的构成形式, 是它的系统应用示意图。 仪器最基本最廉价的构成形式,图4-11是它的系统应用示意图。 是它的系统应用示意图

LabVIEW 8.2为用户提供了多种用于数据采集的函数、VIs和 为用户提供了多种用于数据采集的函数、 和 为用户提供了多种用于数据采集的函数 Express VIs。这些函数、VIs和Express VIs大体可以分为两类, 大体可以分为两类, 。这些函数、 和 大体可以分为两类 一类是Traditional DAQ VIs,另外一类是操作更为简便的 一类是 ,另外一类是操作更为简便的NIDAQmx,这些组件主要位于函数模板中的 ,这些组件主要位于函数模板中的Measurement I/O 子模板中, 和图2所示 和Instrument I/O子模板中,分别如图 和图 所示。 子模板中 分别如图1和图 所示。

图1 Measurement I/O子模板

图2 Instrument I/O子模板

其中最为常用的模板是位于Measurement I/O子模板中 其中最为常用的模板是位于 子模板中 子模板, 的Data Acquisition子模板,如图所示。 子模板 如图所示。

Data Acquisition 子模板

假如用户采用的DAQ产品没有 产品没有LabVIEW驱动程序,那么在利用 驱动程序, 假如用户采用的 产品没有 驱动程序 LabVIEW开发应用程序前,必须首先编写 开发应用程序前, 驱动程序。 开发应用程序前 必须首先编写LabVIEW驱动程序。研 驱动程序 华提供LabVIEW驱动程序,供LabVIEW语言对其板卡编程使用。 驱动程序, 语言对其板卡编程使用。 华提供 驱动程序 语言对其板卡编程使用 首先在研华公司官方网站找到驱动程序LabVIEW.exe文件 安装该文 文件,安装该文 首先在研华公司官方网站找到驱动程序 文件 件后, 函数模板中的User Libraries就会出现研华的 件后,在LabVIEW函数模板中的 函数模板中的 就会出现研华的 LabVIEW函数库,如所示。 函数库, 函数库 如所示。 注意:安装完设备管理程序 注意:安装完设备管理程序Device Manager和32bitDLL驱动程序后 和 驱动程序后 LabVIEW驱动程序才能正常使用。 驱动程序才能正常使用。 驱动程序才能正常使用


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