第12章虛擬儀器技術(shù)

1、第第1212章章 虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù)12.1 12.1 LabVIEW軟件的特點軟件的特點112.2 12.2 LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法虛擬儀器的創(chuàng)建方法12.3 12.3 數(shù)據(jù)采集與虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與虛擬儀器312.4 12.4 LabVIEW和和Multisim軟件的聯(lián)合軟件的聯(lián)合42 虛擬儀器虛擬儀器(VI,Virtual Instrument)(VI,Virtual Instrument)是在是在2020世紀(jì)后期世紀(jì)后期隨計算機水平和軟件技術(shù)的迅速進步而出現(xiàn)并發(fā)展隨計算機水平和軟件技術(shù)的迅速進步而出現(xiàn)并發(fā)展起來的有別于傳統(tǒng)儀器的新概念。虛擬儀器技術(shù)突起來的有別于傳統(tǒng)儀器的

2、新概念。虛擬儀器技術(shù)突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式，具有用簡破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式，具有用簡單硬件將被測量采集到單硬件將被測量采集到上位機上位機，然后通過軟件設(shè)計，然后通過軟件設(shè)計即可方便靈活地完成對被測試量的分析、判斷、顯即可方便靈活地完成對被測試量的分析、判斷、顯示及數(shù)據(jù)存儲等功能的特點。軟件設(shè)計的靈活易變、示及數(shù)據(jù)存儲等功能的特點。軟件設(shè)計的靈活易變、成本低等特點使虛擬儀器在測試測量技術(shù)中越來越成本低等特點使虛擬儀器在測試測量技術(shù)中越來越發(fā)揮出其優(yōu)勢。發(fā)揮出其優(yōu)勢。 概述 上位機上位機是指人可以直接發(fā)出操控命令的計算機，一般是PC，屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫

3、度等）。 下位機下位機是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計算機，一般是PLC/單片機之類的。 上位機發(fā)出的命令首先給下位機，下位機再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給上位機。 上下位機都需要編程，都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。 12.1 LabVIEW軟件的特點 LabVIEWLabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineer Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench, Workbench,實驗室虛擬儀器工作平臺）是美國實驗室虛擬儀器工作

4、平臺）是美國NINI（National Instruments,National Instruments,美國國家儀器公司）公司推美國國家儀器公司）公司推出的一種基于出的一種基于G G語言語言(Graphics Language(Graphics Language，圖形化編，圖形化編程語言程語言) )的具有革命性的圖形化虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，的具有革命性的圖形化虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，是業(yè)界領(lǐng)先的測試、測量和控制系統(tǒng)的開發(fā)工具。是業(yè)界領(lǐng)先的測試、測量和控制系統(tǒng)的開發(fā)工具。傳統(tǒng)儀傳統(tǒng)儀器待測模擬信號信號處理前置預(yù)處理數(shù)據(jù)顯示信號輸入硬件電子系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號處理數(shù)據(jù)顯示信號產(chǎn)生信號輸出手動/模擬信號控

5、制待測模擬信號輸出模擬信號D/A轉(zhuǎn)換計算機數(shù)字信號控制數(shù)字信號產(chǎn)生輸出模擬信號Classical InstrumentVirtual Instrument(VI)計算機DAQ卡利用計算機強大、高效的數(shù)字信號處理和控制能力，配合高速高精度利用計算機強大、高效的數(shù)字信號處理和控制能力，配合高速高精度A/DA/D、D/AD/A轉(zhuǎn)換卡，實現(xiàn)與傳統(tǒng)專用儀器相同乃至更強的功能，組成虛擬儀器轉(zhuǎn)換卡，實現(xiàn)與傳統(tǒng)專用儀器相同乃至更強的功能，組成虛擬儀器前置預(yù)處理對比作為虛擬儀器的開發(fā)軟件，作為虛擬儀器的開發(fā)軟件，LabVIEWLabVIEW的特點如下：的特點如下：具有圖形化的編程方式，設(shè)計者無需編寫任何文本具有

6、圖形化的編程方式，設(shè)計者無需編寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師語言。格式的代碼，是真正的工程師語言。提供豐富的數(shù)據(jù)采集，分析及存儲的庫函數(shù)。提供豐富的數(shù)據(jù)采集，分析及存儲的庫函數(shù)。提供傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)試手段，如設(shè)置斷點，單步運行，提供傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)試手段，如設(shè)置斷點，單步運行，同時提供獨具特色的執(zhí)行工具，使程序動畫式進行，同時提供獨具特色的執(zhí)行工具，使程序動畫式進行，利于設(shè)計者觀察到程序運行的細節(jié)，使程序的調(diào)試?yán)谠O(shè)計者觀察到程序運行的細節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。和開發(fā)更為便捷。12.1 LabVIEW軟件的特點囊括了囊括了PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USBPC

7、I,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USB等各種儀器等各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂得總線標(biāo)準(zhǔn)通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂得總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能驅(qū)動不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。的開發(fā)者也能驅(qū)動不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，如提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，如DLLDLL（動態(tài)鏈接庫），（動態(tài)鏈接庫），DDEDDE（共享庫），（共享庫），ActivexActivex等。等。具有強大的具有強大的InternetInternet功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)，遠程測控儀器開發(fā)。網(wǎng)絡(luò)，

8、遠程測控儀器開發(fā)。12.1 LabVIEW軟件的特點在測試和測量方面，在測試和測量方面，LabVIEWLabVIEW已經(jīng)變成了一種工業(yè)已經(jīng)變成了一種工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具；在過程控制和工廠自動化應(yīng)用方的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具；在過程控制和工廠自動化應(yīng)用方面，面，LabVIEWLabVIEW軟件非常適用于過程監(jiān)測和控制；而軟件非常適用于過程監(jiān)測和控制；而在研究和分析方面，在研究和分析方面，LabVIEWLabVIEW軟件有力的軟件分析軟件有力的軟件分析庫提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代庫提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級信號的分析。的高級信號的分析。它內(nèi)具信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功

9、能，集開它內(nèi)具信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，集開發(fā)、調(diào)試、運行于一體發(fā)、調(diào)試、運行于一體 ，而且，而且LabVIEWLabVIEW虛擬儀器虛擬儀器程序程序(Virtual Instrument(Virtual Instrument，簡稱，簡稱VI)VI)可以非常容易的與可以非常容易的與各種數(shù)據(jù)采集硬件、以太網(wǎng)系統(tǒng)無縫集成，與各種各種數(shù)據(jù)采集硬件、以太網(wǎng)系統(tǒng)無縫集成，與各種主流的現(xiàn)場總線通信以及與大多數(shù)通用數(shù)據(jù)庫鏈接。主流的現(xiàn)場總線通信以及與大多數(shù)通用數(shù)據(jù)庫鏈接。12.1 LabVIEW軟件的特點“軟件就是儀器軟件就是儀器”反映了其虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特反映了其虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征。用征。用

10、LabVIEWLabVIEW設(shè)計的虛擬儀器可脫離設(shè)計的虛擬儀器可脫離LabVIEWLabVIEW開開發(fā)環(huán)境，用戶最終看見的是和實際硬件儀器相似的發(fā)環(huán)境，用戶最終看見的是和實際硬件儀器相似的操作界面。如今虛擬儀器已是現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中非常操作界面。如今虛擬儀器已是現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中非常重要的一部分。重要的一部分。12.1 LabVIEW軟件的特點VI程序和工程創(chuàng)建欄新近打開的工程和VI程序列表欄幫助資源列表欄啟動界面12.2 LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法12.2 LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法 LabVIEW與虛擬儀器有著緊密聯(lián)系，在與虛擬儀器有著緊密聯(lián)系，在LabVIEW中開中開發(fā)的程序都被稱為

11、發(fā)的程序都被稱為VI（虛擬儀器），其擴展名默認為（虛擬儀器），其擴展名默認為.vi。虛虛擬擬儀儀器VI前面板Front panel框圖Block diagram圖標(biāo)和連接器窗格Icon and connector pane圖12-2（b）前面板及控件模板圖圖12-2 12-2 前面板及控件模板前面板及控件模板前面板：虛擬儀器的交互式前面板：虛擬儀器的交互式用戶接口，模仿了實際儀器用戶接口，模仿了實際儀器面板。包含旋鈕、按鈕、圖面板。包含旋鈕、按鈕、圖形等控制與顯示對象。通過形等控制與顯示對象。通過鼠標(biāo)或鍵盤輸入數(shù)據(jù)、控制鼠標(biāo)或鍵盤輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕，可在計算機屏幕上觀按鈕，可在計算機屏幕上觀看

12、結(jié)果，主要作用是完成顯看結(jié)果，主要作用是完成顯示和控制。示和控制。其中，輸入量被稱為其中，輸入量被稱為ControlsControls（控件），用戶可以通過控件向控件），用戶可以通過控件向VIVI中設(shè)置輸入?yún)?shù)等；輸出量被中設(shè)置輸入?yún)?shù)等；輸出量被稱為稱為IndicatorsIndicators（指示器），指示器），VIVI通過指示器向用戶提示狀態(tài)或輸通過指示器向用戶提示狀態(tài)或輸出數(shù)據(jù)等。出數(shù)據(jù)等。圖12-2（a）框圖面板及函數(shù)模板圖圖12-3 12-3 框圖面板及函數(shù)模板框圖面板及函數(shù)模板流程圖窗口提供流程圖窗口提供VIVI的圖形的圖形化源程序，相當(dāng)于實際儀化源程序，相當(dāng)于實際儀器箱內(nèi)的東西

13、，在流程圖器箱內(nèi)的東西，在流程圖中程序員用圖形語言編寫中程序員用圖形語言編寫LabVIEWLabVIEW程序源代碼，以程序源代碼，以控制和操縱定義在前面板控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。每上的輸入和輸出功能。每一個程序前面板都有相應(yīng)一個程序前面板都有相應(yīng)的框圖程序與之對應(yīng)。框的框圖程序與之對應(yīng)。框圖程序用圖形編程語言編圖程序用圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。框圖中的程序的源代碼?？驁D中的部件可以看成程序節(jié)點，部件可以看成程序節(jié)點，如循環(huán)控制、事件控制和如循環(huán)控制、事件控制和算術(shù)功能等。這些部件都算術(shù)功能等。這些部件都用連線連接，以定義框圖用連線

14、連接，以定義框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。在框圖窗口中放置編程需要在框圖窗口中放置編程需要的功能函數(shù)模塊，并根據(jù)編的功能函數(shù)模塊，并根據(jù)編程要求連接前面板控件、指程要求連接前面板控件、指示器在框圖窗口中的相應(yīng)圖示器在框圖窗口中的相應(yīng)圖標(biāo)和功能函數(shù)模塊圖標(biāo)。在標(biāo)和功能函數(shù)模塊圖標(biāo)。在框圖中對框圖中對VIVI編程的主要工作編程的主要工作就是從前面板上的輸入控件就是從前面板上的輸入控件獲得用戶輸入信息，然后進獲得用戶輸入信息，然后進行計算和處理，最后在輸出行計算和處理，最后在輸出控件中把處理結(jié)果反饋給用控件中把處理結(jié)果反饋給用戶?？驁D上的編程元素除了戶。框圖上的編程元素除了包括于前面板上的

15、包括于前面板上的ControlControl和和IndicatorIndicator對應(yīng)的連線端子對應(yīng)的連線端子（TerminalTerminal）外，還有函數(shù)、）外，還有函數(shù)、子子VIVI、常量、結(jié)構(gòu)和連線等。、常量、結(jié)構(gòu)和連線等。完成子程序流程框圖的編完成子程序流程框圖的編程后，需要定義連接器，程后，需要定義連接器，以便在子以便在子VIVI調(diào)用時方便連調(diào)用時方便連接端口。圖標(biāo)接端口。圖標(biāo)/ /接口器件接口器件可以讓用戶把可以讓用戶把VIVI程序變成程序變成一個對象（一個對象（VIVI子程序），子程序），然后在其他程序中像子程然后在其他程序中像子程序一樣地調(diào)用它。圖標(biāo)表序一樣地調(diào)用它。圖標(biāo)表

16、示在其他程序中被調(diào)用的示在其他程序中被調(diào)用的子程序，而接線端口則表子程序，而接線端口則表示圖標(biāo)的輸入示圖標(biāo)的輸入/ /輸出口，輸出口，就像子程序的參數(shù)端口對就像子程序的參數(shù)端口對應(yīng)著應(yīng)著VIVI程序前面板控件和程序前面板控件和指示器的數(shù)值。指示器的數(shù)值。VIVI圖標(biāo)的修改可通過雙擊圖標(biāo)，在圖圖標(biāo)的修改可通過雙擊圖標(biāo)，在圖12-12-4 4的編輯窗口下自定義圖標(biāo)。的編輯窗口下自定義圖標(biāo)。圖圖12-4 12-4 圖標(biāo)編輯圖標(biāo)編輯定義連接器是用鼠標(biāo)右鍵單擊前面板窗口中的圖標(biāo)定義連接器是用鼠標(biāo)右鍵單擊前面板窗口中的圖標(biāo)窗格，在圖窗格，在圖12-512-5快捷菜單中選擇快捷菜單中選擇Show Conne

17、ctorShow Connector，連接器窗格會取代前面板窗口右上角的圖標(biāo)，如圖連接器窗格會取代前面板窗口右上角的圖標(biāo)，如圖12-612-6所示。所示。圖圖12-5 12-5 定義連接器下拉菜單圖定義連接器下拉菜單圖 圖圖12-6 12-6 連接器窗格圖連接器窗格圖 溫度計程序的圖標(biāo)和連接器溫度計程序的圖標(biāo)和連接器 LabVIEWLabVIEW提供了三個模板來編輯虛擬儀器：提供了三個模板來編輯虛擬儀器：工具模板（工具模板（ToolsPalettesToolsPalettes）、控制模板）、控制模板（ControlsPalettesControlsPalettes）、功能模板）、功能模板（Fu

18、nctionsPalettesFunctionsPalettes）。）。12.2 LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法模板工具模板工具模板ToolsPalettesToolsPalettes控制模板控制模板ControlsPalettesControlsPalettes功能模板功能模板FunctionsPalettesFunctionsPalettes12.2 LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法工具模板工具模板操作工具：使用該工具來操作前面板的控制和顯示。操作工具：使用該工具來操作前面板的控制和顯示。 選擇工具：用于選擇、移動或改變對象的大小。選擇工具：用于選擇、移動或改變對象的大小。標(biāo)簽工具：用于

19、輸入標(biāo)簽文本或者創(chuàng)建自由標(biāo)簽。標(biāo)簽工具：用于輸入標(biāo)簽文本或者創(chuàng)建自由標(biāo)簽。連線工具：用于在框圖程序上連接對象。連線工具：用于在框圖程序上連接對象。 對象彈出菜單工具：用鼠標(biāo)左鍵可以彈出對象的彈出式菜單。對象彈出菜單工具：用鼠標(biāo)左鍵可以彈出對象的彈出式菜單。 漫游工具：使用該工具就可以不需要使用滾動條而在窗口中漫游漫游工具：使用該工具就可以不需要使用滾動條而在窗口中漫游。 斷點工具：使用該工具在斷點工具：使用該工具在VIVI的框圖對象上設(shè)置斷點。的框圖對象上設(shè)置斷點。 探針工具：可以在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。探針工具：可以在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。 顏色提取工具：使用該工具來提取

20、顏色用于編輯其他的對象。顏色提取工具：使用該工具來提取顏色用于編輯其他的對象。 顏色工具：用來給對象定義顏色。顏色工具：用來給對象定義顏色。 提供用于圖形操作的各種工具，如移動、選取、設(shè)置卷標(biāo)和斷提供用于圖形操作的各種工具，如移動、選取、設(shè)置卷標(biāo)和斷點、文字輸入等。點、文字輸入等。12.2 LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法數(shù)值子模板：包含數(shù)值的控制和顯示。數(shù)值子模板：包含數(shù)值的控制和顯示。 布爾值子模塊：邏輯數(shù)值的控制和顯示。布爾值子模塊：邏輯數(shù)值的控制和顯示。 字符串和路徑子模板：字符串和文件路徑的控制和顯示。字符串和路徑子模板：字符串和文件路徑的控制和顯示。 數(shù)組和群子模板：復(fù)合型數(shù)據(jù)類型

21、的控制和顯示。數(shù)組和群子模板：復(fù)合型數(shù)據(jù)類型的控制和顯示。列表子模板：菜單環(huán)和列表欄的控制和顯示。列表子模板：菜單環(huán)和列表欄的控制和顯示。 圖形子模板：顯示數(shù)據(jù)結(jié)果的趨勢圖和曲線圖。圖形子模板：顯示數(shù)據(jù)結(jié)果的趨勢圖和曲線圖。 環(huán)和枚舉子模板：菜單環(huán)和枚舉的控制和顯示。環(huán)和枚舉子模板：菜單環(huán)和枚舉的控制和顯示。 控件容器庫子模板：操作控件容器庫子模板：操作Tab ControlTab Control、SubPanelSubPanel、ActiveXActiveX等功能。等功能。I/O I/O 子模板子模板 ：對輸入、輸出的控制和操作。：對輸入、輸出的控制和操作。 對話控制子模板：用于輸入對話框的

22、顯示控制。對話控制子模板：用于輸入對話框的顯示控制。 版本控制子模板：實現(xiàn)對以往版本的兼容和繼承。版本控制子模板：實現(xiàn)對以往版本的兼容和繼承。Refnum Refnum 子模板子模板 ：包含一些：包含一些RefnumRefnum控件?？丶?。 裝飾子模板：用于給前面板進行裝飾的各種圖形對象。裝飾子模板：用于給前面板進行裝飾的各種圖形對象。調(diào)用控制子模板：調(diào)用存儲在文件中的控制和顯示的接口。調(diào)用控制子模板：調(diào)用存儲在文件中的控制和顯示的接口。 用戶控制子模板：用戶自定義的控制和顯示。用戶控制子模板：用戶自定義的控制和顯示。 提供用于前面板編輯的控制和顯示對象的圖標(biāo)等。提供用于前面板編輯的控制和顯示

23、對象的圖標(biāo)等。12.2 LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法功能模板結(jié)構(gòu)子模板結(jié)構(gòu)子模板: :包括程序控制結(jié)構(gòu)命令，例如循環(huán)控制等，以及全局包括程序控制結(jié)構(gòu)命令，例如循環(huán)控制等，以及全局 變量和局部變量。變量和局部變量。數(shù)值運算子模板數(shù)值運算子模板: :包括各種常用的數(shù)值運算符；以及各種常見的數(shù)包括各種常用的數(shù)值運算符；以及各種常見的數(shù) 值運算式，如值運算式，如+1+1運算；還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函運算；還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函 數(shù)、對數(shù)、復(fù)數(shù)等運算，以及各種數(shù)值常數(shù)。數(shù)、對數(shù)、復(fù)數(shù)等運算，以及各種數(shù)值常數(shù)。 布爾邏輯子模板布爾邏輯子模板: :包括各種邏輯運算符以及布爾常數(shù)。包括各種邏輯運算符以及布爾

24、常數(shù)。 字符串運算子模板字符串運算子模板: :包含各種字符串操作函數(shù)、數(shù)值與字符串之間包含各種字符串操作函數(shù)、數(shù)值與字符串之間 的轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及字符的轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及字符( (串串) )常數(shù)等。常數(shù)等。 數(shù)組子模板數(shù)組子模板: :包括數(shù)組運算函數(shù)、數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及常數(shù)數(shù)組等。包括數(shù)組運算函數(shù)、數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及常數(shù)數(shù)組等。 群子模板群子模板: :包括群的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。這里的群相當(dāng)于包括群的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。這里的群相當(dāng)于C C語語 言中的結(jié)構(gòu)。言中的結(jié)構(gòu)。 比較子模板比較子模板: :包括各種比較運算函數(shù)，如大于、小于、等于。包括各種比較運算函數(shù)，如大于、小于、等于。時間和對話框子模板時間和對話框子模板: :包括對話框窗口