虛擬儀器及LabVIEW2012基礎(chǔ)第1講

1、LabVIEW編程及虛擬儀器設(shè)計(jì)第1講虛擬儀器及LabVIEW基礎(chǔ)課程參考文獻(xiàn)1. LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)侯國屏，王珅，葉齊鑫2. 虛擬儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程黃松嶺，吳靜3. LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程Jetffrey Travis4. 檢測技術(shù)、電工電子測量、數(shù)字信號(hào)處理等方面的教材5. 科技期刊雜志的相關(guān)文章6. NI Developer Zone (http:/ 虛擬儀器及LabVIEW基礎(chǔ)2. 編程結(jié)構(gòu)3. 數(shù)據(jù)類型：數(shù)組、簇和波形4. 圖形顯示5. 字符串和文件I/O （自學(xué)） 6. 數(shù)據(jù)采集（兩次大課）7. 信號(hào)的數(shù)字化分析與處理8. 虛擬儀器程序架構(gòu)課程大作業(yè)1. 選擇

2、自己感興趣的題目2. 查閱文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)和參考他人的經(jīng)驗(yàn)和成果3. 提出方案并論證4. 完成大作業(yè)設(shè)計(jì)和書面報(bào)告教師和助教的指導(dǎo)和幫助課程特點(diǎn) 理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析處理等相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)及綜合運(yùn)用 應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛課程特點(diǎn)聲學(xué)測試工廠生產(chǎn)線自動(dòng)化測控軍工設(shè)備測試食品質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的自動(dòng)測試ATE電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室管理自動(dòng)化汽車性能測試機(jī)械測控生物醫(yī)學(xué)信號(hào)測量機(jī)器視覺電工電子計(jì)量校準(zhǔn)石油和天然氣信號(hào)處理電子測試藥品生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控光纖校準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人光學(xué)度量和測定過程自動(dòng)化功率測量與諧波分析半導(dǎo)體器件性能測試流程檢測與控制電子通信測試振動(dòng)測試電機(jī)特性參數(shù)檢測虛擬儀器概念

3、虛擬儀器（Virtual Instrument；VI）使用可定制的軟件和模塊化測量硬件，建立用戶自定義的測量和測試系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理：將傳感器信號(hào)變換為采集卡可接受的形式（放大、衰減、隔離、濾波和線性化）虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 傳統(tǒng)儀器功能固定且由廠商定義；虛擬儀器由用戶定義。傳統(tǒng)儀器把所有軟件和測量電路封裝在一起，利用儀器前面板為用戶提供一組有限的功能。而虛擬儀器系統(tǒng)提供的則是完成測量或控制任務(wù)所需的所有軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備，功能完全由用戶自定義 虛擬儀器系統(tǒng)的價(jià)格通常比傳統(tǒng)儀器低很多。虛擬儀器在測量任務(wù)需要改變時(shí)具有更大的靈活性，節(jié)省成本（軟件隨意修改，同一計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ)多個(gè)程序）虛擬儀器硬件平

4、臺(tái)方案PCI接口數(shù)據(jù)采集卡USB數(shù)據(jù)采集卡PXI機(jī)箱和插卡PXI基于PC技術(shù)的測試平臺(tái)，機(jī)箱+系統(tǒng)控制器（嵌入式或以獨(dú)立PC為控制器）+外圍模塊虛擬儀器硬件平臺(tái)方案NI CompactDAQ機(jī)箱和插卡NI CompactRIO機(jī)箱和插卡CompactDAQ模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以USB或網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)相連CompactRIO嵌入式測控系統(tǒng)嵌入式測控系統(tǒng)，基于I/O可重置的FPGA技術(shù)基于PC數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng) 盡可能采用通用的硬件，各種虛擬儀器之間的差異主要是軟件 充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理能力，可創(chuàng)造出功能更多、更強(qiáng)的測量或測控儀器及其系統(tǒng) 用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需求，很便

5、利地自主構(gòu)建新的虛擬儀器PCI-MIO-16E-4 / PCI-6040E虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境 NI的LabVIEW圖形化 Agilent的VEE圖形化 NI的LabWindows/CVI文本，C語言 其他文本編程語言+擴(kuò)展包（VC + NI的Measurement Studio）虛擬儀器示例 虛擬電壓表虛擬儀器示例 虛擬諧波分析儀虛擬儀器示例 基于數(shù)據(jù)采集的虛擬示波器虛擬儀器系統(tǒng)示例 智能車快速原型開發(fā)平臺(tái)智能車-自主識(shí)別路徑、控制轉(zhuǎn)向和車速，完成自動(dòng)駕駛（LabVIEW和CompactRIO） 清華大學(xué)汽車系，全國大學(xué)生智能車競賽作品虛擬儀器系統(tǒng)示例 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）獲取包括鳥巢、水

6、立方在內(nèi)的大型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)，檢測結(jié)構(gòu)參數(shù)的突變（ LabVIEW結(jié)合NI CompactRIO） CGM Engineering, Inc., USA虛擬儀器系統(tǒng)示例 飛機(jī)噪聲測試在機(jī)場跑道上螺旋安裝600多個(gè)麥克風(fēng)，測試波音777-300ER飛機(jī)飛過頭頂?shù)脑肼曅盘?hào)，實(shí)時(shí)生成聲學(xué)圖像并分析處理（ LabVIEW結(jié)合NI PXI控制器、動(dòng)態(tài)分析儀） Boeing Aero/Noise/Propulsion Laboratory虛擬儀器系統(tǒng)示例 風(fēng)電機(jī)組噪聲測試采用麥克風(fēng)測量風(fēng)電機(jī)組噪聲，確認(rèn)符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)（ LabVIEW和NI PXI-4472 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊） DELTA, Hrsholm

7、, Denmark虛擬儀器系統(tǒng)示例 魔方自動(dòng)求解（視頻） 硬件平臺(tái)：CompactRIO6塊NI 9505運(yùn)動(dòng)控制模塊（控制算法通過這些模塊指示電機(jī)調(diào)整、控制魔方6個(gè)面的轉(zhuǎn)動(dòng)）軟件：LabVIEW 2009，控制設(shè)計(jì)工具包，PID控制工具包，視覺開發(fā)模塊2009魔方求解實(shí)驗(yàn)：1. 使用游戲手柄打亂魔方，發(fā)送解魔方指令2. 手動(dòng)打亂魔方，用相機(jī)拍攝打亂后的6個(gè)面，識(shí)別魔方狀態(tài)（彩色視覺算法），按照識(shí)別結(jié)果打亂另一魔方，再解魔方虛擬儀器系統(tǒng)示例 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)（視頻） 使用橋梁模型。通過應(yīng)力測量，可以了解主梁受力條件變化和內(nèi)部性能橋兩邊安裝步進(jìn)電機(jī)（采用PXI 7350運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行控制），扯動(dòng)

8、大橋橋尾，模擬大橋應(yīng)變效果大橋底面放置16個(gè)應(yīng)變片，SCXI 1520（應(yīng)變輸入模塊）+PXI 6281（數(shù)據(jù)采集卡）采集其數(shù)據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)反映在LED燈上。 PXI 6509 DIO卡控制16個(gè)三色LED燈，根據(jù)應(yīng)變強(qiáng)弱調(diào)節(jié)LED的顏色和閃動(dòng)速度在程序中觀看應(yīng)變分布圖虛擬儀器系統(tǒng)示例 機(jī)器人系統(tǒng)通用構(gòu)架（視頻） (1) Virginia Tech的DARwIn第0版：基本站立和行走，沒有傳感器反饋第1版：3d模型仿真，控制算法部署到控制器上，具備穩(wěn)定站立和獨(dú)立行走功能第2版：1394接口攝像頭，LabVIEW RT模塊，自定義機(jī)械部分，便攜電源，視覺開發(fā)模塊，識(shí)別小球參加機(jī)器人世界杯足球賽虛擬儀

9、器系統(tǒng)示例 機(jī)器人系統(tǒng)通用構(gòu)架（視頻） (2) 實(shí)習(xí)生項(xiàng)目：自主陸上小車NIcholas（一個(gè)月內(nèi)完成）使用現(xiàn)有的商業(yè)工具和組件，購買：HPI Racing E-savage賽車，Victor 884速度控制器，低成本的激光測距傳感器(Hokuyo LIDAR)，位于小車頂部的慣性傳感器MicroStrain基于NI Single-Board RIO平臺(tái)主要精力放在控制算法設(shè)計(jì)上虛擬儀器系統(tǒng)示例 機(jī)器人系統(tǒng)通用構(gòu)架（視頻） (3) 無人駕駛車OdinVirginia Tech與TORC公司合作開發(fā)基于Ford 混合動(dòng)力車Escape Hybrid改裝功能：根據(jù)目的地自主規(guī)劃路徑，避讓障礙物，按

10、照交通規(guī)則行駛，處理緊急情況感知系統(tǒng)：四平面激光測距儀，2架相機(jī)，高精度GPS，慣性測量系統(tǒng)。CompactRIO平臺(tái)，LabVIEW程序決策規(guī)劃贏得2007 DARPA城市挑戰(zhàn)賽第三名虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW簡介 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench），1992年由美國國家儀器公司（即National Instrument Corp. NI公司）推出，是用于設(shè)計(jì)虛擬儀器的一種圖形化的編程語言工具，人機(jī)界面友好，功能函數(shù)庫豐富、強(qiáng)大，被世界各國的工業(yè)界、科研機(jī)構(gòu)和高校等廣泛認(rèn)同，是多種虛擬儀器設(shè)

11、計(jì)工具軟件中最成功的一種 專為科學(xué)家和工程師設(shè)計(jì) 課程使用2012版本LabVIEW啟動(dòng)窗口LabVIEW虛擬儀器程序構(gòu)成前面板窗口（Front panel），程序的用戶界面程序框圖窗口（Block diagram），包含圖形化的編程代碼圖標(biāo)連線板程序示例1求平均數(shù)輸入控件/Control（數(shù)值類型）輸出顯示控件/Indicator（數(shù)值類型）“A”和“B”的接線端（terminal）“C”的接線端“加”和“除”函數(shù)數(shù)值常量（運(yùn)行時(shí)不可修改）LabVIEW中的三個(gè)選板控件（Controls）選板添加控件，僅前面板LabVIEW中的三個(gè)選板函數(shù)（Functions）選板添加函數(shù)、子VI，僅程序框

12、圖LabVIEW中的三個(gè)選板前面板和程序框圖窗口都可用工具選板自動(dòng)工具選擇：默認(rèn)按下編輯文本獲取顏色設(shè)置顏色（前景和背景）設(shè)置/清除斷點(diǎn)進(jìn)行連線定位/調(diào)整大小/選擇基于數(shù)據(jù)流（dataflow）的圖形化編程機(jī)制 函數(shù)/節(jié)點(diǎn)只有獲得所有必需的輸入?yún)?shù)后才開始執(zhí)行 函數(shù)/節(jié)點(diǎn)執(zhí)行后，自動(dòng)在輸出接線端返回輸出值輸入接線端（terminal）輸出接線端編程技巧 前面板/程序框圖窗口，右鍵顯示臨時(shí)的控件選板/函數(shù)選板 快捷鍵：Ctrl+E，Ctrl+R，Ctrl+B，Ctrl+H 控件/常量上右鍵打開快捷菜單：轉(zhuǎn)換為常量/輸入控件/顯示控件 函數(shù)接線端右鍵打開快捷菜單：創(chuàng)建-常量/輸入控件/顯示控件 函

13、數(shù)右鍵打開快捷菜單，快速訪問同子選板函數(shù)大幅度提高編程效率！程序示例2生成和顯示輸入控件（按鈕，布爾類型）輸出顯示控件（波形圖，波形類型）“停止”按鈕的接線端波形圖控件的接線端“仿真信號(hào)”函數(shù)While循環(huán)結(jié)構(gòu)輪詢輪詢的程序架構(gòu)程序示例2生成和顯示1.前面板上只有輸入和輸出顯示控件2.框圖上有控件對(duì)應(yīng)的接線端、程序結(jié)構(gòu)和函數(shù)，程序運(yùn)行時(shí)從輸入控件獲得輸入值。程序運(yùn)算和處理結(jié)果由輸出顯示控件顯示在前面板上前面板和程序框圖工具條運(yùn)行中止執(zhí)行暫停文本設(shè)置對(duì)齊對(duì)象分布對(duì)象調(diào)整對(duì)象大小重新排序編輯時(shí)：運(yùn)行時(shí)：前面板排列前面板控件連續(xù)運(yùn)行（重復(fù)運(yùn)行程序，推薦僅調(diào)試時(shí)使用）前面板和程序框圖工具條高亮顯示執(zhí)行

14、過程（放慢程序執(zhí)行速度，以氣泡標(biāo)明數(shù)據(jù)流動(dòng)）保存連線值單步步入單步步過單步步出程序框圖編輯時(shí)：排列程序框圖窗口函數(shù)、節(jié)點(diǎn)和連線程序調(diào)試功能（設(shè)置/清除斷點(diǎn)在工具選板上）演示：以Average.vi為例，采用高亮執(zhí)行的方式，驗(yàn)證數(shù)據(jù)流的編程機(jī)制LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型控件的接線端（顯示為數(shù)據(jù)類型）數(shù)值數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)位數(shù)單精度浮點(diǎn)數(shù)32雙精度浮點(diǎn)數(shù)64擴(kuò)展精度浮點(diǎn)數(shù)128單精度浮點(diǎn)復(fù)數(shù)64雙精度浮點(diǎn)復(fù)數(shù)128擴(kuò)展精度浮點(diǎn)復(fù)數(shù)256帶符號(hào)字節(jié)（Byte）整數(shù)8帶符號(hào)字（Word）整數(shù)16帶符號(hào)長整數(shù)32無符號(hào)字節(jié)整數(shù)8無符號(hào)字整數(shù)16無符號(hào)長整數(shù)32數(shù)值數(shù)據(jù)類型強(qiáng)類型的編程語言LabVIEW中的數(shù)據(jù)

15、類型控件接線端（顯示為圖標(biāo)）數(shù)據(jù)類型名稱連線外形和特征顏色數(shù)值類型 （浮點(diǎn)類型橙色，整型藍(lán)色）布爾類型 （綠色）字符串類型 （紫色）數(shù)組類型 （分別為1、2和3維數(shù)組，顏 色隨元素?cái)?shù)據(jù)類型而變化）簇類型 （元素都是數(shù)值數(shù)據(jù)類型，棕色） （元素不都是數(shù)值數(shù)據(jù)類型，紫色）各種數(shù)據(jù)類型的連線外形和特征顏色（直觀）LabVIEW中的圖標(biāo)和連線板（用于建立子VI） 圖標(biāo)用途：當(dāng)前VI作為子VI被調(diào)用時(shí)，在上層VI框圖上的圖示 連線板用途：當(dāng)前VI作為子VI被調(diào)用時(shí)，傳入?yún)?shù)和返回計(jì)算結(jié)果圖標(biāo)連線板建立子VI1. 建立VI，定義其功能（求平均數(shù)，Average.vi）建立子VI2. 創(chuàng)建VI圖標(biāo)和連線板使用