虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)

第3章虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第1頁(yè)1.什么是虛擬儀器?虛擬儀器是指，在以通用計(jì)算機(jī)為關(guān)鍵硬件平臺(tái)上，由用戶自己設(shè)計(jì)定義，含有虛擬操作面板，測(cè)試功效由測(cè)試軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。VirtualInstrument，VI3.1虛擬儀器概念虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第2頁(yè)2.虛擬儀器特點(diǎn)

儀器=A/D+CPU+軟件TheSoftwareIsInstruments傳統(tǒng)儀器虛擬儀器實(shí)物面板圖標(biāo)面板關(guān)鍵是硬件關(guān)鍵是軟件開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低技術(shù)更新周期長(zhǎng)技術(shù)更新周期短價(jià)格高價(jià)格低，而且可重用性與可配置性強(qiáng)廠約定義儀器功效用戶定義儀器功效系統(tǒng)封閉、固定系統(tǒng)開放、靈活，與計(jì)算機(jī)進(jìn)步同不易與其它設(shè)備連接輕易與其它設(shè)備連接虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第3頁(yè)3.虛擬儀器體系虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第4頁(yè)4.虛擬儀器分類按接口總線類型不一樣劃分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡式DAQRS232/RS485虛擬儀器并行接口虛擬儀器USB虛擬儀器GPIB虛擬儀器VXI虛擬儀器PXI虛擬儀器IEEE1394接口虛擬儀器虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第5頁(yè)5虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)軟件平臺(tái)基于文本式編程語(yǔ)言開發(fā)工具

VC++，VB，C++Build，LabWindows/CVI，Delphi等?；趫D形化編程語(yǔ)言開發(fā)工具

LabVIEW（NI企業(yè)）HPVEE（HP企業(yè)）虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第6頁(yè)軟面板舉例：動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀軟面板虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第7頁(yè)6.虛擬儀器應(yīng)用航空航天教學(xué)核工業(yè)軍工通信測(cè)試鐵道…….虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第8頁(yè)3.2虛擬儀器開發(fā)工具-LabVIEWLabVIEW

(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，試驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))是美國(guó)NI企業(yè)推出一個(gè)基于G語(yǔ)言(GraphicsLanguage，圖形化編程語(yǔ)言)虛擬儀器軟件開發(fā)工具；目標(biāo)：簡(jiǎn)化程序開發(fā)工作，使用戶能快速、簡(jiǎn)便地完成自己工作。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第9頁(yè)3.2.1LabVIEW特點(diǎn)（1）編程簡(jiǎn)單，不需要記憶編程語(yǔ)言；（2）開發(fā)周期短；（3）高效性，這主要是以軟件做確保；（4）開放性，可依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更新擴(kuò)展，發(fā)展快速；（5）自定義性，工程師們能夠在非常廣泛測(cè)量和控制應(yīng)用中自定義芯片級(jí)硬件功效；（6）性價(jià)比高，能一機(jī)多用。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第10頁(yè)3.2.2LabVIEW8.2開發(fā)平臺(tái)使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制程序稱為虛擬儀器，簡(jiǎn)稱VI。VI由以下3部分組成：前面板：即用戶界面；程序框圖：包含用于定義VI功效圖形化源代碼；

圖標(biāo)和連線板：用以識(shí)別VI接口，方便在創(chuàng)建VI時(shí)調(diào)用另一個(gè)VI。當(dāng)一個(gè)VI應(yīng)用在其它VI中，則稱為子VI。子VI相當(dāng)于文本編程語(yǔ)言中子程序。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第11頁(yè)1.前面板

前面板是VI用戶界面。創(chuàng)建VI時(shí)，通常應(yīng)先設(shè)計(jì)前面板，然后設(shè)計(jì)程序框圖執(zhí)行在前面板上創(chuàng)建輸入、輸出任務(wù)。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第12頁(yè)2.程序框圖程序框圖是圖形化源代碼集合，圖形化源代碼又稱G代碼或程序框圖代碼。程序框圖由接線端、節(jié)點(diǎn)、連線和結(jié)構(gòu)等組成。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第13頁(yè)程序框圖對(duì)象程序框圖由接線端、節(jié)點(diǎn)、連線和結(jié)構(gòu)等組成:接線端：是程序框圖中傳遞數(shù)據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)?？丶泳€端用來(lái)為前面板上對(duì)象與程序框圖傳遞數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)：是實(shí)現(xiàn)程序功效基本單元，含有輸入、輸出端，在VI運(yùn)行時(shí)完成一定操作。連線：是程序框圖中各個(gè)對(duì)象之間傳遞數(shù)據(jù)通道。結(jié)構(gòu)：是文本編程語(yǔ)言中循環(huán)和條件語(yǔ)句圖形化表示。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第14頁(yè)3.圖標(biāo)和連線板創(chuàng)建VI前面板和程序框圖后，可創(chuàng)建圖標(biāo)和連線板，方便將該VI作為子VI調(diào)用。圖標(biāo)和連線板圖形：圖標(biāo)是VI圖形化表示，可包含文字、圖形或圖文組合。

連線板用于顯示VI中全部輸入控件和顯示控件接線端，類似于文本編程語(yǔ)言中調(diào)用函數(shù)時(shí)使用參數(shù)列表。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第15頁(yè)3.2.3LabVIEW8.2操作選板LabVIEW8.2包含3個(gè)操作選板:

工具選板控件選板函數(shù)選板

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第16頁(yè)1.工具選板虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第17頁(yè)2.控件選板控件選板包含創(chuàng)建前面板所需輸入控件和顯示控件。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第18頁(yè)

經(jīng)典控件子選板虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第19頁(yè)3.函數(shù)選板函數(shù)選板中包含創(chuàng)建程序框圖所需VI和函數(shù)。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第20頁(yè)

編程子選板圖標(biāo)、名稱及功效

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第21頁(yè)3.2.4LabVIEW8.2菜單和工具欄

LabVIEW8.2菜單LabVIEW8.2工具欄虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第22頁(yè)3.2.5LabVIEW8.2中數(shù)據(jù)類型支持?jǐn)?shù)據(jù)類型有：數(shù)值型布爾型數(shù)組型字符串型波形數(shù)據(jù)類型簇

路徑

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第23頁(yè)3.2.6創(chuàng)建虛擬儀器1.創(chuàng)建一個(gè)虛擬儀器普通步驟

（1）前面板設(shè)計(jì)

（2）程序框圖

（3）數(shù)據(jù)流編程

（4）功效檢驗(yàn)

（5）保留文件

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第24頁(yè)創(chuàng)建一個(gè)虛擬儀器兩數(shù)相加與兩數(shù)相減VI虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第25頁(yè)2.調(diào)試虛擬儀器

虛擬儀器普通調(diào)試步驟

（1）運(yùn)行VI（2）去除語(yǔ)法錯(cuò)誤

（3）高亮顯示執(zhí)行過程

（4）單步執(zhí)行

（5）探針工具

（6）斷點(diǎn)

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第26頁(yè)3.

創(chuàng)建和調(diào)用子VI結(jié)構(gòu)一個(gè)子VI主要工作就是需先為子VI創(chuàng)建連線板和圖標(biāo)

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第27頁(yè)調(diào)用子VI示例

前面板框圖程序虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第28頁(yè)4.虛擬儀器創(chuàng)建舉例測(cè)溫范圍：0~100oC測(cè)溫傳感器：AD590，靈敏度：1μA/K

例1虛擬溫度計(jì)虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第29頁(yè)虛擬溫度計(jì)VI前面板框圖程序虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第30頁(yè)例2求N!

main(){inta,i,n；a=1;i=0;scanf(“%d”,&n)；do{i=i+1；a=a*i；}while(i<n);printf(“n!=%d”,a)；}前面板和程序框圖

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第31頁(yè)例3波形顯示

設(shè)計(jì)一個(gè)VI，顯示一個(gè)正弦波電壓測(cè)量結(jié)果。電壓采樣從0開始，每隔2ms采樣一個(gè)點(diǎn)，共采樣50個(gè)點(diǎn)，要求程序顯示能夠反應(yīng)出實(shí)際采樣時(shí)間及電壓值。

電壓測(cè)量VI前面板和程序框圖

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第32頁(yè)3.3虛擬儀器數(shù)據(jù)采集DAQ虛擬儀器又稱PC-DAQ儀器系統(tǒng)，其組成以下列圖所表示。它由一臺(tái)PC機(jī)和基于標(biāo)準(zhǔn)總線采集卡（儀器卡）組成，同時(shí)還配置有儀器驅(qū)動(dòng)軟件來(lái)支持硬件工作。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第33頁(yè)1.數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)置與測(cè)試測(cè)試與自動(dòng)化資源管理器MAX是Measurement&AutomationExplorer縮寫，是訪問計(jì)算機(jī)當(dāng)中NI各種軟硬件資源一個(gè)接口。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第34頁(yè)設(shè)備設(shè)置與測(cè)試在Measurement&AutomationExplorer下拉菜單中，可利用Self-Test，TestPanels對(duì)采集卡進(jìn)行自檢，面板測(cè)試等操作。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第35頁(yè)2.利用NIUSB-6009數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集主要技術(shù)指標(biāo)：8個(gè)模擬通道（14位、48位kS/s采樣速度）；2路14位模擬輸出通道；12個(gè)I/O通道；1個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。

產(chǎn)品經(jīng)過USB接口供電，不需要任何外接電源。它們均包含用于直接信號(hào)連接可拆卸螺孔端子、用于支持外部設(shè)備以及傳感器1個(gè)參考電壓、低噪音高精度4層電路板，以及高達(dá)±35v模擬輸入過電壓保護(hù)。

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第36頁(yè)

模擬輸入：AI0~AI7模擬輸出：AO0,AO1數(shù)字I/O：P0.0~P0.7,P1.0~P1.3定時(shí)/計(jì)數(shù)器：PFI0NIUSB-6009接線端子分配虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第37頁(yè)（1）利用DAQ助手創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集程序程序框圖運(yùn)行結(jié)果虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第38頁(yè)利用NI-DAQmx采集函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單通道數(shù)據(jù)采集VI虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第39頁(yè)多通道數(shù)據(jù)采集VI虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第40頁(yè)（2）利用NI-DAQmx函數(shù)構(gòu)建模擬輸出模擬輸出程序框圖前面板虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第41頁(yè)（3）利用NI-DAQmx函數(shù)構(gòu)建數(shù)字I/O輸出控制P0口8根I/O線輸出狀態(tài)虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第42頁(yè)（4）工程實(shí)戰(zhàn)霍爾元件傳感器調(diào)理電路6009數(shù)據(jù)采集模塊Labview處理控制和顯示基于LabVIEW計(jì)數(shù)信號(hào)采集與控制平臺(tái)構(gòu)建虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第43頁(yè)1）霍爾元件傳感器經(jīng)典線性型霍爾器件H03虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第44頁(yè)2）調(diào)理電路原理圖霍爾元件H03管腳3輸出交流電壓脈沖信號(hào)，經(jīng)過C0601耦合到OP07輸入端，經(jīng)OP07放大后，送至LM393電壓比較器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)，送至DAQ6009計(jì)數(shù)通道。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第45頁(yè)3)計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)采集與控制程序前面板程序框圖虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第46頁(yè)3.4虛擬儀器信號(hào)分析與處理為深入了解信號(hào)物理實(shí)質(zhì)，將其進(jìn)行分類研究是非常必要，從不一樣角度觀察信號(hào)，可分為：時(shí)域和頻域。時(shí)間幅值頻率時(shí)域分析頻域分析時(shí)域分析與頻域分析關(guān)系虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第47頁(yè)1.信號(hào)時(shí)域分析時(shí)域分析是指在時(shí)間域內(nèi)研究系統(tǒng)在一定輸入信號(hào)作用下，其輸出信號(hào)隨時(shí)間改變情況；信號(hào)時(shí)域描述:以時(shí)間為獨(dú)立變量，描述信號(hào)隨時(shí)間改變特征，反應(yīng)信號(hào)幅值隨時(shí)間改變關(guān)系；優(yōu)點(diǎn):形象、直觀缺點(diǎn):不能顯著揭示信號(hào)內(nèi)在結(jié)構(gòu)虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第48頁(yè)信號(hào)時(shí)域分析舉例一相關(guān)分析所謂“相關(guān)”是指變量之間線性關(guān)系；相關(guān)性是指信號(hào)相同和關(guān)聯(lián)程度，相關(guān)分析不但可用于確定性信號(hào)，也可用于隨機(jī)信號(hào)檢測(cè)、識(shí)別和提取等；相關(guān)分析慣用相關(guān)函數(shù)（自相關(guān)函數(shù)和相互關(guān)函數(shù)）或相關(guān)系數(shù)來(lái)描述；相關(guān)函數(shù)和功率譜(密度)是一對(duì)傅立葉變換。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第49頁(yè)相關(guān)函數(shù)相關(guān)函數(shù)序列

自相關(guān)函數(shù)：反應(yīng)了信號(hào)在時(shí)移中相關(guān)性。相互關(guān)函數(shù)：反應(yīng)了兩個(gè)信號(hào)在時(shí)移中相關(guān)性。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第50頁(yè)相關(guān)分析工程應(yīng)用實(shí)例

自相關(guān)分析：機(jī)械加工表面粗糙度虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第51頁(yè)相互關(guān)分析：地下輸油管道漏損位置探測(cè)將兩拾音器測(cè)得音響信號(hào)x1(t)和x2(t)進(jìn)行相互關(guān)分析，找出相互關(guān)值最大處延時(shí)τ，即可由τ確定油管破損位置。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第52頁(yè)LabVIEW中相關(guān)分析函數(shù)AutoCorrelation.viCrossCorrelation.vi虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第53頁(yè)相互關(guān)運(yùn)算舉例前面板程序框圖

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第54頁(yè)2.信號(hào)頻域分析頻域分析是采取傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)X(t)變換為頻域信號(hào)X(f)，從而幫助人們從另一個(gè)角度來(lái)了解信號(hào)特征；信號(hào)頻域描述：應(yīng)用傅里葉變換，對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換(分解)，以頻率為獨(dú)立變量，建立信號(hào)幅值、相位與頻率關(guān)系;特點(diǎn)：頻域描述抽取信號(hào)內(nèi)在頻率組成，信息豐富，應(yīng)用廣泛。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第55頁(yè)時(shí)域-頻域關(guān)系建立時(shí)域信號(hào)x(t)傅里葉變換為:比如，50Hz正弦波信號(hào)x(t)=10sin(2*π*50*t)

其頻譜函數(shù)為轉(zhuǎn)換過程如圖所表示:虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第56頁(yè)頻域分析應(yīng)用描述信號(hào)頻譜代表了信號(hào)在不一樣頻率分量處信號(hào)成份大小，它能夠提供比時(shí)域信號(hào)波形更直觀、更豐富信息。

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第57頁(yè)(1)快速傅立葉變換FFT實(shí)現(xiàn)傅里葉變換是信號(hào)處理與數(shù)據(jù)處理中一個(gè)主要分析工具，其意義在于將時(shí)域與頻域信號(hào)聯(lián)絡(luò)起來(lái)，經(jīng)過頻域分析將復(fù)雜信號(hào)分解為各個(gè)單一頻率成份。FFT.vi虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第58頁(yè)例:雙邊傅里葉變換前面板程序框圖頻率間隔與采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)關(guān)系虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第59頁(yè)（2）頻譜分析頻譜分析是指把時(shí)間域各種動(dòng)態(tài)信號(hào)經(jīng)過傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域進(jìn)行分析。內(nèi)容包含:①頻譜分析：包含幅值譜和相位譜、實(shí)部頻譜和虛部頻譜；②功率譜分析：包含自譜和互譜；③頻率響應(yīng)函數(shù)分析：系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)頻譜之比；④相干函數(shù)分析：系統(tǒng)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間譜相關(guān)程度。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第60頁(yè)舉例：功率譜LabVIEW8.2中，用于計(jì)算輸入序列單邊自功率譜函數(shù)AutoPowerSpectrum.vi圖標(biāo)及端口如圖所表示。等效數(shù)學(xué)運(yùn)算式公式虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第61頁(yè)自功率譜分析舉例前面板程序框圖

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第62頁(yè)3.數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計(jì)算方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)離散化信號(hào)處理，以降低干擾信號(hào)在有用信號(hào)中所占百分比，從而改變信號(hào)質(zhì)量，到達(dá)濾波或加工信號(hào)目標(biāo)。

數(shù)字濾波器分為無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器IIR有限沖激響應(yīng)濾波器FIR特點(diǎn)：精度高、穩(wěn)定性好、靈活性強(qiáng)、處理功效強(qiáng)虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第63頁(yè)LabVIEW提供濾波器函數(shù)虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第64頁(yè)數(shù)字濾波器應(yīng)用舉例使用巴特沃斯濾波器提出正弦信號(hào)虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)第65頁(yè)3.5虛擬儀器舉例1.虛擬相位差計(jì)（1）功效描述①可測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率正弦波相位差；②可測(cè)相位差θ數(shù)值范