傳感器技術(shù)與應(yīng)用

6.5虛擬儀器技術(shù)及Labview6.5.1概述

虛擬儀器（VirtualIntrument，簡(jiǎn)稱VI）是20世紀(jì)90年代初期出現(xiàn)的一種新型儀器，它在計(jì)算機(jī)的顯示屏上虛擬傳統(tǒng)儀器面板，并盡可能多地將原來由硬件電路完成的信號(hào)調(diào)理和信號(hào)處理功能，用計(jì)算機(jī)程序來完成。這種硬件功能的軟件化，是虛擬儀器的一大特征。操作人員在計(jì)算機(jī)顯示屏上用鼠標(biāo)和鍵盤控制虛擬儀器程序的運(yùn)行，就像操作真實(shí)的儀器一樣，從而完成測(cè)量和分析任務(wù)。

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的產(chǎn)物，是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是儀器領(lǐng)域內(nèi)的一次革命。虛擬儀器是繼第一代儀器——模擬式儀表、第二代儀器——分立元件式儀表、第三代儀器——數(shù)字式儀器、第四代儀器——智能化儀器之后的新一代儀器，代表了當(dāng)前測(cè)試儀器發(fā)展的方向之一。

NationalInstrument公司提出的計(jì)算機(jī)虛擬儀器

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)化儀器，由計(jì)算機(jī)、信號(hào)測(cè)量硬件模塊和應(yīng)用軟件三大部分組成。根據(jù)虛擬儀器所采用的信號(hào)測(cè)量硬件模塊的不同，虛擬儀器可以分為下面幾種形式：PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)：以數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)。GPIB系統(tǒng)：以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)：以VXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)。串口系統(tǒng)：以RS232標(biāo)準(zhǔn)串行總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)：以現(xiàn)場(chǎng)總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)。其中PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)是最常用的構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器系統(tǒng)的的形式。

目前針對(duì)不同的應(yīng)用目的和環(huán)境，已設(shè)計(jì)了多種性能和用途的數(shù)據(jù)采集卡，包括低速采集板卡、高速采集卡、高速同步采集板卡、圖象采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡等。

計(jì)算機(jī)虛擬儀器板卡

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器最大的特點(diǎn)是其功能由軟件定義，可以由用戶根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)整，用戶選擇不同的應(yīng)用軟件就可以形成不同的虛擬儀器。而傳統(tǒng)儀器的功能是由廠商事先定義好的，其功能用戶無法變更。當(dāng)虛擬儀器用戶需要改變儀器功能或需要構(gòu)造新的儀器時(shí)，可以由用戶自己改變應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)，而不必重新購買新的儀器。

6.5.2虛擬儀器的組成虛擬儀器主要由傳感器，信號(hào)采集與控制板卡，信號(hào)分析軟件和顯示軟件幾部分組成，如下圖所示。

8.2.1硬件功能模塊

根據(jù)虛擬儀器所采用的信號(hào)測(cè)量硬件模塊的不同，虛擬儀器可以分為下面幾類：

(1)PC-DAQ數(shù)據(jù)采集卡

通常，人們利用計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽和外部接口，將信號(hào)測(cè)量硬件設(shè)計(jì)為計(jì)算機(jī)插卡或外部設(shè)備，直接插接在計(jì)算機(jī)上，再配上相應(yīng)的應(yīng)用軟件，組成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。這是目前應(yīng)用得最為廣泛的一種計(jì)算機(jī)虛擬儀器組成形式。按計(jì)算機(jī)總線的類型和接口形式，這類卡可分為ISA卡，EISA卡，VESA卡，PCI卡，PCMCIA卡，并口卡、串口卡和USB口卡等。按板卡的功能則可以分為A/D卡、D/A卡、數(shù)字I/O卡、信號(hào)調(diào)理卡、圖象采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡等。

(2)GPIB總線儀器

GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)是測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)通訊的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。通過GPIB接口總線，可以把具備GPIB總線接口的測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)連接起來，組成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。GPIB總線接口有二十四線(IEEE-488標(biāo)準(zhǔn))和二十五線(IEC-625標(biāo)準(zhǔn))二種形式，其中以IEEE-488的二十四線GPIB總線接口應(yīng)用最多。在我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中確定采用24線的電纜及相應(yīng)的插頭插座，其接口的總線定義和機(jī)電特性如下圖所示。

GPIB總線測(cè)試儀器通過GPIB接口和GPIB電纜與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，形成計(jì)算機(jī)測(cè)試儀器。與DAQ卡不同，GPIB儀器是獨(dú)立的設(shè)備，能單獨(dú)使用。GPIB設(shè)備可以串接在一起使用，但系統(tǒng)中GPIB電纜的總長(zhǎng)度不應(yīng)超過20m，過長(zhǎng)的傳輸距離會(huì)使信噪比下降，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量有影響。

(3)VXI總線模塊

VXI總線模塊是另一種新型的基于板卡式相對(duì)獨(dú)立的模塊化儀器。從物理結(jié)構(gòu)看，一個(gè)VXI總線系統(tǒng)由一個(gè)能為嵌入模塊提供安裝環(huán)境與背板連接的主機(jī)箱和插接的VXI板卡組成。與GPIB儀器一樣，它需要通過VXI總線的硬件接口才能與計(jì)算機(jī)相連。

(4)RS232串行接口儀器

很多儀器帶有RS232串行接口，通過連接電纜將儀器與計(jì)算機(jī)相連就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)儀器進(jìn)行控制。

(5)現(xiàn)場(chǎng)總線模塊

現(xiàn)場(chǎng)總線儀器，是一種用于惡劣環(huán)境條件下的、抗干擾能力很強(qiáng)的總線儀器模塊。與上述的其它硬件功能模塊相類似，在計(jì)算機(jī)中安裝了現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡后，通過現(xiàn)場(chǎng)總線專用連接電纜，就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線儀器進(jìn)行控制。

8.2.2驅(qū)動(dòng)程序

任何一種硬件功能模塊，要與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，都需要在計(jì)算機(jī)中安裝該硬件功能模塊的驅(qū)動(dòng)程序（就如同在計(jì)算機(jī)中安裝聲卡、顯示卡和網(wǎng)卡一樣），儀器硬件驅(qū)動(dòng)程序使用戶不必了解詳細(xì)的硬件控制原理和了解GPIB、VXI、DAQ、RS232等通訊協(xié)議就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定儀器硬件的使用、控制與通信。驅(qū)動(dòng)程序通常由硬件功能模塊的生產(chǎn)商隨硬件功能模塊一起提供。

8.2.3應(yīng)用軟件

“軟件即儀器”，應(yīng)用軟件是虛擬儀器的核心。一般虛擬儀器硬件功能模塊生產(chǎn)商會(huì)提供示波器、數(shù)字萬用表、邏輯分析儀等常用虛擬儀器應(yīng)用程序。對(duì)用戶的特殊應(yīng)用需求，則可以利用LabVIEW、AgilentVEE等虛擬儀器開發(fā)軟件平臺(tái)來開發(fā)。

6.5.3

虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)介紹

軟件技術(shù)是虛擬儀器的核心技術(shù)。常用的儀器用開發(fā)軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等，其中以LabVIEW應(yīng)用最為廣泛。LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標(biāo)表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向。什么是LabVIEW?什么是LabVIEW?LabVIEW程序被稱為VI（VirtualInstrument），即虛擬儀器。LabVIEW的核心概念就是“軟件即是儀器”，即虛擬儀器的概念。LabVIEW還包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)等。LabVIEW可以做什么?LabVIEW在測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有最大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)。用戶可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成一套完整的從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、顯示和存儲(chǔ)的自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。它被廣泛地應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。LabVIEW可以做什么?LabVIEW不僅可以用來快速搭建小型自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)，還可以被用來開發(fā)大型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。在美國(guó)LawrenceLivermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)花費(fèi)2000萬美金的極為復(fù)雜的飛秒激光切割系統(tǒng)就是基于LabVIEW開發(fā)的。在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)二期工程北京譜儀慢控制系統(tǒng)中，大約有30種物理量共7000多點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)采集控制和分析記錄等。LabVIEW的發(fā)展歷程范例演示一個(gè)類似于左圖的正弦波發(fā)生器，要求頻率和幅度可調(diào)開始LabVIEW之旅安裝LabVIEWLabVIEW編程環(huán)境LabVIEW8.2啟動(dòng)界面前面板和程序框圖控件選板函數(shù)選板工具選板善用LabVIEW聯(lián)機(jī)幫助實(shí)時(shí)上下文幫助窗口聯(lián)機(jī)幫助文檔范例查找器編輯前面板輸入控件（Controls）和顯示控件（Indicator）控件屬性編輯程序框圖程序框圖中的控件對(duì)象程序框圖節(jié)點(diǎn)對(duì)象連線運(yùn)行VI調(diào)試VI1安裝LabVIEWLabVIEW程序包括前面板（用戶界面）和后面板（程序框圖）3種選板：控件選板（為前面板添加控件）函數(shù)選板（在程序框圖中添加函數(shù)或數(shù)據(jù)等）工具選板（選擇各種編輯工具，前面板和后面板都要用到）2LabVIEW編程環(huán)境LabVIEW8.2啟動(dòng)界面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前面板和程序框圖LabVIEW程序被稱為VI，擴(kuò)展名默認(rèn)為.vi框圖窗口前面板窗口圖標(biāo)控件選板控件選板控件選板在前面板顯示，它包含創(chuàng)建前面板時(shí)可用的全部對(duì)象?？丶x板中的基本常用控件可以以現(xiàn)代（modern）、經(jīng)典（classic）和系統(tǒng)（system）三種風(fēng)格顯示。選擇主菜單View->ControlsPalette選項(xiàng)或右擊前面板空白處就可以顯示控件選板。函數(shù)選板函數(shù)選板函數(shù)選板只能在編輯程序框圖時(shí)使用，與控件選板的工作方式大體相同。創(chuàng)建框圖程序常用的VI和函數(shù)對(duì)象都包含在該選板中。選擇View->FunctionsPalette或右擊框圖面板空白處就可以顯示函數(shù)選板。工具選板工具選板在前面板和程序框圖中都可以使用工具選板，使用其中不同的工具可以操作、編輯或修飾前面板和程序框圖中選定的對(duì)象，也可以用來調(diào)試程序等。可以選擇View->ToolsPalette選項(xiàng)來顯示工具選板3善用LabVIEW聯(lián)機(jī)幫助LabVIEW為用戶提供了非常全面的幫助信息，有效地利用幫助信息是快速掌握LabVIEW的一條捷徑。LabVIEW提供了各種獲取幫助信息的方法，包括實(shí)時(shí)上下文幫助（ShowContextHelp）、聯(lián)機(jī)幫助、LabVIEW范例查找器（FindExamples）、網(wǎng)絡(luò)資源（WebResources）等。實(shí)時(shí)上下文幫助窗口單擊此處訪問更詳細(xì)的聯(lián)機(jī)幫助更多幫助信息鎖定上下文相關(guān)幫助顯示VI路徑實(shí)時(shí)上下文幫助窗口選擇菜單欄中Help->ShowContextHelp選項(xiàng)或按下Ctrl+H，就會(huì)彈出ContextHelp窗口。當(dāng)鼠標(biāo)移到某個(gè)對(duì)象或函數(shù)上時(shí)，上下文幫助窗口就會(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。聯(lián)機(jī)幫助文檔聯(lián)機(jī)幫助文檔當(dāng)單擊ContextHelp窗口中Detailedhelp會(huì)彈出相應(yīng)的完整的幫助信息。這是一個(gè)Windows標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)格的幫助窗口，包含了LabVIEW全部的幫助信息。你也可以選擇主菜單Help->SearchtheLabVIEWHelp選項(xiàng)打開它。范例查找器范例查找器LabVIEW提供了大量的范例，這些范例幾乎包含了LabVIEW所有功能的應(yīng)用實(shí)例，并提供了大量的綜合應(yīng)用實(shí)例。在菜單欄中選擇Help->FindExamples選項(xiàng)可以打開范例查找器。4.編輯前面板LabVIEW中的前面板是圖形化的人機(jī)界面，利用控件選項(xiàng)板提供的各種控件可以所見即所得地編輯豐富多彩的人機(jī)界面。輸入控件（Controls）和顯示控件（Indicator）

利用輸入控件可以輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，例如數(shù)字、布爾量、字符串和文件路徑等。輸入控件（Controls）和顯示控件（Indicator）顯示控件用來顯示數(shù)據(jù)。顯示控件有數(shù)字、溫度計(jì)、LED指示燈、文本、波形圖等。輸入控件（Controls）和顯示控件（Indicator）前面板中的一些控件既可以作為輸入控件也可以做作為顯示控件。右擊控件，選擇ChangetoIndicator或ChangetoControl可以進(jìn)行輸入控件與顯示控件之間的切換?？丶傩郧懊姘逯械拿總€(gè)控件都有自己的屬性，如控件的顏色、最大最小值、顯示精度和方式等。許多屬性都可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行編輯。右擊前面板任何一個(gè)控件選擇Properties選項(xiàng)就可以彈出該控件的屬性配置窗口。5編輯程序框圖程序框圖是圖形化源代碼的集合，這種圖形化的編程語言也稱為G語言。程序框圖中的控件對(duì)象程序框圖中的控件對(duì)象實(shí)際上是前面板相應(yīng)控件的接線端

前面板控件程序框圖中對(duì)應(yīng)的接線端程序框圖節(jié)點(diǎn)LabVIEW中的程序框圖節(jié)點(diǎn)是指帶有輸入和輸出接線端的對(duì)象，類似文本編程語言中的語句、運(yùn)算符、函數(shù)和子程序。LabVIEW中的節(jié)點(diǎn)主要包括函數(shù)、結(jié)構(gòu)、ExpressVI、子VI等。對(duì)象連線

6運(yùn)行VI1．運(yùn)行VI

單擊前面板或程序框圖工具欄中的運(yùn)行按鈕就可以運(yùn)行VI一次，當(dāng)VI正在運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行按鈕變?yōu)闋顟B(tài)。2．停止VI運(yùn)行 當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，停止按鈕由編輯