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，簡稱VI）是20世紀90年代初期出現(xiàn)的一種新型儀器，它在計算機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調(diào)理和信號處理功能，用計算機程序來完成。這種硬件功能的軟件化，是虛擬儀器的一大特征。操作人員在計算機顯示屏上用鼠標和鍵盤控制虛擬儀器程序的運行，就像操作真實的儀器一樣，從而完成測量和分析任務(wù)。

虛擬儀器是計算機技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的產(chǎn)物，是對傳統(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，代表了當前測試儀器發(fā)展的方向之一。

NationalInstrument公司提出的計算機虛擬儀器

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

目前針對不同的應(yīng)用目的和環(huán)境，已設(shè)計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、運動控制卡等。

計算機虛擬儀器板卡

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器最大的特點是其功能由軟件定義，可以由用戶根據(jù)應(yīng)用需要進行調(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，可以由用戶自己改變應(yīng)用軟件來實現(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，信號采集與控制板卡，信號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測量硬件模塊的不同，虛擬儀器可以分為下面幾類：

(1)PC-DAQ數(shù)據(jù)采集卡

通常，人們利用計算機擴展槽和外部接口，將信號測量硬件設(shè)計為計算機插卡或外部設(shè)備，直接插接在計算機上，再配上相應(yīng)的應(yīng)用軟件，組成計算機虛擬儀器測試系統(tǒng)。這是目前應(yīng)用得最為廣泛的一種計算機虛擬儀器組成形式。按計算機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、信號調(diào)理卡、圖象采集卡、運動控制卡等。

(2)GPIB總線儀器

GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)是測量儀器與計算機通訊的一個標準。通過GPIB接口總線，可以把具備GPIB總線接口的測量儀器與計算機連接起來，組成計算機虛擬儀器測試系統(tǒng)。GPIB總線接口有二十四線(IEEE-488標準)和二十五線(IEC-625標準)二種形式，其中以IEEE-488的二十四線GPIB總線接口應(yīng)用最多。在我國的國家標準中確定采用24線的電纜及相應(yīng)的插頭插座，其接口的總線定義和機電特性如下圖所示。

GPIB總線測試儀器通過GPIB接口和GPIB電纜與計算機相聯(lián)，形成計算機測試儀器。與DAQ卡不同，GPIB儀器是獨立的設(shè)備，能單獨使用。GPIB設(shè)備可以串接在一起使用，但系統(tǒng)中GPIB電纜的總長度不應(yīng)超過20m，過長的傳輸距離會使信噪比下降，對數(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獨立的模塊化儀器。從物理結(jié)構(gòu)看，一個VXI總線系統(tǒng)由一個能為嵌入模塊提供安裝環(huán)境與背板連接的主機箱和插接的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算機相連。

(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算機相連就可以構(gòu)成計算機虛擬儀器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)用計算機對儀器進行控制。

(5)現(xiàn)場總線模塊

現(xiàn)場總線儀器，是一種用于惡劣環(huán)境條件下的、抗干擾能力很強的總線儀器模塊。與上述的其它硬件功能模塊相類似，在計算機中安裝了現(xiàn)場總線接口卡后，通過現(xiàn)場總線專用連接電纜，就可以構(gòu)成計算機虛擬儀器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)用計算機對現(xiàn)場總線儀器進行控制。

8.2.2驅(qū)動程序

任何一種硬件功能模塊，要與計算機進行通訊，都需要在計算機中安裝該硬件功能模塊的驅(qū)動程序（就如同在計算機中安裝聲卡、顯示卡和網(wǎng)卡一樣），儀器硬件驅(qū)動程序使用戶不必了解詳細的硬件控制原理和了解GPIB、VXI、DAQ、RS232等通訊協(xié)議就可以實現(xiàn)對特定儀器硬件的使用、控制與通信。驅(qū)動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)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標表示函數(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、顯示與存儲等。LabVIEW可以做什么?LabVIEW在測試、測量和自動化等領(lǐng)域具有最大的優(yōu)勢，因為LabVIEW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。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、顯示和存儲的自動化測試測量系統(tǒng)。它被廣泛地應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。LabVIEW可以做什么?LabVIEW不僅可以用來快速搭建小型自動化測試測量系統(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LawrenceLivermore國家實驗室，一個花費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。在北京正負電子對撞機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多點的現(xiàn)場數(shù)據(jù)點需要實時采集控制和分析記錄等。LabVIEW的發(fā)展歷程范例演示一個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)機幫助實時上下文幫助窗口聯(lián)機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象程序框圖節(jié)點對象連線運行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，擴展名默認為.vi框圖窗口前面板窗口圖標控件選板控件選板控件選板在前面板顯示，它包含創(chuàng)建前面板時可用的全部對象?？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象，也可以用來調(diào)試程序等?？梢赃x擇View->ToolsPalette選項來顯示工具選板3善用LabVIEW聯(lián)機幫助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，包括實時上下文幫助（ShowContextHelp）、聯(lián)機幫助、LabVIEW范例查找器（FindExamples）、網(wǎng)絡(luò)資源（WebResources）等。實時上下文幫助窗口單擊此處訪問更詳細的聯(lián)機幫助更多幫助信息鎖定上下文相關(guān)幫助顯示VI路徑實時上下文幫助窗口選擇菜單欄中Help->ShowContextHelp選項或按下Ctrl+H，就會彈出ContextHelp窗口。當鼠標移到某個對象或函數(shù)上時，上下文幫助窗口就會顯示相應(yīng)的幫助信息。聯(lián)機幫助文檔聯(lián)機幫助文檔當單擊ContextHelp窗口中Detailedhelp會彈出相應(yīng)的完整的幫助信息。這是一個Windows標準風(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)用實例，并提供了大量的綜合應(yīng)用實例。在菜單欄中選擇Help->FindExamples選項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界面，利用控件選項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、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可以進行輸入控件與顯示控件之間的切換?？丶傩郧懊姘逯械拿總€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)不同的需要進行編輯。右擊前面板任何一個控件選擇Properties選項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象程序框圖中的控件對象實際上是前面板相應(yīng)控件的接線端

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

6運行VI1．運行VI

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