數據采集與分析技術（第2版）課件：使用 LabVIEW 進行數據采集與分析

使用LabVIEW進行數據采集與分析11.1LabVIEW簡介11.2使用LabVIEW進行數據采集實例

11.1LabVIEW簡介

LabVIEW是由美國國家儀器(NationalInstruments，

NI)公司開發(fā)的、優(yōu)秀的商用圖形化編程開發(fā)平臺，是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench的縮寫，意為實驗室虛擬儀器集成環(huán)境。

LabVIEW提供了一種圖形化的編程語言，被稱為G語言。通常把利用LabVIEW編寫的程序稱為虛擬儀器(VirtualInstrument，

VI)。從1986年NI公司正式發(fā)布LabVIEW1.0forMacintosh到2009年推出最新版本LabVIEW2009，

LabVIEW是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。NI公司的口號是“軟件就是儀器”。

根據調查，目前已有85%的財富500強制造型企業(yè)正在使用NI公司的LabVIEW系列軟件，例如惠普、英特爾、AMD、諾基亞、西門子、本田、寶潔等諸多著名國際品牌。

11.1.1LabVIEW的基本特點

1.圖形化編程

LabVIEW為用戶提供了一個簡單易用的圖形化編程環(huán)境。圖11.1所示是一個溫度監(jiān)測(溫度信號的數據采集與顯示)的典型例子，展示了用LabVIEW進行編程的基本情況。圖11.1用于溫度監(jiān)測的LabVIEW程序(a)LabVIEW應用程序的前面板;圖11.1用于溫度監(jiān)測的LabVIEW程序(b)LabVIEW應用程序的程序框圖

如圖11.1所示，

LabVIEW應用程序的基本組成部分是虛擬儀器(VI)，它由前面板(用來設計用戶界面)和程序框圖(用來創(chuàng)建圖形化代碼)組成，具有非常強的直觀可讀性。

LabVIEW使用的是NI公司已獲專利的數據流編程模式，它能使我們從基于文本程序語言的結構形式中解脫出來。由于LabVIEW采用的是圖形化代碼，因此對于熟悉框圖和流程圖的用戶就顯得非常方便。LabVIEW的執(zhí)行順序是由節(jié)點間的數據流而不是由文本行的順序所決定的，因此可以輕松地建立程序框圖來并行執(zhí)行多個操作，并借助于LabVIEW的并行特性而使得多任務和多線程更易于實現。

2.模塊化設計

LabVIEW的VI是設計過程中的模塊，可以單獨運行或者使其成為子VI(SubVI)，對應于傳統(tǒng)文本編程中的程序和子程序，因此，

LabVIEW具有良好的模塊化和層次結構特點。LabVIEW中有許多內置的模塊，主要分為前面板中的控件模塊(Controls)(如圖11.2所示)和程序框圖中的函數模塊(Functions)(如圖11.3所示)兩類，與傳統(tǒng)文本編程中的函數庫具有功能上的相似性。圖11.2前面板中的控件模塊(Controls)圖11.3程序框圖中的函數模塊(Functions)

3.高效率

考慮到程序的執(zhí)行速度，雖然采用了圖形化編程方式，但LabVIEW是具有編譯器的編程環(huán)境，所生成的代碼已經經過了優(yōu)化，其執(zhí)行速度完全可與編譯后的C語言程序相媲美。因此，采用LabVIEW可以大大地提高開發(fā)效率而不犧牲執(zhí)行速度。

4.開放性

LabVIEW是具有開放性的開發(fā)環(huán)境，能夠方便地與第三方軟件相連接，例如.net組件、ActiveX、DLL及廣泛的網絡協(xié)議等;還可以把LabVIEW創(chuàng)建成能夠在其他軟件環(huán)境中調用的獨立執(zhí)行程序或動態(tài)連接庫文件，如Delphi、C++Builder、VisualC++等。

11.1.2LabVIEW的具體功能

LabVIEW支持多平臺，可以運行在Windows95、Windows98、WindowsMe、WindowsNT、Windows2000、WindowsXP和嵌入式NT環(huán)境下，同時還支持MacOS、

SunSolaris與Linux等操作系統(tǒng)。在某一平臺下編寫的虛擬儀器程序(VI)能夠直接轉移到其他的LabVIEW平臺上，所需要做的僅僅是在新環(huán)境下重新打開它即可。

下面以Windows平臺下的LabVIEW為例，簡要列舉其具體功能，并把那些僅僅支持Windows的功能以“*”標識出來。

NI公司提供了三種LabVIEW版本:專業(yè)版(ProfessionalDevelopmentSystem，PDS)、完全版(FullDevelopmentSystem，

FDS)和基礎版(BasePackage，且僅針對Windows平臺提供)。目前NI公司還針對高校教學領域推出了沒有使用時間限制的學生版，面向的是學生和教師，其功能與完整版相同，并且針對中國用戶免費發(fā)放。

各個版本的其他情況，可以到

/china/labview查看更為詳盡的信息。表11.1簡單地列出了各個版本中的具體功能。

11.1.3LabVIEW在數據采集領域的應用

LabVIEW提供的最有力的特性就是圖形化的編程環(huán)境。借助于LabVIEW，可以在電腦屏幕上創(chuàng)建出完全符合自己要求的用戶界面，從而可以操作儀器程序、控制硬件、分析

采集到的數據和顯示結果等。

到的數據和顯示結果等。由于LabVIEW的高效率和開放性，目前已有許多第三方軟硬件生產廠家在開發(fā)并維

護成百上千個LabVIEW函數庫及儀器驅動程序，以幫助用戶借助于LabVIEW來輕松使用他們的產品。例如，凌華(Adlink)和研華(Advantech)等公司，均提供了比較豐富的

LabVIEW驅動和編程開發(fā)支持。

從實際過程來看，測量應用程序可以被分為三個部分:①連接或采集實際數據;②分析數據以獲取有用的信息;③向最終用戶顯示信息。而LabVIEW的開放式環(huán)境可以簡化

與任何測量硬件的連接，從而便于實現信號的采集。通過LabVIEW，并使用LabVIEW儀器驅動、交互式儀器助手和內置的儀器I/O庫，可以快速地采集來自GPIB、串口、以太網、PXI、USB和VXI等儀器的數據。

當前的LabVIEW支持任意的測量信號:溫度、壓力、振動、聲音、電壓、電流、頻率、光、電阻、脈沖、周期等。

以研華(Advantech)公司的LabVIEW驅動為例，圖11.

4展示了安裝后顯示在程序框圖中的LabVIEW函數庫。圖11.4研華公司提供的LabVIEW函數庫

11.2使用LabVIEW進行數據采集實例

11.2.1實現數據顯示下面介紹一個簡單的信號顯示的例子，以此來向讀者展示LabVIEW編程的強大功能和易學易用性。

1.創(chuàng)建VI程序首先打開LabVIEW，經過一個歡迎畫面后，可以看到圖11.5所示的界面。圖11.5LabVIEW的主操作界面

然后單擊“New”按鈕，選擇BlankVI，則生成了一個空白的VI程序，如圖11.6所示。如前所述，該VI程序由前面板和程序框圖組成，并分別有相應的內置模塊顯示出來，右上角則是在線幫助窗口。圖11.6新建的空白VI程序(a)空白VI程序的前面板窗口;圖11.6新建的空白VI程序(b)空白VI程序的程序框圖窗口

2.添加控件模塊

1)添加示波器

在前面板的內置模塊中選擇“GraphInds”，單擊“Chart”，再用鼠標單擊前面板，可以看到，在前面板放置了一個示波器控件，它在程序框圖里也有相應的顯示，如圖11.7所示。圖11.7添加一個示波器控件的VI程序

2)添加輸入信號

在程序框圖中放置一個仿真的輸入信號，即選擇“Input”，單擊“SimulateSig”，放置到程序框圖11.

8中。此時會彈出一個對話框，從中可以詳細配置這個仿真信號。這里取默認的10Hz正弦信號(采樣頻率為1000Hz、點數為100點)，如圖11.9所示，以后也可以通過雙擊該仿真信號在程序框圖中的圖標來打開此對話框并進行適當配置。圖11.8所示的是添加了輸入信號的程序框圖，圖11.9所示的是仿真輸入信號的配置對話框。圖11.8在程序框圖中添加輸入信號

3.圖形化編程

在程序框圖窗口中，從上面的菜單項“Windows”中選擇“ShowToolsPalette”，選擇連線工具，把仿真信號的輸出端與示波器控件的輸入端相連，如圖11.10所示。圖11.10連線

4.運行程序

選擇菜單“Operate”中的“Run”(或者工具欄中的圖標

)，即可看到前面板中的正弦信號輸出，如圖11.11所示。圖11.11程序運行結果

5.程序改進

在圖11.11的運行結果中，只顯示了一個正弦波。為了能夠持續(xù)不斷地產生并顯示正弦波形，需要在程序框圖中添加一個循環(huán)，這里選用While循環(huán)，并由一個“STOP”按鈕控制退出。

在函數面板中選擇“ExecCtrl”，單擊“WhileLoop”，然后拖拉并包含仿真信號、示波器控件所在的范圍。單擊圖標，可以看到圖11.12所示的畫面(為了看得清楚，這里已

經把信號改為1Hz)。

6.討論

如上所述，用LabVIEW非常方便地實現了一個仿真信號的顯示。如果把仿真信號換成真實的采集信號，再在信號的輸出端連接相應的分析模塊，例如FFT、譜分析、小波分析等，就構成了一個完整的數據采集、分析與顯示系統(tǒng)，這里不再贅述。圖11.12程序改進后的運行結果

11.2.2驅動數據采集卡

下面以研華公司的數據采集卡為例，簡單介紹利用LabVIEW進行數據采集的基本過程。可以看到，有了LabVIEW的支持，進行數據采集將會是一件非常簡單和輕松的事情。

數據采集卡，即實現數據采集(DAQ)功能的計算機擴展卡，可以通過USB、PCI、ISA、485、232和以太網等各種方式接入計算機。

1.安裝硬件產品和驅動程序

首先安裝數據采集卡以及驅動程序，然后分別安裝DLL驅動和設備管理程序，如圖11.13所示。驅動程序可在研華公司贈送的驅動光盤上找到，也可從研華公司的官方網站上下載，網址是www.advantech.com。圖11.13研華公司的DLL驅動程序和設備管理程序

2.安裝LabVIEW函數庫

從數據采集卡附帶的光盤上可以找到安裝程序，也可以到研華公司的官方網站上下載其最新版本，名為LabVIEW.

exe。雙擊該程序進行安裝即可，注意自己的LabVIEW版本和安裝目錄。

3.進行配置

圖11.4已經顯示了研華公司LabVIEW函數庫的存放位置，這里只介紹硬件的配置情況。

1)運行設備管理程序

首先需要找到并運行設備管理程序，不妨查看“[開始]菜單→程序→AdvantechDeviceDriverV2.0b”，單擊AdvantechDeviceManager快捷方式。運行后界面如圖11.14所示。圖11.14研華公司的設備管理程序

2)添加硬件

從圖11.14中可見，對于沒有(正確)安裝的硬件，前面都有紅色的叉號進行標識;而且研華已經自動安裝了一個虛擬的數據采集卡，名為“AdvantechDEMOBoard”，可用于研華板卡編程的學習。

選擇該DEMO卡，單擊“Add”按鈕，則出現如圖11.15所示的對話框，要求設置該卡的基地址。不妨采用默認的數字，不做修改。圖11.15研華DEMO板的基地址設置

這時可以看到圖11.16所示的畫面，表示研華的DEMO卡已經添加完成，可以使用了。該DEMO卡的基地址為1H(十六進制表示)，設備編號為000，利用此設備編號可以對該DEMO卡實施相關操作。圖11.16添加研華DEMO采集卡

3)硬件測試

單擊圖11.16中的“Test”按鈕，則可以對已經添加的卡進行測試，分別是模擬輸入/輸出、數字輸入/輸出、計數器等，顯示了各個通道的配置情況，如圖11.17所示。由于是虛擬出來的數據采集卡，因而這里不做修改，采用默認的設置。圖11.17研華DEMO卡的配置畫面

4.利用研華DEMO卡構建數據采集系統(tǒng)

1)創(chuàng)建VI程序

首先，新建一個VI程序，如圖11.18所示。在前面板上放置一個示波器控件，將來用于顯示所采集到的數據;從研華的LabVIEW函數庫中找到DeviceOpen.

Vi、DeviceClose.Vi和AIVoltageIn.vi三個函數，分別用于打開采集設備、關閉采集設備和實施數據采集，其位置關系情況如圖11.19所示，而程序框圖中的情況則如圖11.20所示。圖11.18前面板上放置示波器控件圖11.19研華LabVIEW函數的位置圖11.20程序框圖中的各個模塊

2)圖形化編程

利用連線工具，把DeviceOpen

的輸出端與AIVoltageIn的輸入端相連，再把AIVoltageIn的輸出端與DeviceClose

的輸入端相連。注意兩個模塊相連時，不僅要把需要傳遞的參數DevHandle相連(藍色線條)，而且要把出錯信息連接起來(粉紅色線條)，最后添加一個出錯提示函數(在程序框圖的內置模塊中的“Time&Dialog”里的“SimpleErrorHandler.vi”)。這樣一旦系統(tǒng)出現問題就可以比較容易地判斷問題出在系統(tǒng)的哪一個部分。

前面已經提到，所安裝并添加的數據采集硬件，都分配有一個唯一的設備編號。給DeviceOpen的輸入端添加一個整數常量，若為0，則表示我們前面所添加的DEMO

卡。最后把測量到的數據送到示波器顯示控件，即把AIVoltageIn

的Voltage輸出端連接到示波器的輸入端。圖形化編程結束后的程序框圖如圖11.21所示。

3