數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)（第2版）課件：使用 LabVIEW 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析

使用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析11.1LabVIEW簡介11.2使用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)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(yīng)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(jù)調(diào)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(shù)據(jù)采集與顯示)的典型例子，展示了用LabVIEW進(jìn)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(yīng)用程序的前面板;圖11.1用于溫度監(jiān)測的LabVIEW程序(b)LabVIEW應(yīng)用程序的程序框圖

如圖11.1所示，

LabVIEW應(yīng)用程序的基本組成部分是虛擬儀器(VI)，它由前面板(用來設(shè)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(shù)據(jù)流編程模式，它能使我們從基于文本程序語言的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(wù)和多線程更易于實現(xiàn)。

2.模塊化設(shè)計

LabVIEW的VI是設(shè)計過程中的模塊，可以單獨運行或者使其成為子VI(SubVI)，對應(yīng)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(jié)構(gòu)特點。LabVIEW中有許多內(nèi)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(shù)模塊(Functions)(如圖11.3所示)兩類，與傳統(tǒng)文本編程中的函數(shù)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(shù)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(jīng)經(jīng)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(wǎng)絡(luò)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(diào)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(zhuǎn)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(biāo)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(chǔ)版(BasePackage，且僅針對Windows平臺提供)。目前NI公司還針對高校教學(xué)領(lǐng)域推出了沒有使用時間限制的學(xué)生版，面向的是學(xué)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(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)據(jù)和顯示結(jié)果等。

到的數(shù)據(jù)和顯示結(jié)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(chǎn)廠家在開發(fā)并維

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

LabVIEW驅(qū)動和編程開發(fā)支持。

從實際過程來看，測量應(yīng)用程序可以被分為三個部分:①連接或采集實際數(shù)據(jù);②分析數(shù)據(jù)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(xiàn)信號的采集。通過LabVIEW，并使用LabVIEW儀器驅(qū)動、交互式儀器助手和內(nèi)置的儀器I/O庫，可以快速地采集來自GPIB、串口、以太網(wǎng)、PXI、USB和VXI等儀器的數(shù)據(jù)。

當(dāng)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(qū)動為例，圖11.

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

11.2使用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實例

11.2.1實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xué)易用性。

1.創(chuàng)建VI程序首先打開LabVIEW，經(jīng)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(yīng)的內(nèi)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(nèi)置模塊中選擇“GraphInds”，單擊“Chart”，再用鼠標(biāo)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(yīng)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(xì)配置這個仿真信號。這里取默認(rèn)的10Hz正弦信號(采樣頻率為1000Hz、點數(shù)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(biāo)來打開此對話框并進(jìn)行適當(dāng)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(biāo)

)，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(jié)果

5.程序改進(jìn)

在圖11.11的運行結(jié)果中，只顯示了一個正弦波。為了能夠持續(xù)不斷地產(chǎn)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(shù)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(biāo)，可以看到圖11.12所示的畫面(為了看得清楚，這里已

經(jīng)把信號改為1Hz)。

6.討論

如上所述，用LabVIEW非常方便地實現(xiàn)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(yīng)的分析模塊，例如FFT、譜分析、小波分析等，就構(gòu)成了一個完整的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示系統(tǒng)，這里不再贅述。圖11.12程序改進(jìn)后的運行結(jié)果

11.2.2驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡

下面以研華公司的數(shù)據(jù)采集卡為例，簡單介紹利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的基本過程?？梢钥吹?，有了LabVIEW的支持，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集將會是一件非常簡單和輕松的事情。

數(shù)據(jù)采集卡，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)等各種方式接入計算機。

1.安裝硬件產(chǎn)品和驅(qū)動程序

首先安裝數(shù)據(jù)采集卡以及驅(qū)動程序，然后分別安裝DLL驅(qū)動和設(shè)備管理程序，如圖11.13所示。驅(qū)動程序可在研華公司贈送的驅(qū)動光盤上找到，也可從研華公司的官方網(wǎng)站上下載，網(wǎng)址是www.advantech.com。圖11.13研華公司的DLL驅(qū)動程序和設(shè)備管理程序

2.安裝LabVIEW函數(shù)庫

從數(shù)據(jù)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(wǎng)站上下載其最新版本，名為LabVIEW.

exe。雙擊該程序進(jìn)行安裝即可，注意自己的LabVIEW版本和安裝目錄。

3.進(jìn)行配置

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

1)運行設(shè)備管理程序

首先需要找到并運行設(shè)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(shè)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(jìn)行標(biāo)識;而且研華已經(jīng)自動安裝了一個虛擬的數(shù)據(jù)采集卡，名為“AdvantechDEMOBoard”，可用于研華板卡編程的學(xué)習(xí)。

選擇該DEMO卡，單擊“Add”按鈕，則出現(xiàn)如圖11.15所示的對話框，要求設(shè)置該卡的基地址。不妨采用默認(rèn)的數(shù)字，不做修改。圖11.15研華DEMO板的基地址設(shè)置

這時可以看到圖11.16所示的畫面，表示研華的DEMO卡已經(jīng)添加完成，可以使用了。該DEMO卡的基地址為1H(十六進(jìn)制表示)，設(shè)備編號為000，利用此設(shè)備編號可以對該DEMO卡實施相關(guān)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(jīng)添加的卡進(jìn)行測試，分別是模擬輸入/輸出、數(shù)字輸入/輸出、計數(shù)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(shù)據(jù)采集卡，因而這里不做修改，采用默認(rèn)的設(shè)置。圖11.17研華DEMO卡的配置畫面

4.利用研華DEMO卡構(gòu)建數(shù)據(jù)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(shù)據(jù);從研華的LabVIEW函數(shù)庫中找到DeviceOpen.

Vi、DeviceClose.Vi和AIVoltageIn.vi三個函數(shù)，分別用于打開采集設(shè)備、關(guān)閉采集設(shè)備和實施數(shù)據(jù)采集，其位置關(guān)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(shù)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(shù)DevHandle相連(藍(lán)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(shù)(在程序框圖的內(nèi)置模塊中的“Time&Dialog”里的“SimpleErrorHandler.vi”)。這樣一旦系統(tǒng)出現(xiàn)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(jīng)提到，所安裝并添加的數(shù)據(jù)采集硬件，都分配有一個唯一的設(shè)備編號。給DeviceOpen的輸入端添加一個整數(shù)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(shù)據(jù)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(jié)束后的程序框圖如圖11.21所示。

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