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1、基于Labview虚拟仪器的开发与应用学院： 制造学院 班级： 机械0703 学号： 姓名： 章 涛 2009年12月13日基于Labview虚拟仪器的开发与应用摘要：LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活
2、的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。关键词：虚拟仪器 Labview 开发 应用Based on Labview Virtual Instrument Development and Application of Abstract: LabVIEW (Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench) is a graphical programming language, development environment, it is widely used by industry, ac
3、ademia and research laboratories accepted as a standard data acquisition and instrument control software. LabVIEW integration and satisfaction with GPIB, VXI, RS-232 and RS-485 protocol communications hardware and data acquisition card full functionality. It also has built easy to use TCP / IP, Acti
4、veX software such as standard library functions.This is a powerful and flexible software. Use it can easily create their own virtual instrument, its graphical interface makes programming and using the process is lively and interesting. Key words: development and application of Labview Virtual Instru
5、ment .一、虚拟仪器虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。虚拟仪器的主要特点有：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件;可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功
6、能，可以创造出功能更强的仪器;用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的
7、全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件
8、，它是一个真正的位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。 它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件！现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统（支持32位的嵌入式系统，并且可以扩展的），不断完善中(大家可以搜索CPUVIEW会有更详细信息；）二、基于LabVIEW 的虚拟仪器技术发展历程与研究进展进入20世纪8O年代，计算机在测试与控制领域应用越来越多，NI的工程师们意识到：需要一种强大的软件平台，让用户通过他们的
9、计算机获得更简单有效的测试与控制。苹果公司的Macintosh为这种即将诞生的图形化软件语言提供了一个最好的环境：G语言。不久后,也就是1983年6月，NI为基于计算机的测量和自动化开发出的一个软件包hbVIEW 问世。它的目标是简化程序的开发工作，让工程师和科学家能充分利用PC机的功能，快速简便地完成自己的工作圆。1986年1O月推出的LabVIEW 10 For Macintosh引发了仪器工业的革命。1990年1月，Macintosh机的第二版推出，它提供了图形编译功能，使得LabVIEw 中的VI可以与编译C语言一样的速度运行。1992年，hbVIEW的多平台版本问世，使其可以在Mac
10、intosh、MicrosoftWindows环境以及Sun Solaries等平台上运行。1993年1O月，hbVIEW 30版本开发完成，同时提供给用户的是一个应用系统生成器(Application Builder)，它使得LabVIEW 的VI变成一个可以独立运行的程序131。为了支持更多的操作系统平台，1994年4月，hbVIEW forWin(tows 32推出，紧接着在同年1O月又推出了LabVIEW for power Macintosh。1995年1O月，LabVlEWfor Windows 95开发成功。1997年5月，LabVIEW 4.0版本问世。1998年2月，版本升级
11、到hbVIEW 5.0。1999年2月，hbVIEW for Linux问世，同年NI公司推出了基于Windows 95Windows r4.0的LabVIEW5.1，它特别增加了网络功能， 借着它的新NIDataSocket技术，用户可与其Intemet启动应用程序共用数据，不用担心网络协议或数据格式，从而提高了开发网络应用程序的能力。2000年8月hbVIEW 6i问世,不仅适用于更多的操作系统平台，而且将智能化测量与控制技术进一步扩展到了Intemet网。2OO1年12月，版本升级到LabVIEW 61。2003年5月，NI公司推出了LabVIEW 7 Express版本，这是该公司hb
12、VIEW 图形化编程语言全系列产品的一次重要升级。它极大地简化了测量和自动化应用任务的开发，同时还将IJabVIEW使用范围进行了扩充。其新特性包括Express VI(虚拟仪器程序)和交互式仪器控制与数据采集，并新增RT(实时)、FPGA和PDA模块。一年后，LabVIEW 7.1迅速推出，它将Express技术扩展到自动化测量技术和RT应用系统中。经过二十多年的发展，现在的LabVIEW 已经成为一个功能强大而又灵活的虚拟仪器和分析软件应用开发工具。基于LabVIEW 的虚拟仪器技术的研究是虚拟仪器适应形势发展的必然要求。随着近年来互联网技术的发展，虚拟仪器网络化已经成为研究的热点之一。虚
13、拟仪器不再局限于一台独立的PC机，仪器使用联接功能来分配工作任务变得越来越普遍，最典型的例子就是超级计算机、分布式监控设备及数据结果远程可视化。另外，商业计算机(PC机)技术开始逐渐与嵌入式系统融合，虚拟仪器的功能也在进一步扩展，包括了更多嵌入式和实时功能。随着消费者对智能型汽车、电器和住宅等消费品需求的增加，嵌入式系统仍然会保持迅猛的发展势头。它的发展促进虚拟仪器实用性的开发，使其能应用到更多不同的领域中。下一代虚拟仪器将能够快速方便地与蓝牙(Bluetooth)、无线以太网和其他标准的网络技术融合。此外，虚拟仪器软件还要能更好的描述与设计分布式系统之间的定时和同步关系，以便帮助用户更快速地
14、开发和控制这些常见的嵌入式系统问。三、基于LabVIEW 的虚拟仪器技术应用现状LabVIEW 自诞生以来，在研发设计、实验测试验证、生产测控等方面取得了广泛的应用，遍布电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工、科研、教育、军事等诸多行业领域。从交通监控系统到大学实验室，从部件自动测试到工业过程控制都有LabVIEW 的存在，尤其在测试与测量领域，LabVIEW更是成为工业标准，其国际市场的占有率高达65，远远超过了其它竞争对手。这些都充分表明LabVIEW应用的广泛性和实用性。目前，虚拟仪器在发达国家中的设计、生产、使用已经十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言已作为各大学理工科
15、学生的一门必修课程。美国斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。美国Geomatiea公司利用基于LabVIEW 的虚拟仪器技术开发的一套A Mate自动灌溉系统，已成为当地农民监控用水、降低费用的有效工具阿尔卡特公司采用LabVIEW 在很短的时间里开发了一套自动测试平台，用于测量Litespan系统中ISDN电话设备的比特误码率(BER)。挪威CARDIAC公司开发了基于LabVIEW平台的测试海洋石油、大气、水流的MPFM系统 已经成功应用。在欧洲外壳石油钻探平台，qhVIEW 实时软件运行在紧凑型FieldPointI/O模块上，测量石油和
16、天然气的压力和液位阎。我国虚拟仪器的设计、生产、使用起步不久。从20世纪90年代开始，国内的一些大学相继开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作，如：清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、国防科技大学、成都电子科技大学、中国科技大学等。现在，国内已经有不少公司、科研院所进行虚拟仪器技术的研究。清华大学用G语言和虚拟仪器提升电工实验教学水平，改善了实验条件；该校机电系以LabVIEW 6i软件为平台，采用NI公司的多功能数据采集卡，并结合自行研发的采集装置，开发了一套具有采集分析和特征提取功能的先进脑电模型信号测量系统。相比以前的利用加转换器与计算机进行并口通讯的方式，大大减少了开发周期，提高了测量质量
17、，而且界面美观、接口方便。中国科学院构建了基于LabVIEW 的同步辐射实验系统。系统应用表明，G语言有利于实验室标准化和实验系统的持续发展更新，非常适用于同步辐射这种大型综合实验。上海科学技术研究所应用NI的DAQ和l-qhVIEW，构建了数据检测处理系统，用于服装面料的质量测定。从1998年投入使用以来，提高了整个质量测定系统的精确度和稳定性。上海法雷奥汽车电机雨刮系统有限公司利用LabVIEW 和NI公司的数据采集卡，研制了一套在线检测系统，已成功地应用到大众宝来A4轿车雨刮器电机生产中，在线测试电机电性能及电机振动量，同时进行测试数据存储及条形码打印。上海聚星仪器有限公司是NI在中国的
18、联盟商之一(VI Service Network)，致力于汽车电子、电信产品的测试与测量，运用LabVIEw和NIDAQmx，仅仅在一个月的时间内就完成支持2.5G手机的整个EDGE测试系统的集成。解决方案与原先的传统解决方案相比，成本降低了将近一半，同时使测试能力得到大大扩展。THOMSON SDM在深圳的公司，利用NI公司的温度模(ra-TC-120)和湿度模块(FPAIl11)作为硬件，LabVW 61作为软件支持，动态实时地监控公司内二十多个试验箱内的交变温湿度。广西省也有利用LabVW 开发平台，实现农作物繁育环境监测自动化、数据记录无纸化和参数统计图表化的试验案例。目前在诸多成功案
19、例中，有不少正在向商业化发展。四、前景LabVIEW 作为一个功能强大的图形化编程软件，是开发虚拟仪器的一种方便快捷的工具。作者认为，基于LabVIEw 的虚拟仪器技术将沿着高性能、多功能、集成化和网络化方向发展。首先，性能将进一步提高。为了满足不同领域、不同用户的需求，LabVIEW 的性能将不断增强，实时性也将越来越好。其次，目前虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使得资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，生产、维护和开发的费用降低，这些非常有利于LabVIEW 应用范围的扩大。最后，随着Internet技术的发展，基于LabVIEW 的虚拟仪器技术也必将朝着网络化方向发展。未来，网
20、络化虚拟仪器将有无限的发展前景。继“计算机就是仪器”、“软件就是仪器”概念之后，“网络就是仪器”的提法也已出现，它确切地概括了仪器的网络化发展趋势。利用网络和虚拟仪器技术建立设备远程监测及故障诊断系统是一个新的发展方向，它采用LabVIEW构造虚拟仪器的平台，再结合其它相关的技术如DataSocket技术和底层传输协议(TCP，UDP，DDE，PPC或Appleevent)编程等来实现远程网络监测与诊断。目前这一技术已经取得一定成果，远程联网监测分析技术也越来越得到重视。基于LabVIEW 的虚拟仪器技术还在向更广泛的领域发展。作者认为，把LabVIEW虚拟仪器技术应用到农业领域也有很大的发展
21、空间。国外已经有在农业上应用的成功案例，国内目前应用的还很少，大多处于研究试验阶段。例如，利用I-qhVIEW 开发农业气象实时监测系统，可以及时采集各种气象环境数据，为农业天气及灾害预报、病虫害预测预报以及农作物的栽培管理提供及时准确的信息。自动化、智能化、网络化和数字化将是今后农业发展的主要方向之一，而基于LabVIEW的虚拟仪器技术正是适应了这种现代农业的发展要求。因此，它将会在现代农业测试、农业自动化和农业信息化方面有所突破和发展。五、设计实例：电路过渡过程监测仪由于开发过程中实现监测和回放功能的主要控件不同，而两者需要设定的参数也是不同的，所以整个面板上的控件较多，为了使仪器面板更清
22、晰，更易于控制，同时也为了避免一些不必要的误操作，所以将监测面板和回放面板分开放置。监测面板如图1所示，从监测窗口可以观测到每次处理的数据(默认值为500个数据点)的波形，从观察到的幅值大小就可以推断出过渡过程是否发生，当然更直观的方法是观察该窗口左侧的报警指示灯。“停止监测”开关用于控制在参数设置不合理的情况下，手动停止该仪器工作，未处理数据显示框中数据表示未处理的数据采样数量，如果这一数据基本上是0或者很小的数(数量级不超过101)，表示工作正常，如果这一数值逐渐增加并且数量级超过102，说明参数设置不合理，就需要停止监测。可以通过单击“工作状态”按钮，进行“监测/回放”状态的切换。过渡过
23、程波形显示设备在仪器停止运行时候自动输出一个波形，其数据总数等于参数设置中处理速度乘以保存数据组数。可以在光标移动使能控制和光标拖动控制都开放的情况下，用鼠标直接在光标上拖动从而改变光标的位置。参数设置窗口能够设置包括通道号、采样率、缓冲大小、保存数据组数、缓冲数据组数、报警标准、过渡过程发生标准、存储路径等。本仪器提供的默认参数用于观测ms量级的过渡过程，可以根据实际的需求修改。程序的基本流程如图2所示。波形采集和连续采集需要使用更多的计算机资源，也需要使用缓冲区，而且在连续采集中一般需要在采集数据的同时对数据进行分析处理，本监测仪中，使用LabVIEW提供的模拟输入中级模块AI Confi
24、g ,AI Start, AI Read, AI Clear来实现，采集程序的模型如图3所示。实际虚拟仪器得到的波形并不理想，原因很多，如实验电源并非理想的，而实验推导是理想的，所以两者有不吻合之处，因此我们需要进行后续的数据处理，目前主要有滤波、拟合以及加窗三种方法。数字滤波器用于改变和消除不需要的波形，主要分为FIR(有限脉冲响应)和IIR(无限脉冲响应)两种。每种又有低通、高通、带通、带阻等类型，每种类型又有巴特沃兹、车比雪夫等亚型。理想情况下，数字滤波器是有单位增益的带通，完全不能通过的带阻，并且从带通到带阻的过渡带宽为零，实际情况下，不能满足上述条件，特别是从带通到带阻总有一个过渡过
25、程。我们尝试使用滤波器，用RC电路的阶跃响应作为测试对象，使用对消除波形畸变效果较好的反车比雪夫低通滤波器。虽然使用滤波器有助于消除谐波的干扰，但是由于方波本来就含有很高的奇数次谐波，所以滤波必然使这一部分能量丧失，因此其影响也就偏离了阶跃响应。用R=1KW，C=1mF的RC电路比较0-1t，1t-2t的时间进行比较，即从0到0.6321稳定值的时间和0.6321稳定值到0.8647的稳定值时间，如表2所示。由以上数据可以求出，无滤波的t平均值为0.0011s，有滤波的t平均值为0.0021s，两者相差很大，可见滤波后由于谐波损失，所以偏离了正确结果，故滤波这一方法在本仪器的开发中是不可行的。
26、曲线拟合的目的是找出一系列的参数，通过这些参数最好的模拟实验结果，LabVIEW中主要有线性拟合、指数拟合、多项式拟合、通用多项式拟合、通用线性拟合、通用Levenberg-Marquardt拟合等等。在实际情况下，对于阶跃响应，可以用指数拟合，但是指数拟合要求所有的数据都是同一符号的，对于二阶电路不适用，对于一阶电路，由于电源不理想等原因，也不能保证，对于方波响应就更不可行。加窗是数字信号处理中最重要的一项技术，它的主要作用是截取长信号序列中的有限短序列。但是在处理一阶和二阶电路的阶跃响应时候，由于阶跃波形不理想，导致孤独波形的起始阶段很差，因此也很难确定截取的范围。对于波形的不理想，通过软
27、件很难解决，最后的实验我们通过硬件方法有效的改善了波形。使用电路过渡过程监测仪进行试验，大部分参数可以采用默认设置,即通道号：0；采样频率：20000；缓冲大小：；处理速度：500；报警标准：0.10；过渡过程发生标准：0.10；保存数据组数：6；缓冲数据组数：1。在电路过渡过程观测中的其他设定参数如表3所示。参考文献【1】刘仁普，左毅仪器开发系统的新纪元LabVIEW 软件系统【J】电子科技导报，1995，(11)：32-35【2】虚拟仪器白皮书NI公司2003【3】王瑞林虚拟仪器技术在我国的应用前景【J】新疆大学学报(理工版)，2ool，18(1)：27-30【4】邝永明(Yong-Ming Kuang)广西大学学报(自然科学版)基于LabVIEW多功能虚拟仪器的应用开发31卷4期(2006/12)340-343【5】【6】【7】【8】 National InstnunentsLabVIEWVinual Instrument Tools forCC+，1996.I-10【9】http：/ wwweceenet