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1、第第1章章 虚拟仪器技术概述虚拟仪器技术概述引子n所有的测量仪器主要功能可由所有的测量仪器主要功能可由数据采数据采集集数据测试和分析数据测试和分析结果输出显示结果输出显示等等三大部分组成，其中数据分析和结果输三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成由计算机组成的测量仪硬件，就可构成由计算机组成的测量仪器。器。2023/2/921.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器指的是具有虚拟仪器面板的个人虚拟仪器指的是具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。计算机仪器。它由通用个
2、人计算机、模块它由通用个人计算机、模块化功能硬件和控制软件所组成。操作人员化功能硬件和控制软件所组成。操作人员通过友好的图形用户界面以及图形化编程通过友好的图形用户界面以及图形化编程语言来控制仪器的运行，以完成对被测试语言来控制仪器的运行，以完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储以及量的采集、分析、判断、显示、存储以及数据生成。数据生成。2023/2/931.1 虚拟仪器的概念在虚拟仪器当中，在虚拟仪器当中，PC机并不仅仅是起了显机并不仅仅是起了显示器的作用。虚拟仪器是把示器的作用。虚拟仪器是把仪器的部分功仪器的部分功能软件化能软件化，封装形成模块，以供调用，封装形成模块，以供调用(即实
3、即实现软件功能的即插就用，现软件功能的即插就用，Plug&Play)；而系统必要的一些硬件，如数据采集电路而系统必要的一些硬件，如数据采集电路等也设计成各种功能模块，即各种硬件插等也设计成各种功能模块，即各种硬件插卡，以供选用。卡，以供选用。2023/2/941.1 虚拟仪器的概念传统仪器传统仪器厂商定义功能厂商定义功能虚拟仪器虚拟仪器用户定义功能用户定义功能2023/2/95虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算机程序完硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算机程序完成。成。仪器技术的发展过程仪器技术的发展过程
4、2023/2/96第一代：模拟式仪器仪表第一代：模拟式仪器仪表如如指针式电流、电压、万用表、模拟式信号产生指针式电流、电压、万用表、模拟式信号产生器等，它们对测量结果进行指示的基本结构是电磁机器等，它们对测量结果进行指示的基本结构是电磁机械式结构。械式结构。第二代：数字化仪器第二代：数字化仪器如如数字电压表、数字频率计、数显表、记忆示波数字电压表、数字频率计、数显表、记忆示波器等。它是将模拟信号的测量转为数字信号的测量，器等。它是将模拟信号的测量转为数字信号的测量，并以数字方式输出和显示结果。并以数字方式输出和显示结果。仪器技术的发展过程仪器技术的发展过程2023/2/97第三代：智能仪器第三
5、代：智能仪器内置有微处理器，能进行自动测试并具有一定的内置有微处理器，能进行自动测试并具有一定的数据处理功能。其功能模块是硬件和固化的软件，灵数据处理功能。其功能模块是硬件和固化的软件，灵活性差。活性差。第四代：虚拟仪器第四代：虚拟仪器是是计算机技术、数据通信技术和测量技术相结合计算机技术、数据通信技术和测量技术相结合的产物，它几乎克服了传统硬件化仪器的所有缺点，的产物，它几乎克服了传统硬件化仪器的所有缺点，是测试仪器的发展方向。是测试仪器的发展方向。仪器技术的发展过程仪器技术的发展过程2023/2/98(2)虚拟仪器的发展现状虚拟仪器的发展现状国内：国内：20世纪世纪90年代中期开始引进、研
6、究和开发工作，目前已取得了很大年代中期开始引进、研究和开发工作，目前已取得了很大进展。如重庆大学已成功开发了进展。如重庆大学已成功开发了15类类30余种直接的虚拟仪器并在全国推广。余种直接的虚拟仪器并在全国推广。国外：国外：20世纪世纪80年代以来，年代以来，NI公司研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，公司研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，其代表产品其代表产品LabVIEW图形编程系统已广泛使用。随后图形编程系统已广泛使用。随后HP公司也推出了公司也推出了HPVEE编程系统。后来世界上又陆续百家公司如编程系统。后来世界上又陆续百家公司如Tektronix公司、公司、Racal公公司也相继推出
7、了各自的产品。司也相继推出了各自的产品。1988年，全球只有年，全球只有5家制造商推出的家制造商推出的30余种产品；余种产品；1994年，已有年，已有90余家近余家近1000多种产品问世。多种产品问世。据据“国际自动化仪表国际自动化仪表”杂志杂志1999年预测：到年预测：到21世纪前十年，全世界将有世纪前十年，全世界将有50%的仪器仪表为虚拟仪器，其生产厂家将超过千家，产品将达到数千种。的仪器仪表为虚拟仪器，其生产厂家将超过千家，产品将达到数千种。市场占有率将达到电测仪器仪表的市场占有率将达到电测仪器仪表的50%以上。以上。2023/2/99VI传统仪器传统仪器软件使得开发与维护费用降至最低开
8、发与维护开销高技术更新周期短(12年)技术更新周期长(510年)关键是软件关键是硬件价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵用户定义仪器功能厂商定义仪器功能开放、灵活，计算机技术同步发展封闭、固定与网络及其它周边设备互联功能单一的独立设备传统仪器传统仪器:厂商定义厂商定义虚拟仪器虚拟仪器:用户定义用户定义2023/2/910PXIVXIGPIBDAQIMAQMotion硬件板卡硬件板卡软件软件程序解决方案程序解决方案软件驱动模块软件驱动模块2023/2/911GPIBGPIB接口卡接口卡测测控控对对象象信号调理信号调理GPIB GPIB 接口仪器接口仪器现场总线（现场总线（FieldbusFiel
9、dbus）设备设备串行口仪器串行口仪器/PLC/PLC数据采集卡数据采集卡PCPC机或工作机或工作站虚拟仪器站虚拟仪器软件开发平台软件开发平台VXI VXI 仪器仪器虚拟仪器构成框图虚拟仪器构成框图2023/2/9122023/2/913一些常用的虚拟仪器板卡一些常用的虚拟仪器板卡DAQ CardIMAQ CardField PointMotion Control Card2023/2/9141.1 虚拟仪器的概念n虚拟仪器系统是由计算机、应用软计算机、应用软件和仪器硬件件和仪器硬件三大要素构成的。计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪通用仪器硬件平台器硬件平台。2023/2/9151.1 虚拟仪
10、器的概念n软件技术软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用开发软件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等，其中以LabVIEW应用最为广泛。2023/2/9161.2 什么是LabVIEW?nLabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。n传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向。2023/2/917202
11、3/2/9181.2 什么是LabVIEW?nLabVIEW程序被称为VI（Virtual Instrument），即虚拟仪器。nLabVIEW的核心概念就是“软件即是仪器”，即虚拟仪器的概念。nLabVIEW还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。2023/2/9191.3 LabVIEW可以做什么?nLabVIEW在测试、测量和自动化等领域具有最大的优势，因为LabVIEW提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储。n用户可以在数分钟内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。n它被广泛地应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生
12、产、过程控制和生物医学等各个领域。2023/2/9201.3 LabVIEW可以做什么?nLabVIEW不仅可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以被用来开发大型的分布式数据采集与控制系统。n在美国Lawrence Livermore国家实验室，一个花费2000万美金的极为复杂的飞秒激光切割系统就是基于LabVIEW开发的。n在北京正负电子对撞机二期工程北京谱仪慢控制系统中，大约有30种物理量共7000多点的现场数据点需要实时采集控制和分析记录等。2023/2/9212023/2/9221.4 LabVIEW的发展历程 2023/2/9231.5 初步认识LabVIEW 2023/2/9
13、24 LabVIEW 8.2 启动界面VI程序和工程创建栏新近打开的工程和VI程序列表栏帮助资源列表栏2023/2/925前面板和程序框图nLabVIEW程序被称为VI，扩展名默认为.vi框图窗口前面板窗口图标2023/2/926控件选板2023/2/927控件选板n控件选板控件选板在前面板显示，它包含创建前面板时可用的全部对象。控件选板中的基本常用控件可以以现代现代（modern）、经典经典（classic）和系统系统（system）三种风格显示。n选择主菜单View-Controls Palette选项或右击前面板空白处就可以显示控件选板。2023/2/928函数选板2023/2/929函
14、数选板n函数选板只能在编辑程序框图时使用，与控件选板的工作方式大体相同。创建框图程序常用的VI和函数对象都包含在该选板中。n选择View-Functions Palette或右击框图面板空白处就可以显示函数选板。2023/2/930工具选板2023/2/931工具选板n在前面板和程序框图中都可以使用工具选板，使用其中不同的工具可以操作、编辑或修饰前面板和程序框图中选定的对象，也可以用来调试程序等。n可以选择View-Tools Palette选项来显示工具选板 2023/2/932善用LabVIEW联机帮助nLabVIEW为用户提供了非常全面的帮助信息，有效地利用帮助信息是快速掌握LabVIE
15、W的一条捷径。nLabVIEW提供了各种获取帮助信息的方法，包括实时上下文帮助（Show Context Help）、联机帮助、LabVIEW范例查找器（Find Examples）、网络资源（Web Resources）等。2023/2/933实时上下文帮助窗口单击此处访问更详细的联机帮助更多帮助信息锁定上下文相关帮助显示VI路径2023/2/934实时上下文帮助窗口n选择菜单栏中Help-Show Context Help选项或按下Ctrl+H，就会弹出Context Help窗口。n当鼠标移到某个对象或函数上时，上下文帮助窗口就会显示相应的帮助信息。2023/2/935联机帮助文档202
16、3/2/936联机帮助文档n当单击Context Help窗口中Detailed help会弹出相应的完整的帮助信息。这是一个Windows标准风格的帮助窗口，包含了LabVIEW全部的帮助信息。n你也可以选择主菜单Help-Search the LabVIEW Help选项打开它。2023/2/937范例查找器 2023/2/938范例查找器nLabVIEW提供了大量的范例，这些范例几乎包含了LabVIEW所有功能的应用实例，并提供了大量的综合应用实例。n在菜单栏中选择Help-Find Examples选项可以打开范例查找器。2023/2/939编辑前面板 nLabVIEW中的前面板是图形
17、化的人机界面，利用控件选项板提供的各种控件可以所见即所得地编辑丰富多彩的人机界面。2023/2/940(1)输入控件（输入控件（Controls）和显示控件（）和显示控件（Indicator）n利用输入控件可以输入相应的数据，例如数字、布尔量、字符串和文件路径等。2023/2/941(1)输入控件（输入控件（Controls）和显示控件（）和显示控件（Indicator）n显示控件用来显示数据。显示控件有数字、温度计、LED指示灯、文本、波形图等。2023/2/942(1)输入控件（输入控件（Controls）和显示控件（）和显示控件（Indicator）n前面板中的一些控件既可以作为输入控件
18、也可以做作为显示控件。右击控件，选择Change to Indicator或Change to Control可以进行输入控件与显示控件之间的切换。2023/2/943控件属性控件属性n前面板中的每个控件都有自己的属性，如控件的颜色、最大最小值、显示精度和方式等。许多属性都可以根据不同的需要进行编辑。右击前面板任何一个控件选择Properties选项就可以弹出该控件的属性配置窗口。2023/2/944编辑程序框图编辑程序框图n程序框图是图形化源代码的集合，这种图形化的编程语言也称为G语言。2023/2/945程序框图中的控件对象 n程序框图中的控件对象实际上是前面板相应控件的接线端 前面板控件
19、程序框图中对应的接线端2023/2/946程序框图节点程序框图节点nLabVIEW中的程序框图节点是指带有输入和输出接线端的对象，类似文本编程语言中的语句、运算符、函数和子程序。LabVIEW中的节点主要包括函数、结构、Express VI、子VI等。2023/2/947对象连线对象连线 2023/2/948运行运行VI1运行运行VI单击前面板或程序框图工具栏中的运行按钮就可以运行VI一次，当VI正在运行时，运行按钮变为状态。2停止停止VI运行运行当程序运行时，停止按钮由编辑时的状态，变为可用状态，单击此按钮可强行停止程序的运行。如果调试程序时，使程序无意中进入死循环或无法退出时，这个按钮可以强行结束程序运行。2023/2/949调试VI在程序执行前或正在执行时，单击工具栏上的高亮执行按钮，程序就可以在高亮方式下运行，这时可以逼真地显示数据的流动过程。再次单击此按钮，程序又恢复正常运行。注意注意，使用高亮执行方式，将明显降低程序的执行速度。1高亮显示数据流高亮显示数据流2023/2/950调试VI2查找查找VI不可执行的原因不可执行的原因 如果在一个VI程序中存在错误时，VI是不能运行的。这时，工具栏中的运行按钮由变为断裂状态，如果单击此按钮就会弹出错误列表对话框。2023/2/951