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1、LabVIEW编程及虚拟仪器设计 第1讲虚拟仪器及LabVIEW基础 课程参考文献 1. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计 侯国屏，王珅，叶齐鑫 2. 虚拟仪器设计基础教程 黄松岭，吴静 3. LabVIEW大学实用教程 Jetffrey Travis 4. 检测技术、电工电子测量、数字信号处理 等方面的教材 5. 科技期刊杂志的相关文章 6. NI Developer Zone ( 课程教学大纲（讲授部分） 1. 虚拟仪器及LabVIEW基础 2. 编程结构 3. 数据类型：数组、簇和波形 4. 图形显示 5. 字符串和文件I/O （自学） 6. 数据采集（两次大课） 7. 信号的数字
2、化分析与处理 8. 虚拟仪器程序架构 课程大作业 1. 选择自己感 兴趣的题目 2. 查阅文献，学 习和参考他人的 经验和成果 3. 提出方案 并论证 4. 完成大作业设 计和书面报告 教师和助教的指导和帮助 课程特点 理论与实践紧密结合，数据采集、信 号分析处理等相关知识的学习及综合 运用 应用领域非常广泛 课程特点 声学测试工厂生产线自动化测控 军工设备测试食品质量监测 设备的自动测试ATE电工电子实验平台构建 自动光学检验实验室管理自动化 汽车性能测试机械测控 生物医学信号测量机器视觉 电工电子计量校准石油和天然气信号处理 电子测试药品生产质量监控 光纤校准工业机器人 光学度量和测定过程
3、自动化 功率测量与谐波分析半导体器件性能测试 流程检测与控制电子通信测试 振动测试电机特性参数检测 虚拟仪器概念 虚拟仪器（Virtual Instrument；VI）使 用可定制的软件和模块化测量硬件，建立 用户自定义的测量和测试系统 信号调理：将传感器信号变换为采集卡可接受 的形式（放大、衰减、隔离、滤波和线性化） 虚拟仪器与传统仪器比较 传统仪器功能固定且由厂商定义；虚拟仪 器由用户定义。传统仪器把所有软件和测 量电路封装在一起，利用仪器前面板为用 户提供一组有限的功能。而虚拟仪器系统 提供的则是完成测量或控制任务所需的所 有软件开发环境和硬件设备，功能完全由 用户自定义 虚拟仪器系统的
4、价格通常比传统仪器低很 多。虚拟仪器在测量任务需要改变时具有 更大的灵活性，节省成本 （软件随意修改，同一计算机上存储多个程序） 虚拟仪器硬件平台方案 PCI接口数 据采集卡 USB数据采 集卡 PXI机箱和 插卡 PXI基于PC技术的测试平台， 机箱+系统控制器（嵌入式或以独立PC为控制器）+外围模块 虚拟仪器硬件平台方案 NI CompactDAQ 机箱和插卡 NI CompactRIO 机箱和插卡 CompactDAQ模块化数据采集系统，以 USB或网线与计算机相连 CompactRIO嵌入式测控系统，基于I/O可重 置的FPGA技术 基于PC数据采集的虚拟仪器系统 尽可能采用通用的硬件
5、，各种虚拟仪器之间的差 异主要是软件 充分发挥计算机的作用，具有强大的数据分析和 处理能力，可创造出功能更多、更强的测量或测 控仪器及其系统 用户可根据自己的实际需求，很便利地自主构建 新的虚拟仪器 PCI-MIO-16E-4 / PCI-6040E 虚拟仪器软件开发环境 NI的LabVIEW图形化 Agilent的VEE图形化 NI的LabWindows/CVI文本，C语言 其他文本编程语言+扩展包 （VC + NI的Measurement Studio） 虚拟仪器示例 虚拟电压表 虚拟仪器示例 虚拟谐波分析仪 虚拟仪器示例 基于数据采集的虚拟示波器 虚拟仪器系统示例 智能车快速原型开发平台
6、 智能车-自主识别路径、控制转向和车速，完成自 动驾驶（LabVIEW和CompactRIO） 清华大学汽车系，全国大学生智能车竞赛作品 虚拟仪器系统示例 结构健康监测（SHM） 获取包括鸟巢、水立方在内的大型结构的振动信号，检 测结构参数的突变（ LabVIEW结合NI CompactRIO） CGM Engineering, Inc., USA 虚拟仪器系统示例 飞机噪声测试 在机场跑道上螺旋安装600多个麦克风，测试波音 777-300ER飞机飞过头顶的噪声信号，实时生成 声学图像并分析处理（ LabVIEW结合NI PXI控制器、 动态分析仪） Boeing Aero/Noise/Pr
7、opulsion Laboratory 虚拟仪器系统示例 风电机组噪声测试 采用麦克风测量风电机组噪声，确认符合环保标 准（ LabVIEW和NI PXI-4472 动态信号采集模块） DELTA, Hrsholm, Denmark 虚拟仪器系统示例 魔方自动求解（视频） 硬件平台： CompactRIO 6块NI 9505运动控制模块（控制算法通过这些模块指示电机调 整、控制魔方6个面的转动） 软件： LabVIEW 2009，控制设计工具包，PID控制工具包，视觉开发 模块2009 魔方求解实验： 1. 使用游戏手柄打乱魔方，发送解魔方指令 2. 手动打乱魔方，用相机拍摄打乱后的6个面，识
8、别魔方状态（ 彩色视觉算法），按照识别结果打乱另一魔方，再解魔方 虚拟仪器系统示例 桥梁健康监测系统（视频） 使用桥梁模型。 通过应力测量，可以了解主梁受力条件变化和内部性能 桥两边安装步进电机（采用PXI 7350运动控制器进行控制）， 扯动大桥桥尾，模拟大桥应变效果 大桥底面放置16个应变片，SCXI 1520（应变输入模块）+PXI 6281（数据采集卡）采集其数据 应变数据反映在LED灯上。 PXI 6509 DIO卡控制16个三色LED 灯，根据应变强弱调节LED的颜色和闪动速度 在程序中观看应变分布图 虚拟仪器系统示例 机器人系统通用构架（视频 ） (1) Virginia Tec
9、h的DARwIn 第0版：基本站立和行走，没有传感器反馈 第1版：3d模型仿真，控制算法部署到控制器上，具备稳定站立 和独立行走功能 第2版：1394接口摄像头，LabVIEW RT模块，自定义机械部分 ，便携电源，视觉开发模块，识别小球 参加机器人世界杯足球赛 虚拟仪器系统示例 机器人系统通用构架（视频 ） (2) 实习生项目：自主陆上小车NIcholas（一个月内完成） 使用现有的商业工具和组件， 购买：HPI Racing E-savage赛车，Victor 884速度控制器， 低成本的激光测距传感器(Hokuyo LIDAR)，位于小车顶部的惯 性传感器MicroStrain 基于NI
10、 Single-Board RIO平台 主要精力放在控制算法设计上 虚拟仪器系统示例 机器人系统通用构架（视频 ） (3) 无人驾驶车Odin Virginia Tech与TORC公司合作开发 基于Ford 混合动力车Escape Hybrid改装 功能：根据目的地自主规划路径，避让障碍物，按照交通规则 行驶，处理紧急情况 感知系统：四平面激光测距仪，2架相机，高精度GPS，惯性测 量系统。CompactRIO平台，LabVIEW程序决策规划 赢得2007 DARPA城市挑战赛第三名 虚拟仪器开发环境LabVIEW简介 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrumen
11、tation Engineering Workbench），1992年由美国国 家仪器公司（即National Instrument Corp. NI公司）推出，是用于设计虚拟仪器 的一种图形化的编程语言工具，人机界面 友好，功能函数库丰富、强大，被世界各 国的工业界、科研机构和高校等广泛认同 ，是多种虚拟仪器设计工具软件中最成功 的一种 专为科学家和工程师设计 课程使用2012版本 LabVIEW启动窗口 LabVIEW虚拟仪器程序构成 前面板窗口（Front panel），程 序的用户界面 程序框图窗口（Block diagram），包 含图形化的编程代码 图标 连线板 程序示例1求平均数
12、 输入控件/Control （数值类型） 输出显示控件/Indicator （数值类型） “A”和“B”的接线端 （terminal） “C”的接线端 “加”和“除”函数 数值常量 （运行时不可修改 ） LabVIEW中的三个选板 控件（Controls）选板添加控件，仅前面板 LabVIEW中的三个选板 函数（Functions）选板添加函数、子VI， 仅程序框图 LabVIEW中的三个选板 前面板和程序框图窗口都可用 工具选板 自动工具选择： 默认按下 编辑文本 获取颜色 设置颜色（前景和背景） 设置/清除断点 进行连线 定位/调整大 小/选择 基于数据流（dataflow）的图形化编程机
13、制 函数/节点只有获得所有必需的输入参数后 才开始执行 函数/节点执行后，自动在输出接线端返回 输出值 输入接线端 （terminal） 输出接线端 编程技巧 前面板/程序框图窗口，右键显示临时的控件 选板/函数选板 快捷键：Ctrl+E，Ctrl+R，Ctrl+B，Ctrl+H 控件/常量上右键打开快捷菜单：转换为常量 /输入控件/显示控件 函数接线端右键打开快捷菜单：创建-常量/ 输入控件/显示控件 函数右键打开快捷菜单，快速访问同子选板 函数 大幅度提高编程效率 ！ 程序示例2生成和显示 输入控件 （按钮，布尔类型） 输出显示控件 （波形图，波形类型） “停止”按钮的接线 端 波形图控件
14、的接线端 “仿真信号”函数 While循环结构 轮询的程序架构 程序示例2生成和显示 1.前面板上只有输入和输出显示控件 2.框图上有控件对应的接线端、程序结构和函数 ，程序运行时从输入控件获得输入值。程序运 算和处理结果由输出显示控件显示在前面板上 前面板和程序框图工具条 运行 中止 执行 暂停 文本 设置 对齐 对象 分布 对象 调整对 象大小 重新 排序 编辑时 ： 运行时 ： 前面板 排列前面板控件 连续运行（重复运行程序，推荐仅调试时使用） 前面板和程序框图工具条 高亮显示执行过程 （放慢程序执行速度，以 气泡标明数据流动） 保存连线值单步步入 单步步过 单步步出 程序框图 编辑时
15、： 排列程序框图窗口函数 、节点和连线 程序调试功能（设置/清除断点在工具选板上） 演示：以Average.vi为例，采用高亮执行的方式，验证数据流的编程机制 LabVIEW中的数据类型 控件的接线端（显 示为数据类型） 数值数据类型存储位数 单精度浮点数32 双精度浮点数64 扩展精度浮点数128 单精度浮点复数64 双精度浮点复数128 扩展精度浮点复数256 带符号字节（Byte）整数8 带符号字（Word）整数16 带符号长整数32 无符号字节整数8 无符号字整数16 无符号长整数32 数值数据类型 强类型的 编程语言 LabVIEW中的数据类型 控件接线端 （显示为图标 ） 数据类型名 称 连线外形和特征颜色 数值类型 （浮点类型橙色，整型蓝色） 布尔类型 （绿色） 字符串类型 （紫色） 数组类型 （分别为1、2和3维数组，颜 色随元素数据类型而变化） 簇类型 （元素都是数值数据类型，棕色） （元素不都是数值数据类型，紫色） 各种数据类型的连线外形和特征颜色（直观） LabVIEW中的图标和连线板（用于建立子VI） 图标用途：当前VI作为子VI被调用时，在上层VI框图上的
