基于LabVIEW的拼图游戏设计

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1、 第 1 页摘要关键字目录1、绪论1.1 G 语言与虚拟仪器的概述1.1.1 G 语言的概述虚拟仪器编程语言 LabVIEW 是一种图形化的程序语言，又称为“G”语言。LabVIEW是一个功能比较完善的软件开发环境，它是为替代常规的 BASIC 或 C 语言而设计的。作为编写应用程序的语言，除了编程方式不同之外，LabVIEW 具有编程语言的所有特性。使用这种语言编程时，基本不用写代码，取而代之的是流程图。G 语言是一种适合于任何编程任务，具有扩展函数库的通用编程语言。G 语言和传统高级编程语言的最大的差别在于编程方式上的不同，一般高级语言采用的方法为本编程，而G 语言采用图形化编程方式。 G

2、 语言编写的程序称之为虚拟仪器 VI（Virtual Instrument） ，因为它的界面和功能与真实仪器基本相似，在 LabVIEW 环境平台下开发的应用程序都会被冠以.VI 的后缀，以表示虚拟仪器的含义。G 语言定义了数据类型、结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素等，在功能的完整性和应用的灵活性上毫不不逊于任何高级语言，G 语言同时还具有丰富的扩展函数库。这些扩展函数库主要面向数据采集、GPIB 以及串行仪器控制、数据分析、数据显示与数据存储等途径。G 语言还包括常用的程序调试工具，例如包括断步调试、允许设置断点、数据探针和动态显示执行程序流程等功能1。1.1.2 虚拟仪器的概

3、述虚拟仪器（Virtual Instrument）就是在以计算机为核心的硬件平台上，根据用户对仪器的设计定义，具有虚拟面板、用软件实现虚拟控制面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可以操作这台计算机系统硬件平台。它是将现有的计算机技术、软件设计技术和高性能模块化硬件结合在一起而建立起来的功能强大而又灵活易变的仪器。虚拟技术、计算机技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为 21 世纪科学技术中的三大核心技术。电子测量仪器发展至今，大体经历了模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。目前，微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机层次的结合使

4、得虚拟仪器应运而生。虚拟仪器的出现导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大变革，使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。在过去的 20 年中，个人电脑应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，其中最显著的就是虚拟仪器的出现与发展。虚拟仪器为工程师和科学家们提高生产效率、测量精度以及系统性能方面做出了卓越的贡献。虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司提出来的，虚拟仪器本质是虚拟现实一个方面的应用结果。也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配

5、合来实现传统仪器的各种功能，大大突破了传 第 2 页统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。 （2-1）虚拟仪器的主要特点有：1、在通用硬件平台确定后，又软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；2、仪器的功能是用户根据需要又软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的；3、仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要购买新的仪器；4、研究周期较传统仪器大为改进；5、虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络以及其他周边设备互联。（3-2）虚拟仪器实际上是一种按照仪器需求组织的数据采集系统，其研究中涉及的基础理论主要是数据采集

6、和数字信号处理。 （7-1）决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：“虚拟仪器的关键是软件” 。1.1.3 虚拟仪器的构成以及分类1、虚拟仪器的构成虚拟仪器是由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分组成。（1)硬件是虚拟仪器工作的基础，主要完成被测输入信息的采集、放大、传输、存储处理和输入/输出等工作，由计算机硬件平台和测控功能硬件（I/O 接口设备）组成（4-2） 。1）计算机，它是硬件平台的核心。2）I/O 接口设备，它主要完成待测输入信号的采集、放大和模/数转换等。根据 I/O 接口设备的不同，虚拟仪器主要分为 PC-DAQ、 GPIB 仪器、串口仪器、V

7、XI 模块、 PXI 模块五个模块。其虚拟仪器构成图如图 1-1 所示。 第 3 页PC-DAQ：它是以数据采集板、信号调理电路及计算机为硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用 PCI 或 ISA 计算机本身的总线，只需要将数据采集卡板（DAQ）插入计算机机箱内的空槽中即可使用。GPIB 仪器：它是以 GPIB 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的仪器测试系统。串口仪器：它是以 Serial 标准总线仪器与激素那几硬件平台组成的仪器测试系统。VXI 模块：它是以 VXI 标准总线仪器模块与计算机为硬件平台组成的仪器测试系统。PXI 模块：它是以 PXI 标准总线仪器模块与计算机为硬件平

8、台组成的仪器测试系统。(2)虚拟仪器的应用软件由应用程序和 I/O 接口设备驱动程序。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了良好开发环境。1）应用程序。它包含两个方面的程序：实现虚拟面板功能的前面板软件程序和定义测试功能的流程图软件程序。2）I/O 接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。目前已有多种虚拟仪器的软件开发工具。包括文本式编程语言：如 C、VisualC+、Visual Basic 、Labwindows/CVI 等和图形化编程语言：如 Labview 、HPVEE 等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应

9、用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。(3-3)2、虚拟仪器的分类虚拟仪器有多种分类方法，既可以按照应用领域分，也可以按照测量功能分，但是最常用的还是按照构成虚拟仪器接口总线的不同，分为基于数据采集（DAQ）卡的虚拟仪器、基于 GPIB 总线的虚拟仪器、基于 VXI 总线的虚拟仪器、基于 RS-232C 总线的虚拟仪器、基于 PXI 总线的虚拟仪器、基于 LXI 总线的虚拟仪器、基于 USB 总线的虚拟仪器和基于 IEEE-1394 总线的虚拟仪器。1.1.4 虚拟仪器的优点与应用1、虚拟仪器的优点可归纳为：（1）软件是核心。根据系统设计的要求，在选定系统控制用计算机以及一些标准的一

10、起硬件模块或者板卡后，软件部分就成为构建和使用虚拟仪器的关键所在。其中，仪器驱动程序的功能是实现与仪器硬件的接口和通信，应用软件则完成用户定义的测试和仪器的功能，并提供人机交互界面。在进行应用程序开发时，可以利用 NI 公司开发的LABVIEW 与 LABWINDOWS/CVI,HP 公司的 VEE 等集成开发环境。可以看出，软件在虚拟仪器的技术中占有十分重要的作用，NI 公司提出的“ 软件即仪器” （Software is Instrument）就是这一特点的形象概括、（2）灵活性和可扩展性。虚拟仪器打破了传统仪器由厂商定义功能和控制面板，用户无法更改模式。一起用户可根据自己不断变化的需求，

11、自由发挥自己的想象力， ，方便灵活的重组测量系统，系统的扩展，升级可随时进行，而且系统的更新的周期短，见效快，能充分的满足用户在不同的场合的应用需求。（3）性价比高。虚拟仪器可以将在传统一起中一些由硬件完成的功能转为软件实现，减少了自动测试系统的硬件环节，降低了系统的开发成本和维护成本。虚拟仪器能够同时对多个参数进行实时高效的测量，信号传输大部分采用数字信号的形式，数字信号处理主 第 4 页要依赖软件来实现，大大降低了环境干扰和系统误差的影响。用户可以随时根据需求调整虚拟仪器的功能实现“一机多型”和“一机多用” 。因此，是用虚拟仪器比传统仪器更加经济。（4）人机界面友好。虚拟仪器的操控界面采用

12、的是图形化编程技术实现的一种虚拟面板或者称为软面板。虚拟面板可以模拟传统仪器面板的世纪风格来设计，也可以由用户根据实际需求来进行定制设计。测量结果可以通过计算机屏幕以曲线，图形，数据或者表格等形式显示出来。（5）与其他设备互联功能强大。虚拟仪器通常具备标准化的总线或者通信接口，具有和其他设备互联的功能。例如，虚拟仪器能够通过以太网与 Internet 相连，或者通过现场总线完成对现场设备的监控和管理等。这种互联能力使得虚拟设备系统功能显著增强，应用领域明显扩大。虚拟仪器是对传统仪器概念的重大突破，虚拟仪器与传统仪器的最重要区别之一是：虚拟仪器的功能由用户自己定义，而传统仪器的功能完全由厂商事先

13、定义好的。相关比较如表 1-1 所示。仪器 虚拟仪器 传统仪器关键技术 关键是软件 关键是硬件费用 卡法与维护的费用低 开发与维护的费用高技术更新周期 短（1-2 年） 长（5-10 年）价格 低，可重用与可配置性强 高功能定义 用户定义仪器功能 厂商定义仪器功能开放性 系统开放，灵活，可与计算机技术保持同步发展系统封闭，固定连接性 与网络及其他周边设备方便互联的面向应用的仪器系统功能单一，互联的有限功能的独立设备2、虚拟仪器的应用虚拟仪器的出现代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。新的以软件为中心的虚拟仪器系统为用户提供了创新技术并大幅降低了生产成本。相比较于示

14、波器等传统的仪器，虚拟仪器的灵活性、低价位以及插入化和网络化硬件等技术的革新，使得它的应用前景更加广阔。虚拟仪器技术作为现代仪器技术与计算机技术相结合的创新技术，已被广泛应用于电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工、科研、军事和教育等各个领域。尤其在工程应用和社会经济效益方面具有突出优势。1、应用于测试与测量 ，它已经成为测试与测量领域的工业标准。2、应用于过程控制盒工业自动化，得益于其强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计，使得它为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。 第 5 页3、应用于实验室研究与自动化，它为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，可满足他

15、们计算分析的需要。1.1.5 虚拟仪器的发展和现状1、虚拟仪器的发展追溯电子测量仪器的发展历史，大体经历了以下的发展历程：第一代模拟仪器。 这类仪器在某些实验室里还能看到， 他是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器， 如指针式万用表、指针式电压表、 指针式电流表等。第二代分立元件式仪器。 当 20 世纪 50 年代出现电子管、60 年代出现晶体管时，便产生了以电子管火晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器分立元件式仪器。第三代数字化仪器:。20 世纪 70 年代，随着集成电路的出现，诞生了已集成电路芯片为基础的第三代仪器数字式仪器。这类仪器相当普及，如数字万用表、数字频率计等。第四代智能仪器。随着微电子技术的发展和微处理器的普及， 以微处理器为核心的第四代仪器 智能式仪表迅速普及。