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1、1 第一章第一章 虚拟仪器及虚拟仪器及 LabVIEWLabVIEWLabVIEWLabVIEW 入门入门 1虚拟仪器概述 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
2、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。 虚拟仪器的起源可以追朔到 20 世纪 70 年代， 那时计算机测控系统在国防、 航天等领域 已经有了相当的发展。PC 机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在 Microsoft
3、公司 的 Windows 诞生之前，NI 公司已经在 Macintosh 计算机上推出了 LabVIEW2.0 以前的版本。 对虚拟仪器和 LabVIEW 长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。 普通的 PC 有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能 太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了 VXI 标准，这是一种插卡式的 仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪 器本身都没有面板， 其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。 这些卡插入标准的 VXI 机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。V
4、XI 仪器价格昂贵，目前又推出了一种较 为便宜的 PXI 标准仪器。 虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。 目前使用较多的 是 IEEE 488 或 GPIB 协议。未来的仪器也应当是网络化的。 2LabVIEW 是什么？ LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，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
5、TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且 2 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流程图。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
6、执行文件，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。 3LabVIEW 的运行机制 3LabVIEW 应用程序的构成 所有的 LabVIEW 应用程序，即虚拟仪器（VI） ，它包括前面板（front panel） 、流程图 （block diagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。 前面板 前面板是图形用户界面，也就是 VI 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输 出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator
7、）。 图 1 所示是一个随机信号发生和显示的简单 VI 是它的前面板，上面有一个显示对象，以曲 线的方式显示了所产生的一系列随机数。 还有一个控制对象开关， 可以启动和停止工作。 显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。 流程图 流程图提供 VI 的图形化源程序。在流程图中对 VI 编程，以控制和操纵定义在前面板 上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有， 但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图是与图对应的流程图。 我 们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子， 还有一个随机数发 生器的函数及
8、程序的循环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件， 为 了使它持续工作下去，设置了一个 While Loop 循环，由开关控制这一循环的结束。 控制对象 (输入) 显示对象 (输出) 图随机信号发生器的前 面板 3 如果将 VI 与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图 上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用 VI 可以仿真标准仪器，不仅在屏幕 上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。 图标/连接器 VI 具有层次化和结构化的特征。一个 VI 可以作为子程序，这里称为子VI（subVI） ， 被其他 VI 调用。图标
9、与连接器在这里相当于图形化的参数，详细情况稍后介绍。 LabVIEW 的操作模板 在 LabVIEW 的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、 控制（Controls）模板和函数（Functions）模板。这些模板集中反映了该软件的功能与特征。 下面我们来大致浏览一下。 工具模板（工具模板（ToolsToolsToolsTools PalettePalettePalettePalette） 该模板提供了各种用于创建、修改和调试 VI 程序的工具。如果该模 板没有出现，则可以在 Windows 菜单下选择 Show Tools Palette 命令以 显示该模板。当
10、从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具 相应的形状。当从 Windows 菜单下选择了 Show Help Window 功能后，把 工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（Sub VI） 或 图标上，就会显示相应的帮助信息。 下述工具中注意和的区别，用于编程时，用于运行程序时。 是一个特有的工具，它并不是一个简单的画线工具，而是一个符合 LabVIEW 语言规定的 对象连接工具。 工具图标有如下几种： 函数：随机数 发生器 结构：循环 与前面板控件对 应的连线端子 与前面板控件对 应的连线端子 图随机信号发生器的流 程图 4 图标名称功能 OperateValue
11、（操作值） 用于操作前面板的控制和显示。使用它向数字或字符 串控制中键入值时，工具会变成标签工具 Position/Size/Sele ct （选择） 用于选择、移动或改变对象的大小。当它用于改变对 象的连框大小时，会变成相应形状。 Edit Text（编辑 文本） 用于输入标签文本或者创建自由标签。当创建自由标 签时它会变成相应形状。 Connect Wire（ 连 线） 用于在流程图程序上连接对象。如果联机帮助的窗口 被打开时，把该工具放在任一条连线上，就会显示相 应的数据类型。 Object Shortcut Menu（对象菜单） 用鼠标左键可以弹出对象的弹出式菜单。 ScrollWin
12、dows （窗口漫游） 使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫 游。 Set/Clear Breakpoint （断点 设置清除） 使用该工具在 VI 的流程图对象上设置断点。 Probe Data（ 数据 探针） 可在框图程序内的数据流线上设置探针。通过控针窗 口来观察该数据流线上的数据变化状况。 Get Color（颜色 提取） 使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。 Set Color（颜色 设置） 用来给对象定义颜色。它也显示出对象的前景色和背 景色。 下面的两个模板是多层的，其中每一个子模板下还包括多个对象。 控制模板（控制模板（ControlControl PaletteP
13、alette） 注意：只有打开前面板时才能调用该模板 该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入 控制对象。每个图标代表一类子模板。如果控制模板不显示， 可以用 Windows 菜单的 Show Controls Palette 功能打开它， 也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。 控制模板如左图所示，它包括如下所示的一些子模板。子 模板中包括的对象，我们在功能中用文字简要介绍。 5 图标子模板名称功能 Numeric （数值量） 数值的控制和显示。包含数字式、指针式显示表盘及各 种输入框。 Boolean （布尔量） 逻辑数值的控制和显示。包含各种布尔开关、按钮以及
14、指示灯等。 String ）结尾。 公式节点的帮助窗口中列出了可供公式节点使用的操作符、 函数和语法规定。一般说来，它与 C 语言非常相似，大体上一个 用 C 写的独立的程序块都可能用到公式节点中。 但是仍然建议不 要在一个公式节点中写过于复杂的代码程序。 下面这个例子显示了如何在一个公式节点中执行不同条件 时的数据发送。 请阅读下面这段程序代码， 如果 X 为正数， 它将算出 X 的平 方根并把该值赋给 Y，如果 X 为负数，程序就给 Y 赋值-99。 if (x = 0) then y = sqrt(x) else y = -99 end if 可以用公式节点取代上面这段代码，如下图所示：
15、 output inputY=(X=0)?sqrt(X):-99; Y X 注意：公式节点中变量字母 X,Y 大、小写是有区别的，开方 的函数 sqrt(X)中函数名称是小写。 练习练习 2-2-6 6使用公式节点使用公式节点 目的：创建一个VI，它用公式节点计算下列等式： y1 = x 3 x 2 + 5 y2 = m* x + b 28 x 的范围是从 0 到 10。 可以对这两个公式使用同一个公式节 点，并在同一个图表中显示结果。 前面板 30.00 m 20.00 b 1000.0 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 100123456789 y1 y2 Wavef
16、orm Graph 图练习的面板 1.打开一个新的前面板，按照上图（该图中包含运行结 果） 创建前面板中的对象。 波形图显示对象用于显示等式的图形。 该 VI 使用两个数字式控制对象来输入 m 和 b 的值。 流程图 2.按照下图创建流程图。 图练习的流程图 在创建某个输入或者输出端子时，必须给它指定一个变量 名。这个变量名必须与公式节点中使用的变量名完全相符。 公式节点中，在边框上单击鼠标右键，在快捷菜单中选择 AddAddAddAdd InputInputInputInput，可以创建三个输入端子。在快捷菜单中选择 AddAddAddAdd OutputOutputOutputOutput，创建输出端子。 x 的范围是从 0 到 10（包括 10），就必须连接 11 到计数端 子。 Build Array （FunctionsFunctions ArraArray y）在这个 29 例子中， 它用于将两个数据构成数组形式提供给一个多曲线的图 形中。通过用变形工具拖拉边角就可以创建两个输入端子。
