第12章虚拟仪器技术教材课件

第第1212章章 虚拟仪器技术虚拟仪器技术12.1 12.1 LabVIEW软件的特点软件的特点112.2 12.2 LabVIEW虚拟仪器的创建方法虚拟仪器的创建方法12.3 12.3 数据采集与虚拟仪器数据采集与虚拟仪器312.4 12.4 LabVIEW和和Multisim软件的联合软件的联合42 虚拟仪器虚拟仪器(VI,Virtual(VI,Virtual Instrument)Instrument)是在是在2020世纪后期随计算机水平和软件技世纪后期随计算机水平和软件技术的迅速进步而出现并发展起来的有别于传统仪器术的迅速进步而出现并发展起来的有别于传统仪器的新概念。虚拟仪器技术突破了传统电子仪器以硬的新概念。虚拟仪器技术突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，具有用简单硬件将被测量采集到件为主体的模式，具有用简单硬件将被测量采集到上位机上位机，然后通过软件设计即可方便灵活地完成对，然后通过软件设计即可方便灵活地完成对被测试量的分析、判断、显示及数据存储等功能的被测试量的分析、判断、显示及数据存储等功能的特点。软件设计的灵活易变、成本低等特点使虚拟特点。软件设计的灵活易变、成本低等特点使虚拟仪器在测试测量技术中越来越发挥出其优势。仪器在测试测量技术中越来越发挥出其优势。概述 上位机上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。12.1 LabVIEW软件的特点 LabVIEWLabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineer Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench,Workbench,实验室虚拟仪器工作平台）是美国实验室虚拟仪器工作平台）是美国NINI（National National Instruments,Instruments,美国国家仪器公司）公司推出的一种基美国国家仪器公司）公司推出的一种基于于G G语言语言(Graphics(Graphics LanguageLanguage，图形化编程语言，图形化编程语言)的具有革命性的图形化的具有革命性的图形化虚拟仪器开发环境，是业界领先的测试、测量和控虚拟仪器开发环境，是业界领先的测试、测量和控制系统的开发工具。制系统的开发工具。传统仪器器虚拟仪器器待测模拟信号信号处理前置预处理数据显示信号输入硬件电子系统A/D转换数字信号处理数据显示信号产生信号输出手动/模拟信号控制待测模拟信号输出模拟信号D/A转换计算机数字信号控制数字信号产生输出模拟信号Classical InstrumentVirtual Instrument(VI)计算机DAQ卡利用计算机强大、高效的数字信号处理和控制能力，配合高速高精度利用计算机强大、高效的数字信号处理和控制能力，配合高速高精度A/DA/D、D/AD/A转换卡，实现与传统专用仪器相同乃至更强的功能，组成虚拟仪器转换卡，实现与传统专用仪器相同乃至更强的功能，组成虚拟仪器前置预处理对比作为虚拟仪器的开发软件，作为虚拟仪器的开发软件，LabVIEWLabVIEW的特点如下：的特点如下：具有图形化的编程方式，设计者无需编写任何文本具有图形化的编程方式，设计者无需编写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言。格式的代码，是真正的工程师语言。提供丰富的数据采集，分析及存储的库函数。提供丰富的数据采集，分析及存储的库函数。提供传统的数据调试手段，如设置断点，单步运行提供传统的数据调试手段，如设置断点，单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式进，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式进行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。调试和开发更为便捷。12.1 LabVIEW软件的特点囊括了囊括了PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USB232/485,USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂得总线标准的开发者也能驱动不同总线数，使得不懂得总线标准的开发者也能驱动不同总线标准接口设备与仪器。标准接口设备与仪器。提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，如提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，如DLLDLL（动态链接库），（动态链接库），DDEDDE（共享库），（共享库），ActivexActivex等。等。具有强大的具有强大的InternetInternet功能，支持常用的网络协议，方便功能，支持常用的网络协议，方便网络，远程测控仪器开发。网络，远程测控仪器开发。12.1 LabVIEW软件的特点在测试和测量方面，在测试和测量方面，LabVIEWLabVIEW已经变成了一种工业已经变成了一种工业的标准开发工具；在过程控制和工厂自动化应用方的标准开发工具；在过程控制和工厂自动化应用方面，面，LabVIEWLabVIEW软件非常适用于过程监测和控制；而软件非常适用于过程监测和控制；而在研究和分析方面，在研究和分析方面，LabVIEWLabVIEW软件有力的软件分析软件有力的软件分析库提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代库提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号的分析。的高级信号的分析。它内具信号采集、测量分析与数据显示功能，集开它内具信号采集、测量分析与数据显示功能，集开发、调试、运行于一体发、调试、运行于一体，而且，而且LabVIEWLabVIEW虚拟仪器虚拟仪器程序程序(Virtual(Virtual InstrumentInstrument，简称，简称VI)VI)可以非常容易的与各种数据采可以非常容易的与各种数据采集硬件、以太网系统无缝集成，与各种主流的现场集硬件、以太网系统无缝集成，与各种主流的现场总线通信以及与大多数通用数据库链接。总线通信以及与大多数通用数据库链接。12.1 LabVIEW软件的特点“软件就是仪器软件就是仪器”反映了其虚拟仪器技术的本质特反映了其虚拟仪器技术的本质特征。用征。用LabVIEWLabVIEW设计的虚拟仪器可脱离设计的虚拟仪器可脱离LabVIEWLabVIEW开开发环境，用户最终看见的是和实际硬件仪器相似的发环境，用户最终看见的是和实际硬件仪器相似的操作界面。如今虚拟仪器已是现代检测系统中非常操作界面。如今虚拟仪器已是现代检测系统中非常重要的一部分。重要的一部分。12.1 LabVIEW软件的特点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启动界面12.2 LabVIEW虚拟仪器的创建方法12.2 LabVIEW虚拟仪器的创建方法 LabVIEW与虚拟仪器有着紧密联系，在与虚拟仪器有着紧密联系，在LabVIEW中开中开发的程序都被称为发的程序都被称为VI（虚拟仪器），其扩展名默认为（虚拟仪器），其扩展名默认为.vi。虚拟仪器器VI前面板Front panel框图Block diagram图标和连接器窗格Icon and connector pane图12-2（b）前面板及控件模板图图12-2 12-2 前面板及控件模板前面板及控件模板前面板：虚拟仪器的交互式前面板：虚拟仪器的交互式用户接口，模仿了实际仪器用户接口，模仿了实际仪器面板。包含旋钮、按钮、图面板。包含旋钮、按钮、图形等控制与显示对象。通过形等控制与显示对象。通过鼠标或键盘输入数据、控制鼠标或键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观按钮，可在计算机屏幕上观看结果，主要作用是完成显看结果，主要作用是完成显示和控制。示和控制。其中，输入量被称为其中，输入量被称为ControlsControls（控件），用户可以通过控件向控件），用户可以通过控件向VIVI中设置输入参数等；输出量被中设置输入参数等；输出量被称为称为IndicatorsIndicators（指示器），指示器），VIVI通过指示器向用户提示状态或输通过指示器向用户提示状态或输出数据等。出数据等。图12-2（a）框图面板及函数模板图图12-3 12-3 框图面板及函数模板框图面板及函数模板流程图窗口提供流程图窗口提供VIVI的图形的图形化源程序，相当于实际仪化源程序，相当于实际仪器箱内的东西，在流程图器箱内的东西，在流程图中程序员用图形语言编写中程序员用图形语言编写LabVIEWLabVIEW程序源代码，以程序源代码，以控制和操纵定义在前面板控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。每上的输入和输出功能。每一个程序前面板都有相应一个程序前面板都有相应的框图程序与之对应。框的框图程序与之对应。框图程序用图形编程语言编图程序用图形编程语言编写，可以把它理解成传统写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图中的程序的源代码。框图中的部件可以看成程序节点，部件可以看成程序节点，如循环控制、事件控制和如循环控制、事件控制和算术功能等。这些部件都算术功能等。这些部件都用连线连接，以定义框图用连线连接，以定义框图内的数据流动方向。内的数据流动方向。在框图窗口中放置编程需要在框图窗口中放置编程需要的功能函数模块，并根据编的功能函数模块，并根据编程要求连接前面板控件、指程要求连接前面板控件、指示器在框图窗口中的相应图示器在框图窗口中的相应图标和功能函数模块图标。在标和功能函数模块图标。在框图中对框图中对VIVI编程的主要工作编程的主要工作就是从前面板上的输入控件就是从前面板上的输入控件获得用户输入信息，然后进获得用户输入信息，然后进行计算和处理，最后在输出行计算和处理，最后在输出控件中把处理结果反馈给用控件中把处理结果反馈给用户。框图上的编程元素除了户。框图上的编程元素除了包括于前面板上的包括于前面板上的ControlControl和和IndicatorIndicator对应的连线端子对应的连线端子（TerminalTerminal）外，还有函数、）外，还有函数、子子VIVI、常量、结构和连线等。、常量、结构和连线等。完成子程序流程框图的编完成子程序流程框图的编程后，需要定义连接器，程后，需要定义连接器，以便在子以便在子VIVI调用时方便连调用时方便连接端口。图标接端口。图标/接口器件接口器件可以让用户把可以让用户把VIVI程序变成程序变成一个对象（一个对象（VIVI子程序），子程序），然后在其他程序中像子程然后在其他程序中像子程序一样地调用它。图标表序一样地调用它。图标表示在其他程序中被调用的示在其他程序中被调用的子程序，而接线端口则表子程序，而接线端口则表示图标的输入示图标的输入/输出口，输出口，就像子程序的参数端口对就像子程序的参数端口对应着应着VIVI程序前面板控件和程序前面板控件和指示器的数值。指示器的数值。VIVI图标的修改可通过双击图标，在图图标的修改可通过双击图标，在图12-12-4 4的编辑窗口下自定义图标。的编辑窗口下自定义图标。图图12-4 12-4 图标编辑图标编辑定义连接器是用鼠标右键单击前面板窗口中的图标定义连接器是用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在图窗格，在图12-512-5快捷菜单中选择快捷菜单中选择Show Show ConnectorConnector，连接器窗格会取代前面板窗口右上角的，连接器窗格会取代前面板窗口右上角的图标，如图图标，如图12-612-6所示。所示。图图12-5 12-5 定义连接器下拉菜单图定义连接器下拉菜单图 图图12-6 12-6 连接器窗格图连接器窗格图 温度计程序的图标和连接器温度计程序的图标和连接器 LabVIEWLabVIEW提供了三个模板来编辑虚拟仪器：提供了三个模板来编辑虚拟仪器：工具模板（工具模板（ToolsTools PalettesPalettes）、控制模板（）、控制模板（ControControls ls PalettesPalettes）、功能模板（）、功能模板（FunctionsFunctions PalettesPalettes）。）。12.2 LabVIEW虚拟仪器的创建方法模板模板工具模板工具模板ToolsTools PalettesPalettes控制模板控制模板ControlsControls PalettesPalettes功能模板功能模板FunctionsFunctions PalettesPalettes12.2 LabVIEW虚拟仪器的创建方法工具模板工具模板操作工具：使用该工具来操作前面板的控制和显示。操作工具：使用该工具来操作前面板的控制和显示。选择工具：用于选择、移动或改变对象的大小。选择工具：用于选择、移动或改变对象的大小。标签工具：用于输入标签文本或者创建自由标签。标签工具：用于输入标签文本或者创建自由标签。连线工具：用于在框图程序上连接对象。连线工具：用于在框图程序上连接对象。对象弹出菜单工具：用鼠标左键可以弹出对象的弹出式菜单。对象弹出菜单工具：用鼠标左键可以弹出对象的弹出式菜单。漫游工具：使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。漫游工具：使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。断点工具：使用该工具在断点工具：使用该工具在VIVI的框图对象上设置断点。的框图对象上设置断点。探针工具：可以在框图程序内的数据流线上设置探针。探针工具：可以在框图程序内的数据流线上设置探针。颜色提取工具：使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。颜色提取工具：使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。颜色工具：用来给对象定义颜色。颜色工具：用来给对象定义颜色。提供用于图形操作的各种工具，如移动、选取、设置卷标和断提供用于图形操作的各种工具，如移动、选取、设置卷标和断点、文字输入等。点、文字输入等。12.2 LabVIEW虚拟仪器的创建方法控制模板控制模板控制模板控制模板数值子模板：包含数值的控制和显示。数值子模板：包含数值的控制和显示。布尔值子模块：逻辑数值的控制和显示。布尔值子模块：逻辑数值的控制和显示。字符串和路径子模板：字符串和文件路径的控制和显示。字符串和路径子模板：字符串和文件路径的控制和显示。数组和群子模板：复合型数据类型的控制和显示。数组和群子模板：复合型数据类型的控制和显示。列表子模板：菜单环和列表栏的控制和显示。列表子模板：菜单环和列表栏的控制和显示。图形子模板：显示数据结果的趋势图和曲线图。图形子模板：显示数据结果的趋势图和曲线图。环和枚举子模板：菜单环和枚举的控制和显示。环和枚举子模板：菜单环和枚举的控制和显示。控件容器库子模板：操作控件容器库子模板：操作Tab ControlTab Control、SubPanelSubPanel、ActiveXActiveX等功能。等功能。I/O I/O 子模板子模板 ：对输入、输出的控制和操作。：对输入、输出的控制和操作。对话控制子模板：用于输入对话框的显示控制。对话控制子模板：用于输入对话框的显示控制。版本控制子模板：实现对以往版本的兼容和继承。版本控制子模板：实现对以往版本的兼容和继承。Refnum Refnum 子模板子模板 ：包含一些：包含一些RefnumRefnum控件。控件。装饰子模板：用于给前面板进行装饰的各种图形对象。装饰子模板：用于给前面板进行装饰的各种图形对象。调用控制子模板：调用存储在文件中的控制和显示的接口。调用控制子模板：调用存储在文件中的控制和显示的接口。用户控制子模板：用户自定义的控制和显示。用户控制子模板：用户自定义的控制和显示。提供用于前面板编辑的控制和显示对象的图标等。提供用于前面板编辑的控制和显示对象的图标等。12.2 LabVIEW虚拟仪器的创建方法功能模板结构子模板结构子模板:包括程序控制结构命令，例如循环控制等，以及全局包括程序控制结构命令，例如循环控制等，以及全局 变量和局部变量。变量和局部变量。数值运算子模板数值运算子模板:包括各种常用的数值运算符；以及各种常见的数包括各种常用的数值运算符；以及各种常见的数 值运算式，如值运算式，如+1+1运算；还包括数制转换、三角函运算；还包括数制转换、三角函 数、对数、复数等运算，以及各种数值常数。数、对数、复数等运算，以及各种数值常数。布尔逻辑子模板布尔逻辑子模板:包括各种逻辑运算符以及布尔常数。包括各种逻辑运算符以及布尔常数。字符串运算子模板字符串运算子模板:包含各种字符串操作函数、数值与字符串之间包含各种字符串操作函数、数值与字符串之间 的转换函数，以及字符的转换函数，以及字符(串串)常数等。常数等。数组子模板数组子模板:包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数组等。包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数组等。群子模板群子模板:包括群的处理函数，以及群常数等。这里的群相当于包括群的处理函数，以及群常数等。这里的群相当于C C语语 言中的结构。言中的结构。比较子模板比较子模板:包括各种比较运算函数，如大于、小于、等于。包括各种比较运算函数，如大于、小于、等于。时间和对话框子模板时间和对话框子模板:包括对话框窗口、时间和出错处理函数等。包括对话框窗口、时间和出错处理函数等。文件输入文件输入/输出子模板输出子模板:包括处理文件输入包括处理文件输入/输出的程序和函数。输出的程序和函数。提供基本功能函数，以及一些已经做好的子仪器。提供基本功能函数，以及一些已经做好的子仪器。12.2 LabVIEW虚拟仪器的创建方法循环（Loop）和示波器（Chart）G G语言有两种子方框图重复执行的结构，语言有两种子方框图重复执行的结构，WhileWhile循循环和环和ForFor循环。这两种结构都是大小可变的盒子。循环。这两种结构都是大小可变的盒子。把子方框图放入循环结构的边界内。把子方框图放入循环结构的边界内。只要条件终端的值为真，只要条件终端的值为真，WhileWhile循环中的程序就一循环中的程序就一直执行，直到条件终端的值为假才停止。直执行，直到条件终端的值为假才停止。在在ForFor循环中，程序执行所设定的次数。循环中，程序执行所设定的次数。示波器用于显示操作数的实时趋势信息。示波器用于显示操作数的实时趋势信息。WhileWhile循环循环ForFor循环循环条件结构和顺序结构条件结构（条件结构（Case StructureCase Structure）是条件控制跳转结是条件控制跳转结构，根据输入的条件执行子程序。构，根据输入的条件执行子程序。顺序结构（顺序结构（Sequence StructureSequence Structure）是根据数值顺是根据数值顺序来执行子程序。序来执行子程序。条件结构（条件结构（Case Case StructureStructure）顺序结构（顺序结构（Sequence StructureSequence Structure）