虚拟仪器软件开发平台.pptx

1.什么是虚拟仪器?虚拟仪器是指，在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。Virtual Instrument，VI3.1 虚拟仪器的概念第1页/共72页2.虚拟仪器的特点 仪器=A/D+CPU+软件The Software Is Instruments传统仪器虚拟仪器实物面板面板图标面板面板关键是硬件关键是软件开发与维护费用高开发与维护费用低技术更新周期长技术更新周期短价格高价格低，并且可重用性与可配置性强厂商定义仪器功能用户定义仪器功能系统封闭、固定系统开放、灵活，与计算机的进步同不易与其他设备连接容易与其他设备连接第2页/共72页3.虚拟仪器的体系第3页/共72页 4.虚拟仪器的分类按接口总线类型不同划分数据采集卡式 DAQ DAQ RS232/RS485RS232/RS485虚拟仪器并行接口虚拟仪器USBUSB虚拟仪器GPIBGPIB虚拟仪器VXIVXI虚拟仪器PXIPXI虚拟仪器IEEE1394IEEE1394接口虚拟仪器第4页/共72页5 虚拟仪器的软件开发平台软件平台基于文本式编程语言开发工具 VC+，VB，C+Build，LabWindows/CVI，Delphi等。基于图形化编程语言开发工具 LabVIEW（NI 公司）HP VEE（HP 公司）第5页/共72页软面板举例：动态信号分析仪软面板第6页/共72页6.虚拟仪器的应用航空航空航天航天教学教学核工业核工业军工军工通信测试通信测试铁道铁道.第7页/共72页3.2 虚拟仪器开发工具-LabVIEWLabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国 NI 公司推出的一种基于G 语言(Graphics Language，图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具；目的：简化程序的开发工作，使用户能快 速、简便地完成自己的工作。第8页/共72页3.2.1 LabVIEW的特点（1）编程简单，不需要记忆编程语言；（2）开发周期短；（3）高效性，这主要是以软件做保证；（4）开放性，可根据实际情况进行更新扩展，发展迅速；（5）自定义性，工程师们可以在非常广泛的测量和控制应用中自定义芯片级硬件功能；（6）性价比高，能一机多用。第9页/共72页3.2.2 LabVIEW8.2开发平台n使用LabVIEWLabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器，简称VIVI。VIVI由以下3 3部分构成：前面板：即用户界面；程序框图：包含用于定义VIVI功能的图形化源代码；图标和连线板：用以识别VIVI的接口，以便在 创 建 VIVI时 调 用 另 一 个 VIVI。当 一 个 VIVI应 用 在 其 他 VIVI中，则 称 为 子 VIVI。子 VIVI相 当 于文本编程语言中的子程序。第10页/共72页1.前面板 n前前面面板板是是VIVI的的用用户户界界面面。创创建建VIVI时时，通通常常应应先先设设计计前前面面板板，然然后后设设计计程程序序框框图图执执行行在在前前面板上创建的输入、输出任务。面板上创建的输入、输出任务。第11页/共72页2.程序框图n程程序序框框图图是是图图形形化化源源代代码码的的集集合合，图图形形化化源源代码又称代码又称G G代码或程序框图代码。代码或程序框图代码。程序框图由接线端、节程序框图由接线端、节点、连线和结构等构成。点、连线和结构等构成。第12页/共72页程序框图对象n程程序序框框图图由由接接线线端端、节节点点、连连线线和和结结构构等等构构成成:n接接线线端端：是是程程序序框框图图中中传传递递数数据据的的起起点点和和终终点点。控控件件接接线线端端用用来来为为前前面面板板上上的的对对象象与与程程序序框框图图传传递数据。递数据。n节节点点：是是实实现现程程序序功功能能的的基基本本单单元元，具具有有输输入入、输出端，在输出端，在VIVI运行时完成一定的操作。运行时完成一定的操作。n连连线线：是是程程序序框框图图中中各各个个对对象象之之间间传传递递数数据据的的通通道。道。n结结构构：是是文文本本编编程程语语言言中中的的循循环环和和条条件件语语句句的的图图形化表示。形化表示。第13页/共72页3.图标和连线板n创创建建VIVI的的前前面面板板和和程程序序框框图图后后，可可创创建建图图标标和连线板，以便将该和连线板，以便将该VIVI作为子作为子VIVI调用。调用。n图标和连线板图形：图标和连线板图形：图标图标是是VIVI的图形化表示，可的图形化表示，可包含文字、图形或图文组合。包含文字、图形或图文组合。连线板连线板用于显示用于显示VIVI中所有输入控件和显示控件的中所有输入控件和显示控件的接线端，类似于文本编程语言中调用函数时使用接线端，类似于文本编程语言中调用函数时使用的参数列表。的参数列表。第14页/共72页3.2.3 LabVIEW8.2的操作选板nLabVIEW8.2包含3 3个操作选板:工具选板工具选板 控件选板控件选板 函数选板函数选板 第15页/共72页1.工具选板第16页/共72页2.控件选板控件选板包括控件选板包括创建前面板所创建前面板所需的输入控件需的输入控件和显示控件。和显示控件。第17页/共72页经典控件经典控件子选板子选板第18页/共72页3.函数选板函数选板中函数选板中包含创建程包含创建程序框图所需序框图所需的的VIVI和函数。和函数。第19页/共72页编程子选板编程子选板的图标、名的图标、名称及功能称及功能 第20页/共72页3.2.4 LabVIEW8.2的菜单和工具栏 LabVIEW8.2菜单LabVIEW8.2的工具栏第21页/共72页3.2.5 LabVIEW8.2中的数据类型n支持的数据类型有：数值型 布尔型 数组型 字符串型 波形数据类型 簇 路径 第22页/共72页3.2.6 创建虚拟仪器1.1.创建一个虚拟仪器的一般步骤（1）前面板设计（2）程序框图（3）数据流编程（4）功能检验（5）保存文件 第23页/共72页创建一个虚拟仪器两数相加与两数相减两数相加与两数相减VIVI第24页/共72页2.2.调试虚拟仪器 n虚拟仪器的一般调试步骤（1）运行VI（2）清除语法错误（3）高亮显示执行过程（4）单步执行（5）探针工具（6）断点 第25页/共72页3.创建和调用子VIn构造一个子VI的主要工作就是需先为子VI创建连线板和图标 第26页/共72页调用子VI示例 n前面板 框图程序第27页/共72页 4.虚拟仪器创建举例n测温范围：0100oCn测温传感器：AD590，灵敏度：1A/K 例1 虚拟温度计第28页/共72页虚拟温度计VI前面板框图程序第29页/共72页例2 求N!main()int a,i,n；a=1;i=0;scanf(“%d”,&n)；do i=i+1；a=a*i；while(in);printf(“n!=%d”,a)；前面板和程序框图前面板和程序框图 第30页/共72页例3 波形显示 设计一个VI，显示一个正弦波电压测量结果。电压采样从0开始，每隔2ms采样一个点，共采样50个点，要求程序的显示能够反映出实际的采样时间及电压值。电压测量电压测量VIVI的前面板和程序框图的前面板和程序框图 第31页/共72页3.3 虚拟仪器的数据采集DAQDAQ虚拟仪器又称虚拟仪器又称PC-DAQPC-DAQ仪器系统，其组成如下图所示。它由一台仪器系统，其组成如下图所示。它由一台PCPC机和基于机和基于标准总线的采集卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件来支持硬件标准总线的采集卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件来支持硬件工作。工作。第32页/共72页1.数据采集设备的设置与测试测试与自动化资源管理器MAX是Measurement&Automation Explorer的缩写，是访问计算机当中NI的各种软硬件资源的一个接口。第33页/共72页设备设置与测试在Measurement&Automation Explorer的下拉菜单中，可利用Self-Test，Test Panels对采集卡进行自检，面板测试等操作。第34页/共72页2.利用NI USB-6009数据采集卡实现数据采集主要技术指标：8个模拟通道（14位、48位kS/s采样速度）；2路14位模拟输出通道；12个I/O通道；1个32位计数器/定时器。产品通过USB接口供电，不需要任何外接电源。它们均包括用于直接信号连接可拆卸螺孔端子、用于支持外部设备以及传感器1个参考电压、低噪音高精度的4层电路板，以及高达35v的模拟输入过电压保护。第35页/共72页模拟输入：AI0AI7模拟输出：AO0,AO1数字I/O：P0.0P0.7,P1.0P1.3定时/计数器：PFI0NI USB-6009的接线端子分配第36页/共72页（1）利用DAQ助手创建数据采集程序程序框图程序框图运行结果运行结果第37页/共72页利用NI-DAQmx采集函数实现数据采集单通道数据采集单通道数据采集VIVI第38页/共72页多通道数据采集VI第39页/共72页（2）利用NI-DAQmx函数构建模拟输出模拟输出程序框图模拟输出程序框图前面板前面板第40页/共72页（3）利用NI-DAQmx函数构建数字I/O输出控制控制P0P0口的口的8 8根根I/OI/O线输出状态线输出状态第41页/共72页（4）工程实战霍尔元件传感器调理电路6009数据采集模块Labview处理控制和显示基于基于LabVIEWLabVIEW计数信号采集与控制平台的构建计数信号采集与控制平台的构建第42页/共72页1）霍尔元件传感器典型的线性型霍尔器件典型的线性型霍尔器件H03H03第43页/共72页2）调理电路原理图霍尔元件H03的管脚3输出的交流电压脉冲信号，通过C0601耦合到OP07的输入端，经OP07 放大后，送至LM393电压比较器，将模拟信号转换为输出信号，送至DAQ6009的计数通道。第44页/共72页3)计数器数据采集与控制程序前面板前面板程序框图程序框图第45页/共72页3.4 虚拟仪器的信号分析与处理为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为：时域和频域。时间幅值频率时域分析频域分析时域分析与频域分析时域分析与频域分析的关系的关系第46页/共72页1.信号的时域分析n时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号的作用下，其输出信号随时间的变化情况；信号的时域描述:以时间为独立变量，描述信号随时间的变化特征，反映信号幅值随时间变化的关系；优点:形象、直观缺点:不能明显揭示信号的内在结构第47页/共72页信号的时域分析举例一相关分析n所谓“相关”是指变量之间的线性关系；n相关性是指信号的相似和关联程度，相关分析不仅可用于确定性信号，也可用于随机信号的检测、识别和提取等；n相关分析常用相关函数（自相关函数和互相关函数）或相关系数来描述；n相关函数和功率谱(密度)是一对傅立叶变换。第48页/共72页相关函数相关函数序列 自相关函数：反映了信号在时移中的相关性。互相关函数：反映了两个信号在时移中的相关性。第49页/共72页相关分析工程应用实例 自相关分析：机械加工表面粗糙度第50页/共72页互相关分析：地下输油管道漏损位置的探测将将两两拾拾音音器器测测得得的的音音响响信信号号x1(t)x1(t)和和x2(t)x2(t)进进行行互互相相关关分分析析，找找出出互相关值最大处的延时互相关值最大处的延时，即可由，即可由确定油管破损位置。确定油管破损位置。第51页/共72页 LabVIEW中的相关分析函数Auto Correlation.viCross Correlation.vi第52页/共72页互相关运算举例前面板前面板程序框图程序框图 第53页/共72页2.信号的频域分析n频域分析是采用傅立叶变换将时域信号X(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征；信号的频域描述：应用傅里叶变换，对信号进行变换(分解)，以频率为独立变量，建立信号幅值、相位与频率的关系;特点：频域描述抽取信号内在的频率组成，信息丰富，应用广泛。第54页/共72页时域-频域关系的建立n时域信号x(t)x(t)的傅里叶变换为:例如，50Hz正弦波信号x(t)=10sin(2*50*t)其频谱函数为转换过程如图所示:第55页/共72页频域分析应用描述n信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观、更丰富的信息。第56页/共72页(1)快速傅立叶变换FFT的实现n傅里叶变换是信号处理与数据处理中一个重要分析工具，其意义在于将时域与频域信号联系起来，通过频域分析将复杂的信号分解为各个单一的频率成分。FFT.vi第57页/共72页例:双边傅里叶变换前面板前面板程序框图程序框图频率间隔与采频率间隔与采样频率和采样样频率和采样点数的关系点数的关系第58页/共72页（2）频谱分析n频频谱谱分分析析是是指指把把时时间间域域的的各各种种动动态态信信号号通通过过傅傅里里叶叶变换转换到频率域进行分析。变换转换到频率域进行分析。n内容包括内容包括:频谱分析频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱；：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱；功率谱分析功率谱分析：包括自谱和互谱；：包括自谱和互谱；频率响应函数分析频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱之比；：系统输出信号与输入信号频谱之比；相干函数分析相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱的相关程度。：系统输入信号与输出信号之间谱的相关程度。第59页/共72页举例：功率谱nLabVIEW8.2中，用于计算输入序列的单边自功率谱函数Auto Power Spectrum.vi的图标及端口如图所示。等效数学运算式公式第60页/共72页自功率谱分析举例前面板前面板程序框图程序框图 第61页/共72页3.数字滤波器n数数字字滤滤波波器器即即是是以以数数值值计计算算的的方方法法来来实实现现对对离离散散化化信信号号的的处处理理，以以减减少少干干扰扰信信号号在在有有用用信信号号中中所所占占的的比比例例，从从而而改改变变信信号号的的质质量量，达到滤波或加工信号的目的。达到滤波或加工信号的目的。n数字滤波器分为数字滤波器分为 无限冲激响应滤波器无限冲激响应滤波器IIRIIR 有限冲激响应滤波器有限冲激响应滤波器FIRFIR特点特点：精度高、稳定性好、灵活性强、处：精度高、稳定性好、灵活性强、处 理功能强理功能强第62页/共72页LabVIEW提供的滤波器函数第63页/共72页数字滤波器应用举例使用巴特沃斯滤波器提出正弦信号第64页/共72页3.5 虚拟仪器举例1.虚拟相位差计（1）功能描述可测量两个同频率正弦波的相位差；可测相位差的数值范围为0180度；信号的幅度范围为0.1V5.0V；两个信号的频率范围为0.1Hz10kHz。第65页/共72页（2）设计原理n用相关法求相位差，即利用两个同频正弦信号的延时=0时的互相关函数值与其相位差的余弦值成正比的原理获得相位差。n假设有两个同频信号x(t)、y(t)，描述如下：用相关法测量相位差的原理如下将x(t)、y(t)代入求积分后得到：所以有：第66页/共72页虚拟相位差计VI设计第67页/共72页2.虚拟示波器 WDM驱动程序，适用于Windows98 /2000/XP操作系统；提供DLL动态链接库；提供LabVIEW驱动节点 基于USB总线；无需外部电源，即插即测；体积小，80mmx65mm，手掌大小；5V(1:1探头)双极性信号输入；1M/30PF输入阻抗；x0.5、x5程控放大；单/双通道可选择输入模式；单通道80MHz/双通道40MHz采样率；64K(单通道)/32K(双通道)板载内存；可程控调节存储容量；8位垂直电压分辨率；外触发、程序触发可选触发模式；8级采样频率程控选择；示波器特性：第68页/共72页韩国推出的微型虚拟示波器多功能虚拟仪器(五和一)国内研制的双通道微型虚拟示波器各项指标和国外同类产品相比，具有更强的灵活性，支持二次开发、功能的重组。第69页/共72页虚拟示波器演示第70页/共72页本章结束本章结束谢谢！第71页/共72页感谢您的观看！第72页/共72页