第一讲_虚拟仪器及LabVIEW基础.ppt

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1、第一讲第一讲虚拟仪器及虚拟仪器及LabVIEW基础基础Graphical ProgrammingGraphical Programming成绩的标准n两种获得学分的方法：n1、出勤+作业+上机+期末测试 出勤缺勤次数不可以达到3次 作业应该自己做 上机(掌握基本操作）期末测试 n注：期末有两周的课程设计教学软件及参考书n教学软件采用英文版Labview 7.1 希望大家加强对科技英语的学习n参考书Labview 7.1编程与虚拟仪器设计 侯国屏编著，清华大学出版社 目目 录录1.1虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的基本概念1.2虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点1.3虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成1.4虚拟

2、仪器和虚拟仪器和LabVIEW的发展的发展1.5LabVIEW的特点的特点1.6LabVIEW的安装的安装1.7LabVIEW的窗口和模板的窗口和模板1.1虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的基本概念虚拟仪器虚拟仪器(VirtualInstrument,简称简称VI)是是以以计算机计算机为基础为基础 ,配以相应配以相应测试功能的硬测试功能的硬件件作为信号输入输出的接口作为信号输入输出的接口,完成信号的采集、完成信号的采集、测量与调理测量与调理,由由用户自己设计定义用户自己设计定义，具有虚拟的操，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。

3、机仪器系统。仪器的发展历史仪器的发展历史n第一代仪器：第一代仪器：模拟仪器模拟仪器n第二代仪器：第二代仪器：数字化仪器数字化仪器n第三代仪器：第三代仪器：智能仪器智能仪器 前三代属于传统仪器，如示波器、电压表、频前三代属于传统仪器，如示波器、电压表、频率计、信号源等，是率计、信号源等，是具有特定功能和仪器外观的测具有特定功能和仪器外观的测试设备。试设备。n第四代仪器：虚拟仪器第四代仪器：虚拟仪器虚拟仪器前面图虚拟仪器前面图虚拟仪器程序框图虚拟仪器程序框图虚拟的含义虚拟的含义n虚拟的仪器面板虚拟的仪器面板 传统仪器面板上的器件都是实物，而虚拟仪器面板控传统仪器面板上的器件都是实物，而虚拟仪器面板

4、控件是外形与实物相像的图标，其操作对应着相应的软件件是外形与实物相像的图标，其操作对应着相应的软件程序，使用鼠标式键盘操作虚拟面板的控件。程序，使用鼠标式键盘操作虚拟面板的控件。n虚拟仪器的测控功能虚拟仪器的测控功能 传统的仪器特别是早期的仪器，它的功能是通过硬件传统的仪器特别是早期的仪器，它的功能是通过硬件来实现的，而虚拟仪器是通过软件编程来实现的来实现的，而虚拟仪器是通过软件编程来实现的传统仪器传统仪器厂商定义功能厂商定义功能虚拟仪器虚拟仪器用户定义功能用户定义功能虚拟仪器起源虚拟仪器起源n虚拟仪器是以计算机为核心的，是仪器系统与计算机软件技虚拟仪器是以计算机为核心的，是仪器系统与计算机软

5、件技术的紧密结合。这种结合有两种方式：术的紧密结合。这种结合有两种方式：将计算机装入仪器的将计算机装入仪器的智能仪器智能仪器和和将仪器装入计算机的嵌入式仪器将仪器装入计算机的嵌入式仪器。虚拟仪器主要。虚拟仪器主要是指是指后一种方式后一种方式，是以通用的计算机硬件及操作系统为依是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。托，实现各种仪器功能。n美国国家仪器（美国国家仪器（National InstrumentNational Instrument，简称，简称NINI）公司于）公司于2020世纪世纪8080年代中期首先提出年代中期首先提出“软件就是仪器软件就是仪器”（The Softw

6、are The Software Is The InstrumentIs The Instrument）的虚拟仪器概念。）的虚拟仪器概念。虚拟仪器的基本功能虚拟仪器的基本功能信号调理与采集信号调理与采集：硬件平台实现：硬件平台实现数据分析和处理数据分析和处理：软件实现：软件实现参数设置和结果表达参数设置和结果表达：计算机人：计算机人机对话功能实现机对话功能实现n厂家厂家n定义定义n用户用户n定义定义传统仪器虚拟仪器 用软件在屏幕上生成仪器用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号处理面板，用软件来进行信号处理分析，实现传统仪器的功能。分析，实现传统仪器的功能。1.2虚拟仪器的特点虚拟仪器的特

7、点传统仪器仪表传统仪器仪表：本身带有输入输出能力，仪表上本身带有输入输出能力，仪表上有按钮、旋钮、标度尺、图形等功能。仪器内部有按钮、旋钮、标度尺、图形等功能。仪器内部包含有数模、模数转换器、微处理器、存储器、包含有数模、模数转换器、微处理器、存储器、总线等，所有的电路都是固定的。仪器把信号输总线等，所有的电路都是固定的。仪器把信号输入后，通过内部的处理，得出结果。入后，通过内部的处理，得出结果。虚拟仪器虚拟仪器：是以计算机为核心，充分利用计算机是以计算机为核心，充分利用计算机强大的显示、处理、存储能力来模拟物理仪表的强大的显示、处理、存储能力来模拟物理仪表的处理过程。处理过程。传统仪器仪表传

8、统仪器仪表虚拟仪器虚拟仪器功能由仪表厂家定义功能由仪表厂家定义功能由用户自定义功能由用户自定义功能确定，与其他设备的功能确定，与其他设备的连接受到限制连接受到限制面向应用，可以方便地面向应用，可以方便地连接其他设备连接其他设备关键为硬件关键为硬件关键为软件关键为软件价格昂贵价格昂贵价格便宜，可再利用价格便宜，可再利用封闭、功能固定、单一，封闭、功能固定、单一，不能更改不能更改以计算机为支撑，开放以计算机为支撑，开放性好，功能灵活性好，功能灵活技术更新慢技术更新慢技术更新快技术更新快开发和维护费用高开发和维护费用高硬件结构大大减少硬件结构大大减少虚拟仪器构成虚拟仪器构成n虚拟仪器被划分为数据采集

9、与控制、数虚拟仪器被划分为数据采集与控制、数据分析处理、结果表达三大功能模块。据分析处理、结果表达三大功能模块。PC-DAQ采集卡采集卡GPIB仪器仪器串口仪器串口仪器VXI仪器仪器PXI仪器仪器信号处理信号处理数字滤波数字滤波统计统计分析分析网络传输网络传输磁盘复制磁盘复制文件文件I/O图形用户接口图形用户接口数据采集与控制数据采集与控制数据分析处理数据分析处理结果表达结果表达虚拟仪器构成虚拟仪器构成n虚拟仪器由虚拟仪器由硬件平台硬件平台和和应用软件应用软件两大部两大部分构成。分构成。其组成图如下：其组成图如下：工作站或工作站或PC机机 PC-DAQ接口接口 GPIB接口接口 VXI接口接口

10、 PXI接口接口串串行接口行接口被测信号被测信号1.3虚拟仪器的硬件系统组成虚拟仪器的硬件系统组成虚拟仪器构成形式虚拟仪器构成形式n基于数据采集卡的虚拟仪器基于数据采集卡的虚拟仪器n基于基于GPIB方式的虚拟仪器方式的虚拟仪器n基于基于VXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器n基于基于PXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器n基于基于LXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器开放式的、多厂商标准的测试测量和自动化平台开放式的、多厂商标准的测试测量和自动化平台 在以在以PC PC 机为基础的虚拟仪器中，插入式数据采机为基础的虚拟仪器中，插入式数据采集卡集卡DAQ(Data Acquisiti

11、on)DAQ(Data Acquisition)是虚拟仪器中最常用是虚拟仪器中最常用的接口形式之一。其功能是将现场数据采集到计算的接口形式之一。其功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输出给受控对象。机，或将计算机数据输出给受控对象。基于数据采集卡的虚拟仪器基于数据采集卡的虚拟仪器测量模块测量模块用于模拟和数字输入输出，范围从高分辨率用于模拟和数字输入输出，范围从高分辨率DC至至2.7GHzRF信号。信号。工业模块工业模块运动控制、机器视觉以及模拟和数字运动控制、机器视觉以及模拟和数字I/O模块，模块，用于工业级用于工业级PXI/CompactPCI应用。应用。PXI开关开关灵活的高通道

12、开关模块，具有通用继电器，多灵活的高通道开关模块，具有通用继电器，多路复用器和矩阵开关特性路复用器和矩阵开关特性总线接口模块总线接口模块用于千兆以太网、串口、用于千兆以太网、串口、SCSI、CAN、VXI、DeviceNet、FireWire、CardBus及其它总线连接及其它总线连接General Purpose Interface General Purpose Interface Bus(Bus(简写为简写为GPIB)GPIB)是由是由IEEEIEEE协会规协会规定的一种定的一种ANSI/IEEE 488ANSI/IEEE 488总线总线标准标准.是传统测试仪器在数字接口方面是传统测试仪

13、器在数字接口方面的延伸和扩展的延伸和扩展 GPIB通用接口总线通用接口总线GPIBInterfaceDMMGPIB 电缆电缆基于基于VXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器nVXI总线（总线（VMEbus Extension for Instrumentation）具有标准开放、结构）具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步准紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步准确、模块可重复利用、众多厂家支持等确、模块可重复利用、众多厂家支持等优点得到广泛应用。优点得到广泛应用。主控计算机CPU仪器1仪器2RAM仪器3单CPU系统基于基于PXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器nPXIPXI（PC

14、I PCI eXtensionseXtensions for Instrumentation for Instrumentation）总线是总线是NINI公司在公司在19971997年年9 9月月1 1日推出的全新的日推出的全新的开放开放性、模块化性、模块化仪器仪器总线总线规范。它以规范。它以CompactPCICompactPCI为基为基础，是础，是PCIPCI总线面向仪器领域的扩展。总线面向仪器领域的扩展。MXI-3是NI公司新一代的多系统扩展接口(multisystem extension interface,MXI)产品，是目前世界上最快的用于PC机控制PXI/CompactPCI模块

15、的串行连接。基于基于LXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器n20042004年年9 9月，月，VXI VXI 科技公司和安捷伦公司共同推出一科技公司和安捷伦公司共同推出一种适用于自动测试系统的新一代基于局域网（种适用于自动测试系统的新一代基于局域网（LANLAN）的模块化测量仪器接口标准的模块化测量仪器接口标准LXILXI（LAN-based LAN-based eXtensionseXtensions for Instrumentation for Instrumentation），即），即LANLAN的仪器的仪器扩展扩展。通用总线接口串行设备数据采集测试过程或对象VXI图像采集运动控制

16、PCI扩展版=PXI NetworkNetwork虚拟仪器的软件虚拟仪器的软件 虚拟仪器软件层次结构虚拟仪器软件层次结构虚拟仪器的软件虚拟仪器的软件n输入输入/输出（输出（I/O）接口软件）接口软件 I/OI/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作，为仪器完成对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作，为仪器驱动程序提供信息传递的低层软件，是实现开放的、统一驱动程序提供信息传递的低层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础和核心。的虚拟仪器系统的基础和核心。n仪器驱动程序仪器驱动程序 仪器驱动程序是连

17、接上层应用软件和低层仪器驱动程序是连接上层应用软件和低层I/OI/O软件的纽带软件的纽带和桥梁。仪器生产厂家在提供仪器模块的同时提供仪器驱和桥梁。仪器生产厂家在提供仪器模块的同时提供仪器驱动程序动程序n应用软件应用软件 上层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分析处上层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分析处理软件。一般是在仪器硬件厂商提供的理软件。一般是在仪器硬件厂商提供的I/OI/O接口软件接口软件 仪器仪器驱动程序基础上进行应用软件开发。驱动程序基础上进行应用软件开发。虚拟仪器的软件开发平台虚拟仪器的软件开发平台基于基于文本式编程语言文本式编程语言开发工具开发工具LabWindow

18、s/CVI,VC+,C+Build,VB,Delphi等。等。基于基于图形化编程语言图形化编程语言开发工具开发工具 LabVIEW(NI公司公司),HPVEE(HP公司公司)虚拟仪器系统虚拟仪器系统n以以数据采集卡数据采集卡PC-DAQ接口的虚拟仪器为例，接口的虚拟仪器为例，虚拟仪器的整体结构如图虚拟仪器的整体结构如图虚拟仪器的优势虚拟仪器的优势丰富和增强了传统仪器的功能丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理。交由计算机来处理。仪器由用户自己定义仪器由用户自己定义。开放的工业标准开放的工业

19、标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使资源的虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。开发费用降低。便于构成复杂的测试系统便于构成复杂的测试系统。可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控、和诊断。可节约仪器购买和维护费用。监控、和诊断。可节约仪器购买和维护费用。虚拟仪器的应用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.虚拟仪器的实际应用虚拟仪器的实际应

20、用LabVIEW的基本概念的基本概念LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,实验室虚拟仪器工程平台实验室虚拟仪器工程平台)是美国是美国NI公司推出的一种基于公司推出的一种基于G语言语言(GraphicsLanguage,图形化编程语言图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。的虚拟仪器软件开发工具。1.4虚拟仪器和虚拟仪器和LabVIEW的发展的发展1976年年,美国美国NationalInstruments-NI创立；创立；1986年，年，NI推出虚拟仪器概念及推出虚拟仪器概念及LabVIEW语言；语言；十多年前十多年前,

21、了解虚拟仪器的人寥寥无几；了解虚拟仪器的人寥寥无几；2004年年,LabVIEW从从4.0版本更新到版本更新到7.1版本；版本；清华大学、北京科技大学、北京理工大学、北京联清华大学、北京科技大学、北京理工大学、北京联合大学等高校都建立了虚拟仪器实验室；合大学等高校都建立了虚拟仪器实验室；LabVIEW是目前国际唯一的是目前国际唯一的编译型图形化编译型图形化编程语编程语言。在以言。在以PC机为基础的测量和工控软件中，其市场机为基础的测量和工控软件中，其市场普及率仅次于普及率仅次于C+/C语言。语言。1.5LabVIEW的特点的特点流程图式编程，并能同时运行多个程序的多任务系流程图式编程，并能同时

22、运行多个程序的多任务系统；统；提供了提供了用于用于数据采集数据采集、分析、分析、表达及数据存储的表达及数据存储的函函数库数库；提供如设置断点、单步运行提供如设置断点、单步运行、高亮执行高亮执行等调试等调试工具工具,使程序的调试和开发更为便捷使程序的调试和开发更为便捷；具有强大的外部接口能力具有强大的外部接口能力,可以实现可以实现LabVIEW与与外部的应用软件外部的应用软件(如如Word,Excel)、C语言语言、MATLAB等语言之间的通信等语言之间的通信;LabVIEW的特点的特点内置内置了了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-232和和RS-485在内的各种仪器通信总线标准的

23、所有功在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数能函数,支持数据采集卡和支持数据采集卡和GPIB、串口设备串口设备、VXI仪器仪器、PLC、工业现场总线以及用户特殊的工业现场总线以及用户特殊的硬件板卡；硬件板卡；强大的强大的Internet功能功能,内置了便于应用内置了便于应用TCP/IP、DDE、ActiveX等软件标准的库函数。等软件标准的库函数。支持常用支持常用网络协议网络协议,方便网络、远程测控仪器的开发方便网络、远程测控仪器的开发。1.6LabVIEW系统安装系统安装运行安装光盘中的运行安装光盘中的setup程序，选择程序，选择必要的安装选项一步步即可完成；必要的安装选项一步步即可完成

24、；随随LabVIEW系统光盘，系统光盘，NI公司提供公司提供数张专门的仪器驱动光盘供用户选数张专门的仪器驱动光盘供用户选择择.LabVIEW7.1系统目录系统目录LabVIEW启动启动双击快捷方式双击快捷方式LabVIEW即可即可启动启动LabVIEWLabVIEW启动启动第一个启第一个启动界面：动界面：选择查看选择查看帮助文档、帮助文档、升级提示升级提示LabVIEW启动启动第二个第二个启动界启动界面：面：创建一个空白创建一个空白VI或从模板生或从模板生成一个成一个VI打开一个最近打开一个最近操作过的操作过的VI或或打开例程打开例程1.7LabVIEW的空的空VI窗口窗口空空VI包括两个无标

25、题包括两个无标题(Untitled)窗窗口口前面板开发窗口：前面板开发窗口：编辑和显示前面板对象编辑和显示前面板对象框图程序窗口框图程序窗口(流程图编辑窗口流程图编辑窗口)：编辑和显示框图程序编辑和显示框图程序窗口主选单栏窗口主选单栏窗口快捷工具栏窗口快捷工具栏LabVIEW的操作模板的操作模板工具模板：工具模板：用于操作编辑用于操作编辑前面板和流程前面板和流程图上对象的各图上对象的各种工具种工具LabVIEW的操作模板的操作模板控制模板：控制模板：给前面板添加给前面板添加输入控制件和输入控制件和输出显示件输出显示件LabVIEW的操作模板的操作模板功能模板：功能模板：是创建框图程是创建框图程序的工具，在序的工具，在流程图中使用流程图中使用