虚拟仪器LabVIEW介绍.docx

虚拟仪器工程平台LabVIEW介绍文章发表于：2008-05-19 21:48虚拟仪器是一种全新的仪器概念，在自动化检测领域的应用正方兴未艾，而NI（National Instruments）公司的实验室虚拟仪器工程工作平台LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是科学家和工程师们进行虚拟仪器应用开发的首选工作平台。为了介绍虚拟仪器和LabVIEW的一些相关背景知识，本文将自己本科毕业设计论文中的一部分作了少许改动呈现于此（呵呵，其实是偷懒），希望能给未接触过虚拟仪器和LabVIEW的人一些感性认识。一、虚拟仪器1、传统电子仪器的弱点传统电子仪器主要由三大模块组成：即对被测信号的采集与控制、分析与 处理、测量结果的表达与存储。传统电子仪器的这些功能块都是以硬件或者固化的软件的形式存在的，因此具有以下弱点：（1）灵活性和可扩展性差：传统电子仪器是一套自封闭系统，具有固定的用户界面、组成模块和数据处理功能。例如仪器面板由固定的输入、输出信号接插件、旋钮、按钮、显示仪表、显示面板等组成，仪器内部由传感器、信号处理器、A/D和D/A转换器、微处理器、存储器和内部总线等专门化的电路组成。然而，用户有时只需要用到仪器中的一小部分功能，或者作其他功能使用时却达不到所需指标，而用户无法改动厂家固定好的仪器模块，灵活性和可扩展性差。（2）成本高，技术更新慢：传统电子仪器价格昂贵，动辄几十万上百万人民币。开发周期长，技术更新慢，而且存在元器件老化等问题，维护费用高，使用寿命短。（3）数据显示、分析和存储功能不够强大：传统电子仪器的图形显示界面比较小，依靠人工读取数据，从中获得的信息量小。由于硬件设备的限制，往往无法实现更灵活、更特殊的数据分析功能，更难以进行数据编辑、存储、打印等功能。2、虚拟仪器的概念如上所述，传统电子仪器存在的诸多弱点使传统仪器已渐渐不能满足工业自动化和测量领域的需要。随着计算机技术日新月异的飞速发展，计算机强大的数据处理能力使得它的应用范围越来越广。1986年，美国NI公司（National Instruments）提出虚拟仪器的概念，以“软件即仪器”为口号，彻底打破了传统电子仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一场革命。简单地说，虚拟仪器技术就是利用计算机技术实现的对测控系统的抽象。平常使用的示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪，以及传感器等传统仪器，都可使用通用计算机和专用的控制器和显示器来模拟，实现向虚拟仪器的转变。例如图1就是一个虚拟仪器正在运行时的截图，从外观看与实际仪器无二：图1 正在运行的虚拟仪器用户在计算机屏幕上用鼠标和键盘就可设置参数、观察波形，取代以往的在传统仪器面板上调节旋钮、观察曲线等操作，更为快捷方便。可见虚拟仪器反映的是一种“硬件软件化”的思想和趋势。3、虚拟仪器与传统仪器的对比虚拟仪器在灵活性、性价比、用户化等方面，有着得天独厚的优势，是传统仪器无法媲美的。下面将虚拟仪器与传统仪器进行一下全面对比：（1）灵活性：传统仪器系统封闭、功能固定、可扩展性差，功能和模块由生产厂家定义，而虚拟仪器可由用户自行定义功能模块，大大扩展了其灵活性。（2）费用：虚拟仪器的开发维护费用更低，系统组建时间更短。只需通过增加软件模块或者通用硬件模块来增添新的测量功能，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。另外，由于虚拟仪器的结构基于软件体系，所以应用软件不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，可以大大节省一笔维护费用，从而延长设备的使用寿命。低廉的开发成本使虚拟仪器更有市场竞争力，据估算，虚拟仪器价格仅是传统仪器的五到十分之一。（3）用户化：传统仪器用户界面小且简单，用户操作起来不够方便，提示信息也较少。而虚拟仪器通过软件技术可实现丰富、快捷、方便的用户界面，通过多种数据显示方式能够提供更为全面丰富的信息，用户使用时一目了然。即便是有特殊要求的复杂界面，也可以借助更深入的编程技术得以实现。（4）测量误差：传统仪器受系统误差的影响，不同仪器之间个体差异较大，往往会影响测量结果，而虚拟仪器在PC机上运行，不同的PC机上运行具有相同的效果，个体差异很小。（5）数据处理：计算机运算速度的日益提高，使虚拟仪器处理数据的过程非常快速，而数字信号处理理论的成熟发展使得数据处理过程更为可信、精确。传统仪器无法编辑数据，而虚拟仪器可方便地对数据进行编辑、存储和打印。（6）软硬件接口：传统仪器与其它仪器设备的连接十分有限，而虚拟仪器在普通PC机上就可实现，可方便的与网络外设及多种仪器连接，现在流行的DAQ(数据采集)卡、GPIB(通用接口总线)卡、VXI(系统控制接口卡)、PLC（可编程逻辑控制器）等都可以插入计算机插槽。软件方面，可以方便地与C、Matlab等接口式调用，可与数据库连接，以及方便地支持网络传送数据。4、虚拟仪器在各领域中的应用由于虚拟仪器技术的强有力支持，科学家和工程师们可以方便地建立适合自己需要的测控系统，再也不必将自己封闭在固定传统仪器的狭窄天地中。在电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域中都有极为广泛的应用。在电子和通信工程中，虚拟仪器可用于电子测量和信号分析；在自动化检测领域内，虚拟仪器可用于数据采集和控制；在航天航空学科里，虚拟仪器可用于监测和分析火箭或卫星传递来的复杂数据，已被美国航天航空局（NASA）用于火星探险；在基础学科的研究中，虚拟仪器可用于设计实验系统，例如用于生化领域中监测薄膜分子的相互作用，以及医学领域中研究嗅觉和视觉。虚拟仪器诞生以来的爆炸性发展令人惊叹，许多最新的大规模高精尖工程中都有它的用武之地。太空光谱有限公司（Spectrum Astro, Inc.）的Roger Jellum和Tom Arnold开发的AstroRT，是一种基于LabVIEW的数据采集和控制系统，用于航天器的制造测试和轨道姿态控制，可收集、处理和分配从航天器传来的遥感探测信息。整个软件包包括2000多个VIs，花费7个工作年度开发。再如由Honeywell-Measurex公司开发的Proline, 应用于生产片装产品（例如纸张和薄膜塑料）的过程控制，由5000个以上VIs组成，处理超过10万个变量，是目前为止基于LabVIEW的最大规模的系统。5、虚拟仪器开发工具目前广泛应用的虚拟仪器开发工具中按技术类型可分为两类：面向对象的编程技术和图形编程技术 。两者在虚拟仪器开发中都有应用，各有所长。可视化编程语言环境Visual C+、Visual Basic等属于前者，均可以用来开发虚拟仪器的配套软件，但与图形编程语言相比，编程难度较大，开发周期较长且不易进行更改、升级和维护等。而图形编程语言具有容易入门、编程简单、开发周期短等特点，开发出的应用程序界面美观，功能强大，正日益成为主流。较为流行的有NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等软件，此外还有Lookout、BridgeVIEW和LabWINDOWS/CVI等。其中最为常用的就是LabVIEW，目前其版本已经发展到7.1版。二、实验室虚拟仪器工程工作平台LabVIEW1、LabVIEW的发展历史在80年代初，几乎所有的仪器控制程序都是用BASIC语言开发的，几乎所有使用可编程仪器的实验室在搭建测试系统时，仪器控制器的主导语言都是BASIC。所有使用仪器的工程师和技术人员都得做编程工作，与所有的文本编程语言一样，使用BASIC语言进行仪器编程的过程是单调、繁琐而乏味的。National Instruments公司的编程团队注意到了这些现象，它们试图开发一种用于开发仪器控制程序的新工具，减轻工程师和科学家们的负担。National Instruments公司的创始人Jim Truchard和Jeff Kodosky博士，以及Jack MacCrisken顾问便着手开发这种软件工具。LabVIEW最初的概念来源于一个大型测试系统，该系统用于测试海军的声纳定位仪传感器，该系统的主要缺点是需要投入极长的编程时间（超过18个工作年），使用者想做任何改动都得懂得面板上的复杂方法。Kodosky重新定义了该测试系统的概念，提出了虚拟仪器的仪器软件分层体系的概念，即一个虚拟仪器可由若干较低层的虚拟仪器组成，低层虚拟仪器代表了最基本的软件结构模块，负责计算和输入输出操作。虚拟仪器的概念是核心概念，而且这个概念最终包含在这个产品的名称中，该产品最终命名为LabVIEW，即Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（实验室虚拟仪器工程工作平台）的首字母缩写组合。工程师在设计系统时常常要绘制框图，而LabVIEW所体现的一大革新就是将框图转化为可被计算机识别和编译的程序，使用图形化的工作平台作为一种程序设计语言来开发仪器软件。这样可以帮助工程师将问题形象化，轻松完成系统设计，减轻编程负担。在突破了种种技术上的难关后，1986年10月，LabVIEW Version 1.0 for Macintosh面世。作为第一种可行的图形化语言，它引起了全世界的巨大反响。它所带来的全新的虚拟仪器概念和图形化编程环境为业界带来了一场革命，而且赢得了人们的赞叹。1990年1月，LabVIEW 2.0发售。随后为使LabVIEW具有可移植性，能够在不同平台上运行，开始向Windows和Sun上移植系统，1992年8月，LabVIEW 2.5 for Windows发布，1993年1月，LabVIEW 2.5.2 for Sun发布，1993年10月，LabVIEW 3.0 for Windows NT发布。直至2004年5月发布的最新版本7.1，LabVIEW经过不断完善，已经成为一套划时代的图形化编程系统，在数据采集与控制、数据分析、数据表达方面，有着全新的概念和独特的优势，几乎已成为业界标准。此外，NI公司为了挺进工业过程控制市场，还在LabVIEW扩展产品的基础上开发出了BridgeVIEW也是基于G语言图形编程但更适用于工控领域的产品。为了增强LabVIEW的实时性，在对LabVIEW进行了时序安排、用户界面、多线程技术方面的许多革新后，NI公司还推出了LabVIEW RT版本，作为LabVIEW的一个分支，用于实时系统的解决方案。2、LabVIEW编程语言的特点LabVIEW是一个基于G（Graphic）语言的图形编程开发环境，在工业界和学术界中广泛用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言，对于科学研究和工程应用来说是很理想的语言。它含有种类丰富的函数库，科学家和工程师们利用它可以方便灵活地搭建功能强大的测试系统。LabVIEW编程语言最主要的两个特点是图形化编程和数据流驱动：图形化编程LabVIEW与Visual C+、Visual Basic、LabWindows/CVI等编程语言不同，后几种都是基于文本的语言，而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G语言，用框图代替了传统的程序代码，编程的过程即是使用图形符号表达程序行为的过程，源代码不是文本而是框图。一个VI有三个主要部分组成：框图、前面板和图标连接器。框图是程序代码的图形表示，一个典型的VI框图如图2所示：图2 虚拟仪器（VI）的框图LabVIEW的框图中使用了丰富的设备和模块图标，与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。多样化的图标和丰富的色彩也给用户带来不一样的体验和乐趣。前面板是VI的交互式用户界面，外观和功能都类似于传统仪器面板，用户的输入数据通过前面板传递给框图，计算和分析结果也在前面板上以数字、图形、表格等各种不同方式显示出来。一个典型的VI前面板如图3所示：图3 虚拟仪器（VI）的前面板图标是VI的图形符号，连接器则用来定义输入和输出，每一个VI都有图标和连接器。用户要做的工作就是恰当地设置参数，并连接各个子VI。编程一般步骤就是使用鼠标选取合适的模块、连线和设置参数的过程，与烦琐枯燥的文本编程相比更为简单、生动和直观。图4所示的是一个子VI的图标和连接器，以及通过连线进行编程的过程。(a) 图标(b) 连接器(c) 通过连线进行编程图4 虚拟仪器（VI）的图标和连接器如果将虚拟仪器与传统仪器作一类比，前面板就像是仪器的操作和显示面板，提供各种参数的设置和数据的显示，框图就像是仪器内部的印刷电路板，是仪器的核心部分，对用户来讲是透明的，而图标和连接器可以比作电路板上的电子元器件和集成电路，保证了仪器正常的逻辑和运算功能。数据流驱动宏观上讲，LabVIEW的运行机制已不再是传统上的冯·诺伊曼式计算机体系结构的执行方式了。传统计算机语言（如C语言）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替。本质上讲它是一种带有图形控制流结构的数据流模式，程序中的每一个函数节点只有在获得它的全部输入数据后才能够被执行。既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。于是LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序那样受到行顺序执行的约束。我们可以通过相互连接函数节点简洁高效地开发应用程序，还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程。在LabVIEW中单击加亮执行（Highlight Execution）按钮，即可以动画方式演示框图的执行过程，可以观察到数据流流动的方式，数据以有色小圆点表示，在各种不同颜色（代表不同数据类型）的连线上流动。如图5所示：图5 加亮执行的VI（演示数据流驱动）小结基于图形化编程和数据流驱动这两个特点，LabVIEW编程语言学习起来相对较容易些，可减少开发时间。但客观地讲，习惯了文本式编程语言的程序员使用图形表达程序，还需要一段思维转变和适应过程。而且，对于那些数学和逻辑运算过程较复杂的程序，图形语言就不如文本语言更容易表达，此类情况，用户可以选择使用VC或者Matlab等开发工具将数学分析和处理过程编写为专用的动态链接库，LabVIEW提供了专门的接口函数可以调用之。这样，可以结合图形语言和文本语言各自的优点，更为灵活、高效、易用。