电子测量仪器 虚拟仪器技术编程入门.ppt
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1、虚拟仪器技术,学习安排第一章虚拟仪器基本知识(节课)第二章LabVIEW编程基础(节课)第三章VI设计(节课)第四章测验(2节课)题目:设计一个基本函数信号发生器,要求生成下列几类基本信号:正弦波、三角波、方波、和锯齿波,方波占空比为50%,其它参数自设。(信号处理波形生成基本函数发生器),虚拟仪器技术,第一章 虚拟仪器的基本知识1.传统仪器简介。传统仪器通常是一台独立的装置,从功能方面看,传统仪器可划分为信号的采集、控制、分析、处理、结果的表达与输出显示等电路。传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件来实现的,而且由仪器生产厂家给定,其功能和规模一般都是固定的,用户无法随意改变其结构和功能。
2、传统仪器大都是一个封闭的系统,与其他设备的连接受到一定的限制。另外,传统仪器价格偏贵,技术更新慢和开发费用高,而且还没有摆脱独立使用的模式,较为复杂的应用场合或测试参数较多的情况下,操作复杂。,虚拟仪器技术,1.虚拟仪器简介。虚拟仪器的独特优点是在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下,通过软件来实现仪器的部分或全部功能。所谓虚拟仪器,就是用户在通用计算机平台上,根据需求定义和设计仪器的测试功能,使得使用者在操作这台计算机时,就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。VI以透明的方式把计算机资源(如微处理器、内存、显示器等)和仪器硬件(如AD、DA、数字IO、定时器、信号处理等)的测量、控制能力
3、结合在一起,通过软件实现对信号的分析处理、表达及图形化用户接口等.,虚拟仪器技术,测试仪器结构:,虚拟仪器技术,需要特别指出:虚拟仪器实质上是一种创新的仪器设计思想,而非一般具体的仪器也就是说虚拟仪器可以有各种各样的形式,完全取决于实际的物理系统和构成仪器数据采集单元的硬件类型但是有一点是相同的,就是虚拟仪器离不开计算机的控制,软件是虚拟仪器设计中最重要,也是最复杂的部分在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出和调理,软件才是整个仪器系统的关键,虚拟仪器技术,20多年前,美国国家仪器公司NI(NationalInstruments)提出了虚拟仪器(VI)概念,由此引发了传统仪器领域的
4、一场重大变革,从而开创了“软件即是仪器”的先河。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起,大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器发展的历程,在高速度、高带宽和专业测试领域,独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域,虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作,但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏,是传统的独立仪器难以胜任的。,虚拟仪器技术,1.2 虚拟仪器的组成虚拟仪器由硬件和软件组成构成虚拟仪器的硬件平台包括两部分
5、:1计算机:一般为一台PC机或者工作站,它是硬件平台的核心。2I/O接口设备:主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备,如数据采集卡/板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有五种类型,如图9.1所示。,虚拟仪器技术,(1)PCDAQ系统:是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。(2)GPIB系统:GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。(3)VXI系统:以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。(4)PXI系统
6、:以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。(5)串口系统:以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。,虚拟仪器技术,图.1 虚拟仪器组成,虚拟仪器技术,虚拟仪器软件由两大部分构成。1应用程序。它包含两个方面的程序:(1)实现虚拟面板功能的前面板软件程序。(2)定义测试功能的流程图软件程序。2I/O接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。开发虚拟仪器,必须有合适的软件工具。目前已有多种虚拟仪器的软件开发工具。(1)文本式编程语言:如C、Visual C、Visual Basic、Labwindows/CVI
7、等。(2)图形化编程语言:如LabVIEW、HPVEE等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。本书要介绍的是LabVIEW图形化编程语言。,虚拟仪器技术,1.3 虚拟仪器的特点虚拟仪器与传统仪器有着很大差别,传统仪器主要由硬件组成,需要操作者操作面板上的开关旋钮完成测量工作。其测试功能是由具体的电子电路来实现的。而在虚拟仪器中,其测试功能主要有软件完成,其操作面板变成了与实物控件对应的图标。所以,虚拟仪器具有以下特点:,虚拟仪器技术,1虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的,它的外形
8、是与实物相像的“图标”。对虚拟仪器的操作只需用鼠标点击相应图标即可,设计虚拟面板的过程就是在前面板窗口中选取、摆放所需的图形控件的过程。所以,虚拟仪器具有良好的人机交互界面,使用LabVIEW图形化编程语言,可在短时间内轻松完成一个美观而又实用的“虚拟仪器前面板”的设计,使整个设计过程变得轻松而有趣。,虚拟仪器技术,2虚拟仪器测量功能是由软件编程实现的 在以PC计算机为核心组成的硬件平台支持下,通过软件编程设计来实现仪器的测试功能,而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能,因此,虚拟仪器具有很强的扩展功能和数据处理能力。3开发研制周期短,技术更新速度快。传统仪器的技术更新周期
9、大约是5至10年,而虚拟仪器的更新周期是1至2年。4软件、硬件具有开放性、模块化、可重复使用的特点。5通过使用标准接口总线和网卡,极易实现测量自动化、智能化和网络化。,虚拟仪器技术,第二章 LabVIEW编程基础,2.1 LabVIEW简介LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台)是美国国家仪器公司(National Instrument Company,NI公司)开发的一种基于G语言(Graphics Language,图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。,虚拟仪器技术,与传统的通用编程
10、语言不同,LabVIEW编程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等基于文本的编程语言不同,它使用图形化程序设计方法,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合表达程序行为和过程,相应地,源代码不是一行行文本而是框图。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传统计算机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,程序中的第一个节点只有在获得它的全部输入数据后才能够被执行,虚拟仪器技术,2.2 La
11、bVIEW程序的基本构成用LabVIEW 开发的程序一般由一个或多个后缀名为vi的文件组成,这些文件可被称为VI。所有VI都由前面板、框图及图标和连线板三部分组成,一个典型的VI如图所示,第9章 虚拟仪器技术,虚拟仪器技术,2.2.1 前面板前面板是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。前面板上的各种控件根据输入输出功能可分为输入控件和显示控件。以LabVIEW自带例程中“Frequency Response.vi”(位于LabVIEW安装文件夹下examplesappsfr
12、eqresp.lld Frequency Response.vi),虚拟仪器技术,2.2.2 框图框图是程序代码的图形化表示,可通过选择主菜单项中“窗口 显示程序框图”或者使用快捷键Ctrl+E在前面板和框图之间切换。框图中含有各种图形化的函数、子VI、变量、常量、结构和连线,从前面板中得到用户输入的数据后,按照所编写的程序以数据流方式进行运算,最后结果反馈给用户。以LabVIEW自带例程中“Frequency Response.vi”,虚拟仪器技术,图标是VI的图形符号,LabVIEW中内置了图标编辑器供用户自行绘制个性化图标,用户可通过在界面右上角的VI图标上直接双击鼠标调出图标编辑器连线
13、板则用来定义输入和输出,用户可在界面右上角的VI图标上用鼠标右键点击,选择”显示连线板”,调出当前VI的连线板进行设置.LabVIEW编程中,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。,虚拟仪器技术,2.3 LabVIEW编程环境2.3.1 启动界面2.3.2 控件选板在前面板或框图进行编程时,只需用鼠标右键单击中间的空白区域,即可弹出控件选板或函数选板,并且按照功能相似性划分为不同的子选板,图标上标有右三角符号都还可展开下一级子选板鼠标右键单击前面板的空白区域,所弹出的控件选板如图示,常用的各个子选板及其用途如下:新式:
14、提供新式风格的各种控件系统:提供与所在操作系统风格统一的各种控件经典:提供经典风格的各种控件特快通道(Express):包含了最常用的几类控件.NET与ActiveX:提供与.NET和ActiveX支持相关的控件,虚拟仪器技术,2.3.2 函数选板鼠标右键单击框图的空白区域,所弹出的函数选板如图示,常用的各个子选板及其用途如下:编程:提供大量丰富的编程用函数。测量I/O:提供与测量I/O相关的各种函数。仪器I/O:提供与仪器I/O相关的各种函数。数学:提供大量常用数学函数信号处理:信号处理相关函数互连接口:各种与外部代码调用、.NET支持、ActiveX支持、注册表读写、版本控制、端口读写、输
15、入设备控制等相关的接口函数。特快通道(Express):包含了一些最常用的函数和程序框架。,虚拟仪器技术,2.3.3 工具栏前面板工具栏框图工具栏,第9章 虚拟仪器技术,在前面板和框图程序窗口,设有编辑对象用的工具条,工具条各图标的功能如表所示。,第9章 虚拟仪器技术,停止运行按钮,单击此按钮可停止运行VI。,暂停按钮,单击此按钮可暂停VI执行,再次单击此按钮,VI又续执行。,指示灯按钮,单击此按钮,可动态显示VI执行时数据流动动画。,单步(入)按钮,单击此按钮,按节点顺序单步执行程序,每单击一次,程序执行一步。,单步(跳)按钮,单击此按钮,按节点顺序单步执行程序(不进入循环、SubVI内部)
16、,,单步(出)按钮,单击此按钮,退出单步,进入暂停状态。,第9章 虚拟仪器技术,对齐列表框,单击此按钮,可选择图标的对齐方式。,分布列表框,单击此按钮,可选择图标的分布方式。,重新排序列表框,为选定对象重新设定在窗口中的前后顺序。,虚拟仪器技术,2.3.4 菜单LabVIEW菜单可分为主菜单和右键菜单两大类主菜单:LabVIEW编程环境界面的主菜单,提供一系列丰富的操作命令。右健菜单:在前面板或框图上的特定对象(如控件或框图端子)上单击右键,可弹出右键菜单。2.3.5 工具选板,工具模板提供了用于创建、编辑和修改前面板和流程图上对象的各种工具。如果想选用某操作工具,只需用鼠标点击该工具图标即可
17、。工具模板的调用方法:查看 工具选板,第9章 虚拟仪器技术,LabVIEW工具选板的图标及功能,第9章 虚拟仪器技术,虚拟仪器技术,2.4 数据类型LabVIEW使用数据流方式运行,因此有必要掌握LabVIEW数据类型的应用,LabVIEW数据类型分为基本数据类型和复合数据类型两大类。2.4.1 基本数据类型最常用的基本数据类型主要包括数值型、布而型、字符串、文件路径等几类。1.数值型数值型数据是一种标量值,包括浮点数、定点数、整型数、复数等类型,不同数据类型的差别在于存储数据使用的位数和表示的值的范围。创建数值型数据变量可以在控件选板中选择“新式 数值 数值输入控件(或数值显示控件)”,以创
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