基于lebview虚拟仪器设计.doc

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1、基于LabVIEW的虚拟仪器设计XXX， 物理与电子信息学院摘 要：通过引入对LabVIEW的介绍，对LabVIEW的特点以及应用范围有了一定的了解，文章然后论述了LabVIEW的程序开发及其应用，继而探讨了虚拟仪器的概念、发展概况和发展前景，其中也包括虚拟仪器与传统仪器相比所具有的优越性，在此基础上，就使用LabVIEW开发平台设计虚拟仪器进行的实践情况作了举例介绍，也即超声导波断轨检测系统的设计。在设计中大致论述了该设计的基本原理以及设计所需要的硬件模块和软件模块的设计内容和每个模块的工作原理，并且展示了设计系统的检测面板以及检测控制所反馈的内容。关键词：LabVIEW；虚拟仪器；硬件模块

2、；软件模块；检测控制Design of Virtual Instrument Based on LabVIEWXXX, Institute of Physics and Electronic InformationAbstract: By introducing the introduction of LabVIEW, we have a certain understanding of the scope of LabVIEW features and applications, the article then discusses the LabVIEW program developme

3、nt and application, and then discusses the concept of virtual instruments, the development of overview and development prospects, including advantages when comparison virtual instrument with the traditional instruments, in this based on the development platform designed for the use of LabVIEW virtua

4、l instruments were examples of practical situations, ie, guided waves broken rail detection system design. Broadly discussed in the design of the basic principles of the design and the design of the required hardware modules and software modules of the design content and the working principle of eac

5、h module , and show the detection panel design and testing of feedback control of the content.Keywords: LabVIEW, Virtual instruments, Hardware modules, Software modules, Detection and control1 LabVIEW 简介1.1LabVIEW介绍1 LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的缩写。它是一个工程软件包。1986年，美国国家

6、仪器公司(National Instruments)开发研制出它基于苹果公司的Macintosh微机的最早版本。之后，该公司不断推出基于各种操作系统的LabVIEW版本。1998年NI公司推出了基于Windows 95Windows NT40的最新版本LabVIEW 50和它的姊妹软件包LabwindowsCvI 50LabVIEW，它们的出现开创了虚拟仪器的仪器研究新方法。LabVIEW采用图形化语言编程，以方框图的形式编制程序，运用的设备图标与科学家、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相似。LabVIEW提供了大量的函数和子程序支持用户的任务，也提供了一些专用程

7、序如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储。LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，动态执行程序来观察数据的传输过程，以进行方便的调试。同时，LabVIEW 可调用Windows动态连接库和用户自定义的动态连接库中的函数，以解决对某些非NI公司支持的硬件在使用过程中的驱动问题。LabVIEW 的CIN节点使用户可以使用由其它语言(如ANSI C)编译的程序模块，使LabVIEW 成为一个完全开放式的开发平台。此外，LabVIEW 还直接支持动态数据交换(DDE)、结构化查询语言(SQL)、TCP和UDP网络协议等。1.2 Lab

8、VIEW的标志图1.1 LabVIEW的标志1.3 LabVIEW的程序图2图1.2 LabVIEW程序图2 LabVIEW的特点和应用范围2.1 LabVIEW的特点 LabVIEW拥有丰富的分析模块，可以满足用户从统计过程控制到数字信号处理DSP等方面的要求。分析库中还包括信号发生、信号处理、数组和矩阵运算、线性估计、复数算法、数字滤波、曲线拟合等功能模块。模块总数超过200个。 在数据描述方面，LabVIEW提供了开发图形用户接口GUI的手段。用户可以在前面板上放置各种各样的图表、开关、按钮等。在Windows支持下的LabVIEW，提供了与Windows一致的窗口功能。用户还可以将数据

9、输出到打印机或绘图机上。它的文件处理功能也很完善。2.2 LabVIEW的应用范围3LabVIEW几乎可以满足各个方面的应用要求，如自动检测、过程控制、实验室自动化、工厂自动化等。它为各行各业提供了三个最基本的功能：数据采集和控制、数据分析、数据描述。在数据采集和控制方面，LabVIEW提供了对GPIB（如IEEE-488.E等)、RS-232、VXI-VEM（扩展仪器系统)以及DAQ（数据采集系统)设备的控制。用户可以在同一个系统中任意组合这几种设备4， 而且LabVIEW使得它们的驱动程序具有模块化，可以重复使用，最大限度地减少软件开发的工作量。3 LabVIEW的程序开发 利用LabVI

10、EW开发程序，同利用一般语言开发程序略有不同。在LabVIEW中，有两个工作界面：一个称之为前面板Front Panel，另一个被称为接线板。前面板是用户设计界面，诸如仪器面板、控制流程图等。开发者可利用LabVIEW提供的多种模块，在前面板上形成所需要的界面。简单地说，前面板为用户建立直观影象，使用户感到如同在传统仪器面前一样。接线板是编程界面，开发者在屏幕上用连线的方法把虚拟仪器连接起来，形成程序。前面板应用了现在最流行的GUI(图形用户接口)技术。接线板则利用普通的程序技术，提供快速建立、检查和修改程序的手段。 用户可以在前面板上放置多种控制器和指示器。控制器用来接收用户输入执行程序。指

11、示器则用来反映程序运行过程中用户所关心的各种变量。 在接线板上，开发者可以象传统开发一样，使用各种程序控制结构，如顺序、条件、循环等，也可以使用其它VI。连线的过程不仅表达了各功能模块之间输入和输出的关系，而且也建立了数据的流动路径。LabVIEW是一种数据流程序，各个VI和功能模块的动作要等到全部输入数据就绪后才开始，其输出也要等到VI或功能模块转换结束之后才有效。 为了便于开发，LabVIEW提供了多种基本的VI，包括各种简单运算、数据采集、分析工具及网络、文件操作等功能。这正是LabVIEW的优势所在。与C语言一样，LabVIEW程序也是分层次并且模块化了的，开发者可以把应用任务分解、化

12、简，最后利用LabVIEW所提供的最基本的功能，逐层通过VI来完成一个复杂的电路。一旦程序开发完成，用户就可以通过前面板上的控制器控制程序执行并在指示器上观察执行过程。 此外，LabVIEW还有与C语言的接口，以使用户使用用C语言编写的程序。同时，LabVIEW的实时系统还可以提供一种简化的运行手段，以便大大地压缩系统的开销。4 LabVIEW的的应用5 由于虚拟仪器具有性能价格比高的优点，仪器的功能也越来越完善，图形用户接口正在被更多的人们所接受。这里仅以信号分析仪为主的虚拟仪器测试系统为例，简要介绍如何使用LabVIEW软件来开发虚拟仪器的基本方法及虚拟仪器系统的实现。LabVIEW采用图

13、形化语言编程，以方框图的形式编制程序，运用的设备图标与科学家、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相似。LabVIEW提供了大量的函数和子程序支持用户的任务，也提供了一些专用程序如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储。LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，动态执行程序来观察数据的传输过程，以进行方便的调试。4.1设计信号分析仪程序6设计一种虚拟仪器，除了必要的硬件支撑外，编制一组高质量的应用程序更是至关重要的，在编程之前， 必须首先建立该仪器的框架结构，在充分认识和了解仪器的工作机理、测试内容的基础

14、上，拟定程序流程。设计信号分析仪软件流程如图4.17。然后根据LabVIEW所提供的各种资源，采用层次化和模块化的编程方法进行系统编程。 图4.1 信号分析仪的软件流程 信号分析仪主程序调用了AIWAVE。VI子程序进行波形输入调用ARRAY SUBSET，INDEX等函数对波形处理与显示，AVWAVE。VI通过调用AICONFIG等子程序进行数据输入，程序调用HANNING等窗函数VI用了滤波器和FFT变换， 对波形信息进行整形及频潜分析，根据不同的输人信号进行模拟运行，设置断点， 跟踪和调试，进行排错，直到满足要求为止。4.2设计仪器面板8信号分析仪波形见图4.2两个画面，图中分别显示出原

15、始之勿衫和分析后的波形，控制方式为双画面分别控制，其操作方式由传统的旋钮控制方式变为一目了然的图标方式操作时，只需用鼠标去选择控制区中某个图标，并且指向所控制的对象，即可完成对显示波形的移动，局部放大，缩小等等。输入控制，参数设置均以菜单选择和填充方式，操作十分简便。图4.2 信号分析仪面板波形4.3程序运行 当仪器程序编制完毕，就可以与硬件连接，将DAQ板相应通道与被测系统连接，只要设置和连接正确，选择程序按钮，程序运行，仪器即可对被测信号进行数据采集、分析、处理和显示，打印输出等等，也可以通过键盘和鼠标协同对参数的设置进行修改，还可以对波形进行如放大、缩小、移动等各种操作，得到满意的分析结

16、果，按照同样的设计构思，还完成了对双踪示波器，信号发生器等的设计，形成一个多功能的通用测试仪器系统，取得了满意的效果。5 虚拟仪器5.1虚拟仪器简介9 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。随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器是90年代提出的新概念，虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的

17、测试功能，使用者操作这台计算机，就像是在使用一台专门设计的电子仪器。虚拟仪器发展概况及前景由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国率先研制成功虚拟仪器。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国，生产虚拟仪器的主要厂家有HP公司、Tektronix公司，此外还有NI公司、Keithely公司、Iotech公司等。目前，虚拟仪器在那些发达国家中设计、生产、使用已经十分普及。在

18、美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，已成为各大学理工科学生的一门必修课程，而在我国虚拟仪器的设计、生产、使用正在起步。国内专家预测，未来的几年内，我国将有50的仪器为虚拟仪器。届时，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，各种有关软件不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。5.2虚拟仪器的主要特点 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。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：虚拟仪器可

19、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。（3）用户化：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：由于虚拟仪器在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

20、得数据处理过程更为可信、精确。虚拟仪器可方便地对数据进行编辑、存储和打印。5.3虚拟仪器在各领域的应用10 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

21、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。6 超声导波断轨检测系统的设计116.1设计原理 钢轨材料作为固体声传播介质具有良好的声导管特性，当超声波被局限在棒状或管状介质的边界内传播时，边界对超声波产生反复不断的反射传导，这样就形成了由纵波、横波、表面波、兰姆波等基本超声波类型以各种方式组合形成的超声导波与传统单一波形的能量集中式超声检测方法相比，超声导波具有检测频率相对较低、传播距离远、检测距离长等特点。其检测原理如图6.1所示。图6.1 超声导波断轨检测系统原理图 在图6.1中，发射器向固定在钢轨轨腰上的超声波换能器发射高压脉冲电信号，压电换能器

22、通过逆压电效应原理向钢轨中发射超声导波信号，经钢轨传导后在接收端由超声波探头接收。通过接收端对所获得信号的幅值比较，或在给定窗口时间内能否接收到事先设定的超声信号，判定接收端与发射端之间的钢轨完整情况。 该方法采用机械波作为检测信号，因此基本不受牵引回流与钢轨电气参数影响。且设备原理简单，安装和维护方便，设备功耗成本相对较低，非常适用于较长无缝钢轨断裂检测。在长大隧道、南方山区潮湿积水和采用整体道床的轨道一次参数不良的地区，可以替代轨道电路完成断轨检测。6.2系统硬件设计系统硬件组成超声导波断轨检测系统的硬件结构主要由超声导波发射、数据采集、信号接收调理和上位机4个部分组成，如图6.2所示。图

23、6.2 单检测区间系统硬件结构框图 工作过程中，首先由上位机程序控制数据采集模块板卡的2路模拟输出通道，产生高频脉冲信号链，然后经由超声波发射模块驱动超声波探头，探头通过压电陶瓷的逆压电效应原理向钢轨中发射超声导波检测信号，经钢轨传导后在另一端由接收探头接收。接收到的信号经接收调理模块简单处理后，送至数据采集卡进行采集，最后利用上位机软件处理接收来的检测数据，综合分析出检测区间内的钢轨完整情况。6.3硬件模块的功能 数据采集数据采集模块主要完成实时数据采集和模数转换工作。系统采用由美国国家仪器公司生产的NI-USB6251数据采集卡，该采集卡有8路采样率达1.25 MS/s的16位差分模拟输入

24、通道、24路数字I/O以及2路BNC模拟输出通道，可以满足系统对超声波检测信号的发生、采集及向计算机传送数据的功能需求。 超声导波发射超声波信号发射模块由功率放大器和超声波探头组成。其中，功率放大器的作用是放大由数据采集卡模拟输出通道产生的脉冲激励信号，并驱动发射探头工作。发射模块中选用美国T&C公司的ULTRA2020型功率放大器，其工作频率范围为0.0115 MHz，输出功率可达50 W。超声波探头是利用压电陶瓷的逆压电效应原理，将脉冲电信号转化为声波类型的物理信号，通过介质传播，由接收端对信号的波形与衰减进行分析判断介质内部情况的器件。超声波换能器选用具有双频特性的NTK公司DA4452

25、5-46型压电换能器，其发射频率有25 kHz和40 kHz2种。信号接收调理该模块中包含的接收传感器用于采集和提取钢轨中的超声导波信号，并通过信号调理电路转换为可测量的电压信号供数据采集卡采集。传感器采用美国ENDEVCO公司的7259a-100型加速度传感器，其具有极宽的频响特性，可在恶劣环境状况下测量高频振动，并采用了环形剪切式设计，具有高达80 kHz的共振频率，工作温度可达-55125 。由于压电式加速度传感器为高阻抗、自发电式元件，无需外接电源，但输出为电荷信号，因此必须通过信号调理电路转换为电压量后再进行采集。信号调理电路如图6.3所示，其主要原理是一个带反馈电容的电压放大器。工

26、作时输出电压经Cf电容反馈回来，以维持输入电压为零，从而将输入电荷量转换为低阻抗的输出电压量，并消除电缆电容Cc 的影响。图6.3 信号接收与调理模块电路原理图 7 系统软件设计超声导波断轨检测系统采用基于虚拟仪器技术的LabVIEW开发环境进行软件编程设计，实现检测信号的生成、接收、处理、断轨判断和记录功能，系统软件框架和流程如图7.1和图7.2所示12。图7.1 系统软件结构框架图图7.2 系统软件流程图7.1 检测信号生成程序 该部分采用LabVIEW仿真信号发生器编程，产生2路频率相同但脉宽相异的高频脉冲振荡信号，通过DAQ输出控件直接驱动USB-6251卡的2个模拟输出通道，产生高频

27、脉冲振荡信号，最终控制超声波发射模块向钢轨中发射超声导波。7.2 数据采集程序 由于NI-USB6251 卡支持DAQmx驱动程序，所以设计时直接使用DAQmx Da-ta Acquisition开发。在这一部分中，主要是采集参数的设置，包括物理通道的选择、采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置和采样边界值的设置等。7.3 断轨判断与报警程序 断轨判断与报警程序采用用户事件编写。当给定时间间隔内接收到的信号采样值低于设定的阈值时，就会触发用户事件，产生断轨报警，并进行数据记录。7.4 数据保存程序 数据保存是把采集的接收端信号特征数据及其对应时间保存到MySQL 数据库。其程序是首先进

28、行数据库的选择和数据库表格的建立，然后用LabSQL工具包将采集的数据按照一定的时间间隔保存到数据库的表格里。另外对报警时刻的波形进行报警日志记录，供日后波形回放和断轨分析时使用。7.5 历史数据查询程序 历史数据查询程序可将已保存在数据库中的波形特征数据读取出来供用户分析。由于保存数据表格的主键已设为保存时刻，每个数据在时间上是唯一的，所以历史数据的查询只需要从数据库里按照一定的条件进行检索就可以完成。另外，该部分程序还能提供报警事件的波形回放功能。7.6 用户操作界面13根据系统设计要求，在上位机上显示的断轨检测系统用户界面如图7.3所示。该界面主要包括： （1）系统时间与操作员登陆窗口；

29、 （2）系统开关与工作状态指示灯； （3）超声波信号源开关与波形显示面板； （4）接收端两轨信号接收与分离显示界面； （5）断轨报警阈值参数设定、报警指示灯和设备故障自检指示灯； （6）数据存储面板。图7.3 超声导波断轨检测系统控制面板 在图7.3中，钢轨两端为模拟通道输出的2路脉冲间隔不同的超声波脉冲信号，经钢轨传导后在中间由数据采集卡采集，信号经滤波、放大后显示在中间面板上。再经过延时算法将2路信号分离开，分别显示于相邻面板上。在此图中，接收信号分离后，由于轨1信号低于设定幅值，系统判断轨1发生断轨，并做报警提示。其他3个轨段信号幅值均大于给定阈值，钢轨状况良好。结束语LabVIEW作为

30、一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步产生不可估量的影响。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器广泛应用于电子测量、化学工业、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。参考文献：1Jose

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32、5-16.6杨乐平, 李海涛, 杨磊.LaVIEW 程序设计与应用M. 北京: 电子工业出版社, 2007: 11-16.7基于LabVIEW的虚拟示波器设计J. 科技资讯 , 2006,11(2): 5-14.8周春艳. 基于LabVIEW的网络化虚拟仪器实验系统的设计D. 桂林: 广西师范大学 , 2008.9苏中义. 虚拟仪器简介J. 上海电机技术高等专科学校学报 , 2004,2: 16-18.10李艳. 基于LabVIEW虚拟实验仪器的设计与应用D. 南京: 南京理工大学 , 2006 .11潘莹玉. 关于虚拟教学仪器的设计及实现J. 莱阳农学院学报 , 2005,17: 19-21

33、.12毛顿. LabVIEW测控系统的网络访问技术研究D. 武汉: 武汉理工大学 , 2002.13张晓冬. 基于LabVIEW的虚拟仪器开发及其在教学中的应用J. 科技资讯 , 2006,16: 33-34.致 谢在此次论文写作过程中，我体会到许多以前所未能体验的感受，今年由于还要面临考研的压力，而且本次论文导师要求的比较早，所以在完善论文的过程中倍感压力，其次又由于个人知识的欠缺，所以整个过程比较缓慢。但我还是非常感谢我的论文指导老师XXX老师，您对我们要求很严格而合理，对我们尽职尽责，在给予我们的讲述过程中也很耐心很热情，成为您的学生让我感到很荣幸，在论文写作的整个过程中，您始终对我给予充足的鼓励和无限的宽容，再次感谢您！ XXX 2011年4月1日12