1、第第1212章章 虛擬儀器技術虛擬儀器技術12.1 12.1 LabVIEW軟件的特點軟件的特點112.2 12.2 LabVIEW虛擬儀器的創建方法虛擬儀器的創建方法12.3 12.3 數據采集與虛擬儀器數據采集與虛擬儀器312.4 12.4 LabVIEW和和Multisim軟件的聯合軟件的聯合42 虛擬儀器虛擬儀器(VI,Virtual Instrument)(VI,Virtual Instrument)是在是在2020世紀后期世紀后期隨計算機水平和軟件技術的迅速進步而出現并發展隨計算機水平和軟件技術的迅速進步而出現并發展起來的有別于傳統儀器的新概念。虛擬儀器技術突起來的有別于傳統儀器的

2、新概念。虛擬儀器技術突破了傳統電子儀器以硬件為主體的模式，具有用簡破了傳統電子儀器以硬件為主體的模式，具有用簡單硬件將被測量采集到單硬件將被測量采集到上位機上位機，然后通過軟件設計，然后通過軟件設計即可方便靈活地完成對被測試量的分析、判斷、顯即可方便靈活地完成對被測試量的分析、判斷、顯示及數據存儲等功能的特點。軟件設計的靈活易變、示及數據存儲等功能的特點。軟件設計的靈活易變、成本低等特點使虛擬儀器在測試測量技術中越來越成本低等特點使虛擬儀器在測試測量技術中越來越發揮出其優勢。發揮出其優勢。 概述 上位機上位機是指人可以直接發出操控命令的計算機，一般是PC，屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫

3、度等）。 下位機下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般是PLC/單片機之類的。 上位機發出的命令首先給下位機，下位機再根據此命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。下位機不時讀取設備狀態數據（一般為模擬量），轉換成數字信號反饋給上位機。 上下位機都需要編程，都有專門的開發系統。 12.1 LabVIEW軟件的特點 LabVIEWLabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineer Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench, Workbench,實驗室虛擬儀器工作平臺）是美國實驗室虛擬儀器工作

4、平臺）是美國NINI（National Instruments,National Instruments,美國國家儀器公司）公司推美國國家儀器公司）公司推出的一種基于出的一種基于G G語言語言(Graphics Language(Graphics Language，圖形化編，圖形化編程語言程語言) )的具有革命性的圖形化虛擬儀器開發環境，的具有革命性的圖形化虛擬儀器開發環境，是業界領先的測試、測量和控制系統的開發工具。是業界領先的測試、測量和控制系統的開發工具。傳統儀傳統儀器待測模擬信號信號處理前置預處理數據顯示信號輸入硬件電子系統A/D轉換數字信號處理數據顯示信號產生信號輸出手動/模擬信號控

5、制待測模擬信號輸出模擬信號D/A轉換計算機數字信號控制數字信號產生輸出模擬信號Classical InstrumentVirtual Instrument(VI)計算機DAQ卡利用計算機強大、高效的數字信號處理和控制能力，配合高速高精度利用計算機強大、高效的數字信號處理和控制能力，配合高速高精度A/DA/D、D/AD/A轉換卡，實現與傳統專用儀器相同乃至更強的功能，組成虛擬儀器轉換卡，實現與傳統專用儀器相同乃至更強的功能，組成虛擬儀器前置預處理對比作為虛擬儀器的開發軟件，作為虛擬儀器的開發軟件，LabVIEWLabVIEW的特點如下：的特點如下：具有圖形化的編程方式，設計者無需編寫任何文本具有

6、圖形化的編程方式，設計者無需編寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師語言。格式的代碼，是真正的工程師語言。提供豐富的數據采集，分析及存儲的庫函數。提供豐富的數據采集，分析及存儲的庫函數。提供傳統的數據調試手段，如設置斷點，單步運行，提供傳統的數據調試手段，如設置斷點，單步運行，同時提供獨具特色的執行工具，使程序動畫式進行，同時提供獨具特色的執行工具，使程序動畫式進行，利于設計者觀察到程序運行的細節，使程序的調試利于設計者觀察到程序運行的細節，使程序的調試和開發更為便捷。和開發更為便捷。12.1 LabVIEW軟件的特點囊括了囊括了PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USBPC

7、I,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USB等各種儀器等各種儀器通信總線標準的所有功能函數，使得不懂得總線標準通信總線標準的所有功能函數，使得不懂得總線標準的開發者也能驅動不同總線標準接口設備與儀器。的開發者也能驅動不同總線標準接口設備與儀器。提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，如提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，如DLLDLL（動態鏈接庫），（動態鏈接庫），DDEDDE（共享庫），（共享庫），ActivexActivex等。等。具有強大的具有強大的InternetInternet功能，支持常用的網絡協議，方便功能，支持常用的網絡協議，方便網絡，遠程測控儀器開發。網絡，

8、遠程測控儀器開發。12.1 LabVIEW軟件的特點在測試和測量方面，在測試和測量方面，LabVIEWLabVIEW已經變成了一種工業已經變成了一種工業的標準開發工具；在過程控制和工廠自動化應用方的標準開發工具；在過程控制和工廠自動化應用方面，面，LabVIEWLabVIEW軟件非常適用于過程監測和控制；而軟件非常適用于過程監測和控制；而在研究和分析方面，在研究和分析方面，LabVIEWLabVIEW軟件有力的軟件分析軟件有力的軟件分析庫提供了幾乎所有經典的信號處理函數和大量現代庫提供了幾乎所有經典的信號處理函數和大量現代的高級信號的分析。的高級信號的分析。它內具信號采集、測量分析與數據顯示功

9、能，集開它內具信號采集、測量分析與數據顯示功能，集開發、調試、運行于一體發、調試、運行于一體 ，而且，而且LabVIEWLabVIEW虛擬儀器虛擬儀器程序程序(Virtual Instrument(Virtual Instrument，簡稱，簡稱VI)VI)可以非常容易的與可以非常容易的與各種數據采集硬件、以太網系統無縫集成，與各種各種數據采集硬件、以太網系統無縫集成，與各種主流的現場總線通信以及與大多數通用數據庫鏈接。主流的現場總線通信以及與大多數通用數據庫鏈接。12.1 LabVIEW軟件的特點“軟件就是儀器軟件就是儀器”反映了其虛擬儀器技術的本質特反映了其虛擬儀器技術的本質特征。用征。用

10、LabVIEWLabVIEW設計的虛擬儀器可脫離設計的虛擬儀器可脫離LabVIEWLabVIEW開開發環境，用戶最終看見的是和實際硬件儀器相似的發環境，用戶最終看見的是和實際硬件儀器相似的操作界面。如今虛擬儀器已是現代檢測系統中非常操作界面。如今虛擬儀器已是現代檢測系統中非常重要的一部分。重要的一部分。12.1 LabVIEW軟件的特點VI程序和工程創建欄新近打開的工程和VI程序列表欄幫助資源列表欄啟動界面12.2 LabVIEW虛擬儀器的創建方法12.2 LabVIEW虛擬儀器的創建方法 LabVIEW與虛擬儀器有著緊密聯系，在與虛擬儀器有著緊密聯系，在LabVIEW中開中開發的程序都被稱為

11、發的程序都被稱為VI（虛擬儀器），其擴展名默認為（虛擬儀器），其擴展名默認為.vi。虛虛擬擬儀儀器VI前面板Front panel框圖Block diagram圖標和連接器窗格Icon and connector pane圖12-2（b）前面板及控件模板圖圖12-2 12-2 前面板及控件模板前面板及控件模板前面板：虛擬儀器的交互式前面板：虛擬儀器的交互式用戶接口，模仿了實際儀器用戶接口，模仿了實際儀器面板。包含旋鈕、按鈕、圖面板。包含旋鈕、按鈕、圖形等控制與顯示對象。通過形等控制與顯示對象。通過鼠標或鍵盤輸入數據、控制鼠標或鍵盤輸入數據、控制按鈕，可在計算機屏幕上觀按鈕，可在計算機屏幕上觀看

12、結果，主要作用是完成顯看結果，主要作用是完成顯示和控制。示和控制。其中，輸入量被稱為其中，輸入量被稱為ControlsControls（控件），用戶可以通過控件向控件），用戶可以通過控件向VIVI中設置輸入參數等；輸出量被中設置輸入參數等；輸出量被稱為稱為IndicatorsIndicators（指示器），指示器），VIVI通過指示器向用戶提示狀態或輸通過指示器向用戶提示狀態或輸出數據等。出數據等。圖12-2（a）框圖面板及函數模板圖圖12-3 12-3 框圖面板及函數模板框圖面板及函數模板流程圖窗口提供流程圖窗口提供VIVI的圖形的圖形化源程序，相當于實際儀化源程序，相當于實際儀器箱內的東西

13、，在流程圖器箱內的東西，在流程圖中程序員用圖形語言編寫中程序員用圖形語言編寫LabVIEWLabVIEW程序源代碼，以程序源代碼，以控制和操縱定義在前面板控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。每上的輸入和輸出功能。每一個程序前面板都有相應一個程序前面板都有相應的框圖程序與之對應。框的框圖程序與之對應。框圖程序用圖形編程語言編圖程序用圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統寫，可以把它理解成傳統程序的源代碼。框圖中的程序的源代碼。框圖中的部件可以看成程序節點，部件可以看成程序節點，如循環控制、事件控制和如循環控制、事件控制和算術功能等。這些部件都算術功能等。這些部件都用連線連接，以定義框圖用連線

14、連接，以定義框圖內的數據流動方向。內的數據流動方向。在框圖窗口中放置編程需要在框圖窗口中放置編程需要的功能函數模塊，并根據編的功能函數模塊，并根據編程要求連接前面板控件、指程要求連接前面板控件、指示器在框圖窗口中的相應圖示器在框圖窗口中的相應圖標和功能函數模塊圖標。在標和功能函數模塊圖標。在框圖中對框圖中對VIVI編程的主要工作編程的主要工作就是從前面板上的輸入控件就是從前面板上的輸入控件獲得用戶輸入信息，然后進獲得用戶輸入信息，然后進行計算和處理，最后在輸出行計算和處理，最后在輸出控件中把處理結果反饋給用控件中把處理結果反饋給用戶。框圖上的編程元素除了戶。框圖上的編程元素除了包括于前面板上的

15、包括于前面板上的ControlControl和和IndicatorIndicator對應的連線端子對應的連線端子（TerminalTerminal）外，還有函數、）外，還有函數、子子VIVI、常量、結構和連線等。、常量、結構和連線等。完成子程序流程框圖的編完成子程序流程框圖的編程后，需要定義連接器，程后，需要定義連接器，以便在子以便在子VIVI調用時方便連調用時方便連接端口。圖標接端口。圖標/ /接口器件接口器件可以讓用戶把可以讓用戶把VIVI程序變成程序變成一個對象（一個對象（VIVI子程序），子程序），然后在其他程序中像子程然后在其他程序中像子程序一樣地調用它。圖標表序一樣地調用它。圖標表

16、示在其他程序中被調用的示在其他程序中被調用的子程序，而接線端口則表子程序，而接線端口則表示圖標的輸入示圖標的輸入/ /輸出口，輸出口，就像子程序的參數端口對就像子程序的參數端口對應著應著VIVI程序前面板控件和程序前面板控件和指示器的數值。指示器的數值。VIVI圖標的修改可通過雙擊圖標，在圖圖標的修改可通過雙擊圖標，在圖12-12-4 4的編輯窗口下自定義圖標。的編輯窗口下自定義圖標。圖圖12-4 12-4 圖標編輯圖標編輯定義連接器是用鼠標右鍵單擊前面板窗口中的圖標定義連接器是用鼠標右鍵單擊前面板窗口中的圖標窗格，在圖窗格，在圖12-512-5快捷菜單中選擇快捷菜單中選擇Show Conne

17、ctorShow Connector，連接器窗格會取代前面板窗口右上角的圖標，如圖連接器窗格會取代前面板窗口右上角的圖標，如圖12-612-6所示。所示。圖圖12-5 12-5 定義連接器下拉菜單圖定義連接器下拉菜單圖 圖圖12-6 12-6 連接器窗格圖連接器窗格圖 溫度計程序的圖標和連接器溫度計程序的圖標和連接器 LabVIEWLabVIEW提供了三個模板來編輯虛擬儀器：提供了三個模板來編輯虛擬儀器：工具模板（工具模板（ToolsPalettesToolsPalettes）、控制模板）、控制模板（ControlsPalettesControlsPalettes）、功能模板）、功能模板（Fu

18、nctionsPalettesFunctionsPalettes）。）。12.2 LabVIEW虛擬儀器的創建方法模板工具模板工具模板ToolsPalettesToolsPalettes控制模板控制模板ControlsPalettesControlsPalettes功能模板功能模板FunctionsPalettesFunctionsPalettes12.2 LabVIEW虛擬儀器的創建方法工具模板工具模板操作工具：使用該工具來操作前面板的控制和顯示。操作工具：使用該工具來操作前面板的控制和顯示。 選擇工具：用于選擇、移動或改變對象的大小。選擇工具：用于選擇、移動或改變對象的大小。標簽工具：用于

19、輸入標簽文本或者創建自由標簽。標簽工具：用于輸入標簽文本或者創建自由標簽。連線工具：用于在框圖程序上連接對象。連線工具：用于在框圖程序上連接對象。 對象彈出菜單工具：用鼠標左鍵可以彈出對象的彈出式菜單。對象彈出菜單工具：用鼠標左鍵可以彈出對象的彈出式菜單。 漫游工具：使用該工具就可以不需要使用滾動條而在窗口中漫游漫游工具：使用該工具就可以不需要使用滾動條而在窗口中漫游。 斷點工具：使用該工具在斷點工具：使用該工具在VIVI的框圖對象上設置斷點。的框圖對象上設置斷點。 探針工具：可以在框圖程序內的數據流線上設置探針。探針工具：可以在框圖程序內的數據流線上設置探針。 顏色提取工具：使用該工具來提取

20、顏色用于編輯其他的對象。顏色提取工具：使用該工具來提取顏色用于編輯其他的對象。 顏色工具：用來給對象定義顏色。顏色工具：用來給對象定義顏色。 提供用于圖形操作的各種工具，如移動、選取、設置卷標和斷提供用于圖形操作的各種工具，如移動、選取、設置卷標和斷點、文字輸入等。點、文字輸入等。12.2 LabVIEW虛擬儀器的創建方法數值子模板：包含數值的控制和顯示。數值子模板：包含數值的控制和顯示。 布爾值子模塊：邏輯數值的控制和顯示。布爾值子模塊：邏輯數值的控制和顯示。 字符串和路徑子模板：字符串和文件路徑的控制和顯示。字符串和路徑子模板：字符串和文件路徑的控制和顯示。 數組和群子模板：復合型數據類型

21、的控制和顯示。數組和群子模板：復合型數據類型的控制和顯示。列表子模板：菜單環和列表欄的控制和顯示。列表子模板：菜單環和列表欄的控制和顯示。 圖形子模板：顯示數據結果的趨勢圖和曲線圖。圖形子模板：顯示數據結果的趨勢圖和曲線圖。 環和枚舉子模板：菜單環和枚舉的控制和顯示。環和枚舉子模板：菜單環和枚舉的控制和顯示。 控件容器庫子模板：操作控件容器庫子模板：操作Tab ControlTab Control、SubPanelSubPanel、ActiveXActiveX等功能。等功能。I/O I/O 子模板子模板 ：對輸入、輸出的控制和操作。：對輸入、輸出的控制和操作。 對話控制子模板：用于輸入對話框的

22、顯示控制。對話控制子模板：用于輸入對話框的顯示控制。 版本控制子模板：實現對以往版本的兼容和繼承。版本控制子模板：實現對以往版本的兼容和繼承。Refnum Refnum 子模板子模板 ：包含一些：包含一些RefnumRefnum控件。控件。 裝飾子模板：用于給前面板進行裝飾的各種圖形對象。裝飾子模板：用于給前面板進行裝飾的各種圖形對象。調用控制子模板：調用存儲在文件中的控制和顯示的接口。調用控制子模板：調用存儲在文件中的控制和顯示的接口。 用戶控制子模板：用戶自定義的控制和顯示。用戶控制子模板：用戶自定義的控制和顯示。 提供用于前面板編輯的控制和顯示對象的圖標等。提供用于前面板編輯的控制和顯示

23、對象的圖標等。12.2 LabVIEW虛擬儀器的創建方法功能模板結構子模板結構子模板: :包括程序控制結構命令，例如循環控制等，以及全局包括程序控制結構命令，例如循環控制等，以及全局 變量和局部變量。變量和局部變量。數值運算子模板數值運算子模板: :包括各種常用的數值運算符；以及各種常見的數包括各種常用的數值運算符；以及各種常見的數 值運算式，如值運算式，如+1+1運算；還包括數制轉換、三角函運算；還包括數制轉換、三角函 數、對數、復數等運算，以及各種數值常數。數、對數、復數等運算，以及各種數值常數。 布爾邏輯子模板布爾邏輯子模板: :包括各種邏輯運算符以及布爾常數。包括各種邏輯運算符以及布爾

24、常數。 字符串運算子模板字符串運算子模板: :包含各種字符串操作函數、數值與字符串之間包含各種字符串操作函數、數值與字符串之間 的轉換函數，以及字符的轉換函數，以及字符( (串串) )常數等。常數等。 數組子模板數組子模板: :包括數組運算函數、數組轉換函數，以及常數數組等。包括數組運算函數、數組轉換函數，以及常數數組等。 群子模板群子模板: :包括群的處理函數，以及群常數等。這里的群相當于包括群的處理函數，以及群常數等。這里的群相當于C C語語 言中的結構。言中的結構。 比較子模板比較子模板: :包括各種比較運算函數，如大于、小于、等于。包括各種比較運算函數，如大于、小于、等于。時間和對話框子模板時間和對話框子模板: :包括對話框窗口