作者：周冀馨
出版社：机械工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
虚拟仪器技术 第2版试读：
前言
虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是基于计算机的仪器，它是计算机技术、仪器技术和通信技术等多门技术相结合的产物，是人类进入信息时代、网络时代后，在数据采集、自动测试和仪器技术领域的一场革命。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向，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。
近些年来，虚拟仪器及其组态软件LabVIEW在我国的测试技术和教育领域得到了迅速推广。许多高职高专院校把虚拟仪器技术课程作为电子类、机电类等相关专业的必修课或是选修课，为了适应高职高专教育的改革和全国示范性院校建设的需要，实现技能型人才培养的目标，编者结合多年从事高职高专虚拟仪器教学的实践编写了本书。
本书突出了以下特点：
1）从虚拟仪器程序开发的不同阶段出发，由浅入深、循序渐进地介绍了LabVIEW编程语言和节点函数的使用方法。全书图文并茂，采用实例上机操作，突出了易学、易用和系统性、实用性。
2）强调以技能训练为主，以美国NI公司ELVIS仪器为平台，开发了10个实训，对读者系统掌握LabVIEW编程和数据采集卡的应用大有益处。
3）给出的例题、习题，以供强化概念。注意运用正文、例题、习题之间的分工和配合，尤其每章后的小结，起到提纲挈领、掌握要点的作用，帮助读者归纳、总结和掌握，引导读者思考理解，帮助深化概念，巩固所学知识。
本书可作为高职高专院校电子类、机电类等相关专业学生的教材，也可作为工程技术人员的参考用书。
本书由天津电子信息职业技术学院周冀馨任主编，哈尔滨学院的孙博玲任副主编，天津电子信息职业技术学院的程亚平、刘振昌、傅连祺参编。其中，周冀馨编写第2、5、7章，孙博玲编写第4、6章，刘振昌编写第3章，傅连祺编写第8、9章，程亚平编写第1、10章。
由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请广大读者批评指正。编者第1章 虚拟仪器技术及LabVIEW入门要求
掌握虚拟仪器的概念、虚拟仪器的构成、创建LabVIEW的前面板和流程图、程序的存储。知识点
●虚拟仪器的概念
●图形化编程语言
●LabVIEW入门重点和难点
●软件就是仪器的概念
●LabVIEW入门1.1 虚拟仪器
虚拟仪器（Virtual Instrumention，VI）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说，这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。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。虚拟仪器主要是指这种方式。图1-1所示的框图反映了典型的PC—DAQ/PCI虚拟仪器方案。图1-1 典型的PC—DAQ/PCI虚拟仪器方案
虚拟仪器的主要特点有：
1）尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。
2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。
3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。1.1.1 虚拟仪器的发展
虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防和航天等领域已经有了相当的发展。PC出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统和有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。
LabVIEW 8.6为多线程功能添加了更多特性。使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性，LabVIEW Real-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次成为进行并行编程的首选。
普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，后来又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。
虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互联及与计算机的连接。使用较多的是IEEE 488或GPIB协议，未来的仪器也应当是网络化的。
所有PC主流技术的新进展，不管是CPU的更新还是便携式计算机的进步，不管是操作系统平台的提升还是网络的应用扩展，都能够为虚拟仪器系统技术带来新的活力和飞跃。1.1.2 LabVIEW简介
LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，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。Lab VIEW集成了与满足-GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP和ActiveX等软件标准的库函数，这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
图形化的程序语言又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能地利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。1.1.3 虚拟仪器与传统仪器的比较
传统的电子测量仪器（如示波器、万用表、频率计和信号源等）是由专业生产厂家制造的具有特定功能和仪器外观的测试设备，具有固定不变的操作面板，采用固定不变的电子线路和专用接口器件，固化的系统软件。因此，仪器的功能是固定的、用户的扩展性差，只能完成单一的或固定的测试工作。
虚拟仪器是一个全新的概念，多年前，美国国家仪器（National Instruments，NI）公司提出“软件即是仪器”的虚拟仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革。虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。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。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能的飞速发展，已把传统仪器远远地抛到后面。用户通过鼠标和键盘操作虚拟仪器面板上的开关、旋钮和按键等选用仪器功能，设置各种参数，启动或停止一台仪器工作。虚拟仪器实现了测量仪器智能化、多样化和模块化，即在相同的硬件平台上由用户通过软件编程实现不同的测试与控制。表1-1为虚拟仪器与传统仪器的比较。表1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较1.1.4 虚拟仪器实验平台
虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相得益彰。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，甚至不可思议的工作。
1）传统仪器一般只能单独测量某个电量，如电压表只能测量电压，信号源只能产生各种信号。而一台虚拟仪器可以同时构成多台仪器，这些仪器具有控制通道和数据通道，可以完成对多个参数的自动采集与分析、信息的存储显示、综合与控制，符合现代信息处理的要求。
2）对于越来越复杂的测试系统，如果还使用传统测试仪器，必须由多台仪器搭建，面对不同生产厂家的仪器，用户需要学习不同仪器的操作方法后才能正确使用。虚拟仪器具有良好的人机界面，菜单式操作，利用鼠标和键盘，大大简化了仪器操作，用户通过图形化界面控制仪器的运行，完成对信号的采集、分析、判断、显示及数据存储。
3）目前，微处理器、DSP技术和嵌入式系统等技术的快速发展改变了传统仪器设计理念，原来很多由硬件完成的功能逐步由软件完成，虚拟仪器具有自动化程度高、可靠性好、价格低、升级容易和系统维护好等优点。
4）虚拟仪器利用计算机强大处理显示功能，使仪器许多功能由计算机完成，如果需要增加某些功能，只需改变软件设计。
因此，基于虚拟仪器技术的电子测试仪器将成为新模式电子技术平台。1.2 LabVIEW的运行环境
使用LabVIEW软件开发的程序称为虚拟仪器程序，简称为VI（Virtual Instruments）的程序设计主要在以下两个窗口进行。
1）前面板设计窗口（Front Panel）：用户接触的图形界面，即虚拟仪器操作面板。
2）流程图编辑窗口（Block Diagram）：用户完成特定功能而编写的程序，即图形化源代码。1.2.1 程序启动
运行LabVIEW执行程序或双击图标后，LabVIEW的启动画面如图1-2所示。图1-2 LabVIEW的启动画面
通过该窗口可以新建VI，选择最近打开的LabVIEW程序文件，查找范例以及打开LabVIEW帮助，同时还可查看各种信息和资源（例如，用户手册、帮助主题以及NI网站ni.com上的各种资源）。打开现有文件或新建文件后启动窗口消失。关闭所有已经打开的前面板和程序框图后可再次显示启动窗口。在前面板或程序框图窗口中选择查看→启动窗口，也可以显示启动窗口。1.2.2 前面板设计窗口
前面板是图形用户界面，包括控制件和显示件两大部分。控制件包括旋钮和按钮等输入控件，显示件包括图表和LED等输出控件。控制件模拟传统仪器的输入装置，将数据输送给程序的流程图。显示件模拟传统仪器的输出装置，显示流程图中获取或生成的数据，如图1-3所示。图1-3 随机数显示前面板1.2.3 流程图编辑窗口
流程图由端口、节点、图框和连线组成。
端口图标：程序框图传递数据的起点和终点，与前面板的控件对应。
节点：实现程序功能的基本单元，也可以称为函数或是子程序。
图框：被用来实现结构化控制命令。
连线：是程序框图中各个对象之间传递数据的通道。
图1-4是图1-3前面板对应的流程图，随机数发生器通过连线将产生的数据送到波形图表显示件，为了降低每次循环的速度，放置一个延时等待节点（等待下一个整数倍毫秒），放置一个While循环图框，可以连续产生数据，直到按下停止按钮才停止程序运行。图1-4 随机数显示流程图1.2.4 操作面板
LabVIEW有工具选板、控件选板和函数选板，这些模板反映了LabVIEW软件的功能与特征。
1.工具选板
工具选板为用户提供创建、修改和调试程序的各种工具，当从工具选板中选择一种工具后，鼠标箭头变成该工具特有形状。弹出工具选板可以在查看菜单中选择工具选板命令或按住＜;Shift＞;键的同时单击鼠标右键，如图1-5所示。工具选板上每个图标的功能如表1-2所示。图1-5 工具选板表1-2 各个工具功能
2.控件选板
在进行前面板设计时，使用控件选板。在前面板任意空白处单击鼠标右键将弹出控件选板，如图1-6所示。在默认状态下，初次使用LabVIEW时打开控件选板可显示Express选板。如未显示Express选板，单击控件选板上的Express可显示Express选板。控件选板上每个图标的功能如表1-3所示。图1-6 控件选板表1-3 控件选板
3.函数选板
函数选板用于流程图设计，每一个顶层图标都表示一个子模板，它们包含了程序设计所需的函数节点和子VI。在流程图编辑窗口空白处单击鼠标右键可以弹出函数选板，如图1-7所示。在默认状态下，初次使用LabVIEW时打开控件选板可显示Express选板。如未显示Express选板，用鼠标单击控件选板上的Express可显示Express选板。功能模板上每个图标的功能如表1-4所示。图1-7 函数选板表1-4 功能模板1.3 虚拟仪器设计项目
一个最基本的虚拟仪器程序由3部分组成：一个人机对话的前面板，一个作为源代码的数据流程图以及图标/连接端口。
本节通过设计一个简单的温度转换器项目来说明虚拟仪器的设计方法。1.3.1 项目要求
创建一个把数字式摄氏温度转换为数字式华氏温度的VI，要求前面板通过转换开关实现当输入摄氏温度能够显示对应的华氏温度，而输入华氏温度时显示摄氏温度。
摄氏温度转换华氏温度的数学关系为
F=C×1.8+32 （1-1）
华氏温度转换摄氏温度的数学关系为
摄氏温度转换华氏温度的对应关系如表1-5所示。表1-5 温度转换对应关系1.3.2 前面板设计
1.创建输入温度控制量
在控件选板选择数值输入控件，如图1-8所示。用鼠标左键激活标签改为“温度值输入”，这时流程图中出现一个与之相对应的端口图标。图1-8 放置数字控件
2.创建温度显示控件
在控制模板选择新式→数值→温度计，如图1-9所示。用鼠标左键激活标签改为“温度转换显示”，这时流程图中出现一个与之相对应的端口图标。在温度显示件上单击鼠标右键，弹出的快捷菜单上选择“显示项”→“数字显示”命令，如图1-10所示，这时在温度显示件右上角出现数字量显示。图1-9 放置温度显示件
3.创建温度转换开关
在控制模板选择垂直滑动杆开关。在开关上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单上选择显示项→标签命令，将标签隐藏。这时在工具模板上选择文本编辑，输入“摄氏温度”“华氏温度”。
完成前面板设计，如图1-11所示。图1-10 增加数字显示图1-11 温度转换前面板1.3.3 流程图设计
在前面板窗口的主菜单中选择窗口→显示程序框图或按＜;Ctrl＞;+＜;E＞;组合键，切换到流程图窗口。
1）在函数选板中选择编程→结构→条件结构，如图1-12所示。图1-12 放置选择结构
2）在函数选板→编程→数值子模板下，在图1-13所示数值子模块中选择加法、乘法、常数，放入条件结构的选择框架中。图1-13 数值子模板
3）在工具模板中选择连线工具，按照图1-14完成连线。
4）将鼠标指向增量按钮，切换到“假”界面，按照图1-15完成连线。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]