作者：刘科,宋秦中
出版社：机械工业出版社
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虚拟仪器应用 第2版试读：
前言
虚拟仪器技术广泛应用于仪器仪表、测量与控制、电子测试和自动化等领域，它是计算机技术与仪器技术深层次结合的产物。它利用了高性能模块化的硬件，结合了高效灵活的软件，具有传统仪器无法比拟的优势。随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的发展，虚拟仪器技术也得到了迅猛发展，在功能上不断加强，应用领域不断扩大。
在虚拟仪器技术领域，应用较为普遍的软件开发环境是美国国家仪器有限公司（NI公司）的LabVIEW。
本书以LabVIEW为蓝本，以实践项目为内容，把虚拟仪器知识的学习与实践紧密结合。项目案例由企业工程师提供，由多年从事教学工作的教师与企业技术人员共同编写。
本书共分为3篇、14个项目，第1篇LabVIEW基本使用和第2篇基于LabVIEW的测控系统为必修内容，参考学时为60～70学时；第3篇虚拟仪器的综合设计可作为学生的课程设计、大作业等。
本书由苏州市职业大学与美国国家仪器有限公司、北京中科泛华测控技术有限公司等企业联合开发，苏州市职业大学刘科、宋秦中主编，宋佳、李甫成、应俊共同编写，北京中科泛华测控技术有限公司提供了部分资料和项目案例。全书由刘科统稿。
由于编者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，恳请使用本书的师生和广大读者提出批评和改进意见。编者第1篇 LabVIEW基本使用项目1 认识LabVIEW1.1 任务1 认识虚拟仪器1.1.1 虚拟仪器简介
在了解什么是虚拟仪器（Virtual Instrumentation，VI）之前，这里先简单回顾一下仪器技术的演进历程。在测试、测量领域，仪器经历了与电话类似的发展过程。它们或者被植入CPU、内存中，安装上软件，具备了计算机的基本功能；或者被拆解开来，取其核心部件插入到计算机中去，使计算机具备测试功能。这两种发展方向都使得仪器的功能更强大，速度更快，而其区别之处在于，把仪器移植到计算机中，更多考虑的是降低成本；而把计算机移植到仪器中，则更多的是为了满足仪器小型化的需要。
在计算机运算能力强大到一定程度之后，以“虚拟”为前缀的各项技术开始纷纷出现，比如虚拟现实、虚拟机和虚拟仪器等。虚拟现实是指用计算机表现真实世界；虚拟机是指在一台计算机上模拟多台计算机；虚拟仪器是指在计算机上完成仪器的功能。虚拟仪器的概念最早由美国国家仪器公司（National Instrument，NI）提出，虚拟仪器是相对于传统仪器来说的。在传统的实验室里做各种物理/电子学实验时，常常用到万用表、示波器等仪器，它们每台仪器就是一个固定的方盒子，它们所有的测量功能都在这个盒子内完成，这就是所谓的传统仪器。而进入到虚拟仪器时代，这种单一功能的方盒子开始逐渐被计算机所取代。
用户看不到传统仪器的方盒子的内部，更无法改变其结构。因此，一台传统仪器一旦离开生产线后，其功能和外观就固定下来了。用户只能利用一台传统仪器完成某个功能固定的测试任务，一旦测试需求改变，就必须再次购买满足新需求的仪器。而虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用的。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面（传统仪器的软件通常被称为固件，无法由用户改变），模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成（传统仪器就是一个个单独的盒子），标准的软硬件平台能满足用户对同步和定时应用的需求（传统仪器的平台各个厂商各不相同）。
虚拟仪器技术除了基础的信号采集部分，其他软硬件全部采用通用的计算机软硬件设备。这些通用的软、硬件设备可以低廉的价格进行升级，或者被使用者按自己意愿进行配置。比如，在虚拟仪器上，用户可以通过升级CPU来加快仪器的处理速度，可以自己编写程序来改变仪器的测试功能和交互界面。图1-1给出了传统仪器与虚拟仪器之间的结构对比。我们很容易在图1-1b中找到虚拟仪器所独有的灵活高效的软件、模块化的硬件以及标准的与通用PC相兼容的软硬件平台。图1-1 传统仪器与虚拟仪器的结构对比a）传统仪器 b）虚拟仪器
在后面的项目中将介绍如何构建一个典型的虚拟仪器测控系统，这里首先来认识一个常常与“虚拟仪器”成对出现的名称——LabVIEW。在很多情况下，LabVIEW容易和虚拟仪器混为一谈，这里有必要着重指出，虚拟仪器技术依赖于灵活高效的软件+模块化的硬件+标准的软硬件平台，而LabVIEW是灵活高效软件的最重要代表之一。1.1.2 LabVIEW简介
实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，LabVIEW）是NI创立的一种功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具，它是一种编程语言，与其他常见的编程语言相比，其最大的特点就是图形化的编程环境。
常见的编程语言（如C语言等）都是文本式的编程语言。文本语言是抽象的，但是效率高，能用简短的语言表达丰富的含义。而对于使用者而言，无疑需要花费较长的时间和较多的精力去熟悉精通这些语言。
对于大多数的工程师，尤其是非精通软件的工程师，他们的精力更多的是投入在所希望实现的功能上，而非编程语言的掌握上。NI提供的这样一款图形化的编程软件，恰恰符合了这样的需求。对于软件初学者，LabVIEW只需要两、三天便可以入门，工程师就可以运用LabVIEW来实现很多简单的功能。
LabVIEW不但在设计程序前界面部分使用了图形化的方式，在程序代码的编写和功能实现上也使用了图形化的方式。由于LabVIEW采用的是图形化开发环境，所以也经常会被称为G语言（Graphical Programming Language）。LabVIEW不仅可以应用于测控行业，而且被广泛地用于仿真、教育、快速开发、多硬件平台的整合使用等方面。同时LabVIEW还支持实时操作系统和嵌入式系统（如FPGA等）。1.2 任务2 认识VI1.2.1 VI简介
VI有两个含义，其一是虚拟仪器（Virtual Instrument）的缩写（虚拟仪器是一门技术，是基于计算机技术，包含硬件和软件两大组成部分），另一个含义是LabVIEW程序。以往称文本式编程语言所编写的代码为源代码，称使用LabVIEW编写的代码为VI，LabVIEW程序的扩展名为.vi。简单地讲，“一个VI就是一个LabVIEW程序”。
与文本编程语言中所说的主函数、子函数类似，VI也有主VI和子VI，它们在编写过程中没有什么本质差别，只是称被调用的VI为子VI，而调用者即为主VI。1.2.2 VI的组成
打开LabVIEW2011有两种方式，可以通过用鼠标双击桌面快捷方式，或者在开始菜单中运行“National Instruments LabVIEW 2011 SP1”。LabVIEW 2011的启动窗口如图1-2所示。启动界面的右边是LabVIEW给用户提供的丰富资源，下方有一个范例查找器，提供了丰富的例子，使用者可以查找其中的范例进行相关的学习。也可以在菜单栏的“帮助”中打开范例查找器。启动界面的左边是用来创建、打开程序和项目的选项。图1-2 LabVIEW 2011的启动窗口
1.新建VI
在LabVIEW中新建一个VI有多种方法。
1）在启动窗口的左侧选择“新建”下的“VI”，就可以创建一个空白VI；选择“基于模版的VI”，可用来创建一个基于模版的VI；选择“更多”可以选择其中更多的模版来创建基于模版的VI或者项目。
2）选择“项目”就可以新建一个项目，弹出图1-3所示的“项目浏览器”窗口。在图中的“我的电脑”上用鼠标右键单击，从弹出的快捷菜单中选择“新建”→“VI”，即可创建新的VI。图1-3 “项目浏览器”窗口
3）在前面板或者程序框图的“文件”菜单中选择“新建VI”。
新创建的VI窗口如图1-4所示。从图中看到，一个完整的VI包含3大组成部分，即前面板、程序框图、图标/连线板。图1-4 新创建的VI窗口
LabVIEW的前面板和程序框图的窗口与Windows下的其他软件（比如Office）类似，最上面是标题栏，标题栏下面是菜单栏，接着是工具栏。工具栏下面是工作区域，用户可以在这里编辑用户界面或程序框图。与其他软件不同的是，在前面板和程序框图窗口的右上角都有一个图标/连线板。前面板是图形化用户界面，相当于实际仪器仪表的面板，而程序框图用来定义该仪器仪表的功能，相当于仪器仪表内部的功能部件。
2.LabVIEW菜单栏
LabVIEW的菜单栏有两种，一种是下拉菜单，另一种是快捷菜单。下拉菜单与其他软件类似，不进行详细介绍。快捷菜单在控件、函数和连线等处单击鼠标右键时就会出现。LabVIEW有着丰富的右键功能，在后面的相关章节会详细介绍。（1）工具栏
1）前面板工具栏。程序运行键。若程序运行键变为，则说明此时程序框图中有错误。比如有断线、对必需的端口未连接连线端子和子VI不能运行等。连续运行键。连续运行当前程序。中止执行键。强制停止所运行的程序，一般不推荐使用该按键停止运行的程序，强制停止可能导致已占用的资源未完全释放。暂停键。在连续运行时，用来暂停程序，如需继续运行，再单击该按键即可。文本设置键。修改当前选中的文本的字体、大小和颜色等。分别是对齐对象、分布对象和调整对象大小，用来排布当前选中的控件的排列方式以及大小，如中心对齐、左对齐和右对齐等距排布控件，依据某控件大小修改所有选中控件的大小。重新排序键。可用于锁定控件或背景图片以及置前或置后。搜索键。用来查找需要帮助的内容。即时帮助键。用来打开和关闭即时帮助窗口。
2）程序框图工具栏。程序框图工具栏中相同图标与前面板功能相同，其中：亮显示键。调试程序单击该按钮，放慢程序运行速度，查看经过每个节点的数据是否正常。保留连线值。单击该按钮，可以保留上一次运行时每个数据线上的数据，若使用探针（probe）查看，则可以看到之前一次的数据。单步调试程序按键。整理程序框图连线。
以上所有的描述都可以在LabVIEW的帮助文档中找到相关的说明。（2）“工具”选板图1-5 “工具”选板“工具”选板是经常使用的一个工具，如图1-5所示，在前面板和程序框图中都可以使用。如果该选板没有出现，则可以在菜单栏下选择“查看”→“工具选板”命令来显示，或者在空白处按
当需要对程序的前面板、控件、程序框图和各种结构修改颜色的时候，用户可以选择“工具”选板下方的“设置颜色”选项，选择自己所需颜色即可。需要注意的是选项，是一个透明色的填充（Transparent）。1.2.3 VI的前面板
前面板是图形化的人机界面，用于设置输入量和观察输出量，它模拟真实仪器的前面板。如同真实的仪器仪表一样，要对它输入参数并观察测量结果。虚拟仪器在前面板也提供了实现这样功能的控件。其中，输入量被称为Controller（输入控件），用户可以通过控件向VI中设置输入参数，如旋钮、开关和按钮等；输出量被称为Indicator（指示控件），如图形、图表和指示灯等，VI通过指示器向用户提示状态或输出数据等信息。这些控件可以从“控件选板”中选择。
打开控件选板有两种方法，一是在菜单栏里选择“查看”下的“控件选板”，或者用鼠标右键单击前面板空白处，都会出现图1-6所示的“控件选板”对话框。图1-6 “控件选板”对话框
1.控件选板
控件选板默认类别为“Express”面板。在选板的上端有“搜索”和“查看”两个键，单击“搜索”按钮可以查找需要的控件。单击“自定义”按钮会出现下拉菜单，如图1-7a所示。在菜单中可选择查看“控件选板”的方式。图1-7 更改可见类别窗口a）单击“自定义”出现下拉菜单 b）“更改可见类别”对话框
选择其中的“更改可见类别”，弹出图1-7b所示“更改可见类别”的对话框，勾选里面的复选项，单击“确定”按钮，回到控件选板，就会看到所有选中的类别。也可以单击控件选板下端展开，看到所有类别选项。注意，控件选板可以通过拖动标题栏移动到任意位置，控件选板的大小也可以通过拖动边框和四角任意拉伸。
控件选板里的许多控件外观都很形象，尤其“新式”子选板里面的控件，也比较美观，这里重点介绍。在图1-7中，单击“自定义”按钮，打开“更改可见类别”对话框，勾选“新式”选项，单击“确定”按钮，回到控件选板。在控件选板中单击“新式”按钮，打开“新式控件”子选板，如图1-8所示。新式控件子选板包含以下几类控件。
1）数值：数值的输入和显示。包括数值控件、滑动杆、滚动条、旋钮、仪表、温度计和颜色盒等。
2）布尔：逻辑数值的控制和显示。包含布尔开关、按钮和指示灯等。
3）字符串与路径：包含字符串、路径的输入和显示控件。
4）数组、矩阵与簇：包含数组、矩阵与簇的输入控件和显示控件。
5）下拉列表与枚举：包含下拉列表和枚举两类控件。
6）图形：包含二维和三维图形图表以及图片控件等，用于显示数据结果的趋势图和曲线图。
7）列表、表格：包含列表框、表格、树形和Ex-press表格等控件。
8）容器：包含分隔栏、选项卡、子面板和容器等，用于组合控件，或在当前VI的前面板上显示另一个VI的前面板。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]