虚拟仪器课程设计.doc

课程设计说明书（2011/2012学年第一学期）课程名称 ： 虚拟仪器课程设计 题 目 ： 虚拟仪器的了解与应用 专业班级 ： 工艺3092班 学生姓名 ： 黄威 学 号： 1307093104 指导教师 ： 黄鹏/罗建辉 设计周数 ： 一周 设计成绩 ： 2011 年 11月 1日目 录1、 虚拟仪器概念及特点1-1虚拟仪器概念1-2虚拟仪器特点1-3 虚拟仪器的应用2、虚拟仪器的系统构成2-1虚拟仪器的构成元素2-2虚拟仪器系统构成 2-3虚拟仪器硬件系统与结构2-4虚拟仪器软件系统与结构3、虚拟仪器工程工作平台labview3-1labview的介绍3-2 labview编程语言特点4、实验结果5、课程设计总结虚拟仪器课程设计一: 虚拟仪器概述及其特点 虚拟仪器（Virtual InstrumentVI）计算机化的测量仪器；是计算机与相关面向仪器的软、硬件产品的有机结合。使用者通过友好的图形界面即虚拟仪器的前面板操作计算机，就像在操控自己定义、设计的测量仪器一样，并可以方便地组合、更新和扩展它，从而更快捷、更经济、更灵活地解决各个领域的测量和自动控制等应用问题。由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成，共同完成传统仪器的功能1-2 虚拟仪器的主要特点：1.尽可能采用通用的硬件，各种虚拟仪器之间的差异主要是软件。2.充分发挥计算机的能力，具有强大的数据分析和处理功能，可以创造出功 能更多、更强的测量或测控仪器及系统。3.用户可根据自己的实际需求，很便利地自主构建新的虚拟仪器。虚拟仪器的特点总概括为: 丰富和增强了传统仪器的功能 突出“软件即仪器”的概念 仪器由用户自己定义 开放的工业表准 便于构成复杂的测试系统，经济性好 1-3虚拟仪器在各领域中的应用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。虚拟仪器诞生以来的爆炸性发展令人惊叹，许多最新的大规模高精尖工程中都有它的用武之地。太空光谱有限公司（Spectrum Astro, Inc.）的Roger Jellum和Tom Arnold开发的AstroRT，是一种基于LabVIEW的数据采集和控制系统，用于航天器的制造测试和轨道姿态控制，可收集、处理和分配从航天器传来的遥感探测信息。整个软件包包括2000多个VIs，花费7个工作年度开发。再如由Honeywell-Measurex公司开发的Proline, 应用于生产片装产品（例如纸张和薄膜塑料）的过程控制，由5000个以上VIs组成，处理超过10万个变量，是目前为止基于LabVIEW的最大规模的系统。二: 虚拟仪器系统的构成2-1虚拟仪器的构成元素2-2系统的构成 虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便2-3虚拟仪器的硬件系统与结构虚拟仪器的硬件结构测控对象信号调理DAQ卡GPIB总线仪器GPIB接口卡VXI/PXI/LXI总线仪器模块串口总线仪器/PLC现场总线仪器模块其他计算机硬件板卡计算机软件系统 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。按照测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、VXI、PX工和DAQ四种标准体系结构： （1）GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准棗工EEE 488.1和工EEE488.2。它是最早的仪器总线。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。 （2）VXI(VMEbus extension for Instrumentation)即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年山主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。VXI体系结构综合了GPIB和VEM总线的优点，它集成的系统硬件集成度高、数据传输率快、便携性好，是当今倍受业界关注的体系结构。 （3）PXI(PCI extension for Instrumentation)PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是Compact PCI 结构Microsoft Windows软件。PXI 是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。由于其总线吞吐率高、硬件的价格较低被业内人士认为是符合国情的一种体系结构。（4）DAQ（Dara AcQuisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC/104等）的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer-BasedInstruments），实现“一机多型”和“一机多用”。在PC计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器。2-4虚拟仪器的软件系统与结构虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬、软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化(虚拟化)。基于软件在VI系统中的重要作用，NI提出了“软件就是仪器（The software iS the inStrument）”的口号。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。VISA(Virtual 1nstrumentation software Architecture)虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个I/0函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式： 用通用编程软件进行编写。主要有Microsoft公司的Visual Basic与VisualC+、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder。用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的VEE、 NI公司的LabVIEW和Lab windows/CVI等。图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，如频域分析的功率谱估计、FFT、逆FFT等：时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等。以及数字滤波等等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础三:实验室虚拟仪器工程工作平台LabVIEW LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering），1992年由美国国家仪器公司（即National Instrument Cop. NI公司）推出，之后不断翻新，是用于计算机化的仪器设计用的编程工具软件，具有图形化编程语言特征，人机界面友好，功能函数库丰富、强大 ，被工业界、学术界和高校科研教学实验室等广泛认同，被视为一个标准的数据采集、仪器设计及控制的优秀工具软件。是多种计算机化仪器设计工具软件中最成功的一种。3-1 LabVIEW编程语言的特点LabVIEW是一个基于G（Graphic）语言的图形编程开发环境，在工业界和学术界中广泛用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言，对于科学研究和工程应用来说是很理想的语言。它含有种类丰富的函数库，科学家和工程师们利用它可以方便灵活地搭建功能强大的测试系统。LabVIEW编程语言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、LabWindows/CVI等编程语言不同，后几种都是基于文本的语言，而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G语言，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号表达程序行为的过程，源代码不是文本而是框图。一个VI有三个主要部分组成：框图、前面板和图标连接器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了。传统计算机语言（如C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，程序中的每一个函数节点只有在获得它的全部输入数据后才能够被执行。既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。于是LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序那样受到行顺序执行的约束。我们可以通过相互连接函数节点简洁高效地开发应用程序，还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程。四:用LabVIEW建立一个测量温度和容积的VI打开LabVIEW,单击新建一个空白VI，从打开的控件选板中选择“新式”“数值”子选板，从中分别选取“液罐”和“温度计”控件，放置在前面板上合适位置。将其标签分别改为“容积”和“温度”。对前面板上两控件进行编辑，把“容积” 控件显示范围设置为0.0到1000.，把“温度” 控件显示范围设置为0.0到100，并在两控件旁配数据显示，方法是分别在控件上单击鼠标右键，在单出的快捷菜单中选择“显示项”“数字显示”。如下图：切换到程序框图窗口，从函数选板中选择两个乘法器、两个数值常数、一个随机数发生器对象，将它们放到流程图上。乘法器和随机数发生器由函数选板中的“编程”“数值”子选板中拖出，在连接端子处点击右键，在单出的快捷菜单中选择“创建”“常量”用连线工具将各对象按规定功能需要连接，结果如下：选择 主菜单“文件” “保存”命令, 把该VI命名为Temp_Vol.vi，保存在合适的文件夹中。在前面板中，单击“运行”按钮，运