虚拟仪器实验一

0 实验一 LabVIEW 编程环境与基本操作 一 实验目的 1 了解 LabVIEW 的编程与运行环境 2 掌握 LabVIEW 的基本操作方法 并编制简单的程序 3 掌握使用调试工具调试 VI 程序 二 实验原理 虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造 同时也影响了以数据 采集为主的测控系统的传统构造方法 过去独立分散 互不相干的许多传统仪器 在虚拟仪 器系统的概念之下 正在逐渐靠拢 相互影响 并形成新的技术方法和技术规范 虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象 不管是传统的还是虚拟的仪器 它们的功能都 是相同的 采集数据采集数据 对采集来的数据进行分析处理对采集来的数据进行分析处理 然后显示处理的结果然后显示处理的结果 它们之间的不 同主要体现在灵活性灵活性方面 虚拟仪器由用户自己定义 这意味着用户可以自由地组合计算机 平台 硬件 软件以及各种完成应用系统所需要的附件 而这种灵活性在由制造商定义 功 能固定 独立的传统仪器上是达不到的 常用的数字万用表 示波器 信号发生器 数据记 录仪以及温度和压力监控器就是传统仪器的代表 基于计算机的虚拟仪器得益于 PC 技术的发展 由于直接将仪器模块插入到计算机中 我们就可以直接享用到台式或便携式计算机上出众的处理能力 显示 数据存储以及连接性 能等方面的优势 使测量以最有效的方式从使用传统的仪器过渡到使用通用计算机 基于计 算机的仪器不仅继承了传统仪器的标准测量能力 更增加了扩展仪器概念的灵活性 使我们 能够更加直接 更加有效地面对当今测量应用的挑战 更有意义的是 利用诸如 LabVIEW LabWindows CVI 等应用开发环境 可以方便地使多台仪器的测量能力结合并同 步工作 以建立功能强大的仪器系统 更进一步 我们也可以开发自己的分析程序 实现那 些有别于其它仪器或系统的功能 虚拟仪器系统技术的基础是计算机系统 核心是软件技术 因此 美国国家仪器公司 NI 提出其著名的口号 The Software is the Instrument 为了使 软件就是仪器 这句口号成 为现实 NI 公司在软件体系结构的各个层次上 形成了完整的设备驱动程序 系统开发平台 实用支持软件 应用软件包相互支撑的格局 使虚拟仪器系统的概念不再 虚拟 其中 LabVIEW 就是美国 NI 公司推出的一套著名的虚拟仪器开发软件平台 1 LabVIEW 与虚拟仪器 与虚拟仪器 VI 程序 程序 LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 实验室虚拟仪器集成环 境 是一个高效的图形化程序设计环境 也是一个功能强大的仪器和分析软件应用开发工具 它结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的 G 语言 提供了一个直觉式的环境 与测 量紧密结合 能迅速开发出有关数据采集 测量控制 数据分析 存储及显示的解决方案 像 C 一样 LabVIEW 也是通用的编程系统 有一个庞大的函数库 包括数据采集 GPIB 串口控制 数据分析 数据显示及数据存储等 LabVIEW 也有传统的程序调试工具 如设置断点 以动画方式显示数据及其通过程序 子 VI 的结果 单步执行等 便于程序的 调试 1 使用 LabVIEW 开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序 简称为 VI VI 包括三个部分 程序前面板 框图程序和图标 连接器 如 如图 1 1 和图 1 2 所示 图 1 1 LabVIEW 程序前面板 图 1 2 与前面板对应的框图程序 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量 用于模拟真实仪表的前面板 其大小 外 观 功能布局均可以由用户根据自己的需要进行定制 在程序前面板上 输入量被称为控制 Controls 输出量被称为显示 Indicators 控制和显 示是以各种图标形式出现在前面板上 如旋钮 开关 按钮 图表等 这 使得前面板直观易懂 2 LabVIEW 的操作模板的操作模板 LabVIEW 具有多个图形化的操作模板 用于创建和运行程序 该模板 可以随意在屏幕上移动 并可以放置在屏幕的任意位置 操纵模板有三类 工具 Tools 模板 控制 Controls 模板和功能 Functions 模 板 1 工具模板 工具模板 Tools Palette 工具模板提供了用于创建 修改和调试 VI 程序的工具 如 果该模板没有出现 则可在 Windows 菜单下选择 Show Tools Palette 命令以显示 操作工具 使用该工具来操作前面板的控制和显示 选择工具 用于选择 移动或改变对象的大小 标签工具 用于输入标签文本或创建自由标签 创建自由 标签时它会变成相应形状 连线工具 用于在框图程序上连接对象 对象弹出菜单工具 用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜 单 漫游工具 可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游 断点工具 使用该工具在 VI 的框图对象上设置断点 探针工具 在框图程序内的数据流线上设置探针 来观察 该线上的数据变化状况 颜色提取工具 用来提取颜色用于编辑其他的对象 颜色工具 用来给对象定义颜色 显示前景色和背景色 2 控制模板 控制模板 Controls Palette 用控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显示 每个图 标代表一个子模板 如果控制模板不显示 可以用 Windows 菜单 的 Show Controls Palette 功能打开它 也可以在前面板的空白处 点击鼠标右键 以弹出控制模板 如图 1 4 所示 注 只有当打开前面板窗口时才能调用控制模板 图 1 4 控制模板 图 1 5 功能模板 图 1 3 工具模板 2 3 函数模板 函数模板 Functions Palette 又称功能模板 又称功能模板 功能模板是创建框图程序的工具 其每一个顶层图标都表示一个子模板 若功能模板不 出现 则可用 Show Functions Palette 打开 如图 1 5 所示 注 只有激活了框图程序窗口 才能出现功能模板 3 虚拟仪器程序的创建虚拟仪器程序的创建 VI 程序具有三个要素 前面板 框图程序和图标 连接器 1 前面板 前面板 使用输入控制和输出显示来构建前面板 控制是用户输入数据到程序的接口 显示是输 出程序产生的数据接口 两种最常用的前面板对象是数字控制和数字显示 若想在数字控制中输入或修改数值 可使用操作工具点击控制部件和增减按钮 或用操作工具或标签工具双击数值栏进行数值修 改 2 框图程序 框图程序 框图程序是由节点 端点 图框和连线四种元素构成的 节点节点类似于文本语言的语句 函数或子程序 LabVIEW 有两种节点 函数和子 VI 节点 区别 函数节点是 LabVIEW 以编译好的机器代码供用户使用的 而子 VI 节点是以图形语言 形式提供给用户的 用户可访问和修改任一子 VI 节点的代码 但无法对函数节点进行修改 端点端点是只有一路输入 输出 且方向固定的节点 LabVIEW 有三类端点 前面板对象端 点 全局与局部变量端点和常量端点 对象端点是数据在框图程序部分和前面板之间传输的 接口 一般来说 一个 VI 前面板上的对象都在框图中有一个对象端点与之一一对应 控制 对象对应的端点在框图中是用粗框粗框框住的 如图 1 6 中的 A 和 B 端点 它们只能作为数据流 源点 显示对象对应的端点是用细框细框框住的 如 A B 和 A B 端点 它们只能作为数据流终 点 常量端点永远只能作为数据流源点 图框图框是 LabVIEW 实现程序结构控制命令的图形表示 如循环控制 条件分支控制和顺 序控制等 编程人员可以使用它们控制 VI 程序的执行方式 代码接口节点 CIN 是框图程 序与用户提供的 C 语言文本程序的接口 图 1 6 简单的程序框图和前面板 连线连线是端口间的数据通道 类似于普通程序中的变量 数据是单向流动的 从源端口向 一个或多个目的端口流动 不同的线型代表不同的数据类型 并以不同的颜色予以强调 整 型 蓝色 浮点数 橙色 逻辑量 绿色 字符串 粉色 3 文件路径 青色 当需要连接两个端点时 在第一个端点上点击连线工具 再点击第二个端点 当把连线工具放在端点上时 该端点将会闪烁 表示连线将会接通 当连线工具从一个 端口接到另一个端口时 不需要按鼠标键 当连线转弯时 按空格键空格键可以改变转角的方向 3 从框图程序窗口创建前面板对象 从框图程序窗口创建前面板对象 用选择和连线工具 可以用鼠标右键点击任一节点和端点 然后从弹出菜单中选择 创建 常数 创建控制 或 创建显示 等命令 4 数据流编程 数据流编程 控制 VI 程序的运行方式叫做 数据流 对一个节点而言 只有当它的所有输入端口上的 数据都成为有效数据时 它才能被执行 当节点程序运行完毕后 它把结果数据送给所有的 输出端口 使之成为有效数据 并且数据很快从源送到目的端口 如图 1 7 所示 这个 VI 程序把两个输入相乘 再减去 50 0 这个程序中 框图程序从左 往右执行 这个执行次序不是由于对象的摆放位置 而是由于相减运算函数的一个输入量是 相乘函数的运算结果 它只有当相乘运算完成并把结果送到减运算的输入口后才能继续下去 图 1 7 数据流举例 图 1 8 数据流举例 如图 1 8 所示 你认为哪一个节点函数将先执行 是乘法还是除法 在这个例子中 我 们无法知道哪一个节点函数首先执行 因为所有输入量几乎同时到达 4 程序调试技术程序调试技术 程序调试是进行任何程序设计过程中所必须的过程 在程序设计中不可避免地会有各种 逻辑上和语法上的错误 这些都需要通过程序调试找出来加以改正 1 找出语法错误 找出语法错误 如果一个 VI 程序存在语法错误 则运行按钮将会变成一个折断的箭头 表示程序不能 被执行 这个按钮被称作错误列表 点击 则 LabVIEW 弹出错误清单窗口 点击其中任何 一个所列出的错误 选用 Find 功能 则出错的对象或端口就会变成高亮 2 设置执行程序高亮 设置执行程序高亮 点击 高亮执行 按钮使其变成高亮形式 再点击运行按钮 VI 程序就以较慢的速度运行 没有被执行的代码灰色显示 执行后的代码高亮显示 并显示数据流线上的数据值 这样 我们就可以在根据数据的流动状态跟踪程序的执行 3 断点与单步执行 断点与单步执行 使用断点工具可以在程序的某一地点中止执行 用探针或者单步方式查看数据 使用断 点工具时 点击设置或者清除断点的地方 断点的显示对于节点或者图框表示为红框 对于 连线表示为红点 当 VI 程序运行到断点被设置处 程序被暂停在将要执行的节点 以闪烁 表示 按下单步执行按钮 闪烁的节点被执行 下一个将要执行的节点变为闪烁 指示它将 4 被执行 4 探针 探针 可以用探针工具来查看当框图程序流经某一根连接线时的数据值 探针显示窗口总是被 显示在前面板窗口或框图窗口的上面 三 实验内容 1 创建自己的第一个创建自己的第一个 VI 编写程序 实现将一华氏温度 F 转换成摄氏温度 C 的功能 已知摄氏温度与华氏温度的关系 C 5 F 32 9 1 前面板设计 如图 1 9 华氏温度为数值输入控件 摄氏温度作为显示控件 按要求设置标签和显示 范围 同时配数字显示 图 1 9 Temp 前面板 图 1 10 Temp 程序框图 2 程序框图 如图 1 10 所示设计程序框图 建议数值常数使用在连接端子处点击右键创建 Create 常量 Constant 的方法更好些 3 把该 VI 命名为 Temp vi 保存为 D Yourname 的文件夹中 2 自己创建一个自己创建一个 VI 完成以下功能 完成以下功能 将两个输入的数字相加并显示结果 将同样两个输入数字相乘并显示结果 比较两个输 入数字 如果数字相等 则 LED 指示灯亮 最后 保存为 Simple Math vi 文件 如图 1 11 A 和 B 为数字控件输入 两个数字指示器分别显示输出结果 A B 和 A B 当输入数字 A 和 B 相同时 将点亮 LED 图 1 11 实验 2 的前面板 3 设计一个 设计一个 VI 程序 计算一元二次方程的两根 程序 计算一元二次方程的两根 5 四 思考题 1 写一个 VI 比较两个数的大小 如图所示 当 A B 时 指示灯亮 2 写一个温度监测器 如图所示 当温度超过报警上限 而且开启报警时 报警灯点亮 温度值可以由随机数发生器产生 3 新建一个 VI 进行如下练习 任意放置几个控件在前面板 改变它们的位置 名称 大小 颜色等等 在 VI 前面板和后 面板之间进行切换 并排排列前面板和后面板窗口 6 4 编写一个 VI 求三个数的平均值 如下图所示 要求对三个输入控件等间隔并右对齐 对应的程序框图控件对象也要求如此对齐 添加