虚拟仪器精选课件

第3章虚拟仪器第3章虚拟仪器第3章虚拟仪器教学重点

虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的开发工具虚拟仪器的数据采集虚拟仪器的信号处理第3章虚拟仪器教学重点3.1概述微处理器MPU程序存储器（ROM）数据存储器（ROM）I/O接口键盘显示接口标准仪用通信接口A/D转换器D/A转换器键盘显示外部仪用标准总线信号调理模拟执行器通信接口人机接口模拟量输入输出被测量

3.1概述微处理器程序存储器数据存储器I/O接口基于计算机的仪器系统

ISA/PCI插卡式仪器RS232/485串行通信仪器打印口并行通信仪器GPIB/VXI/PXI总线仪器

计算机USB串行通信仪器测控对象INTERNET基于计算机的仪器系统ISA/PCIRS232/485打印催生虚拟仪器的土壤计算机技术的进步芯片硬件软件网络LANsInternet总线AT催生虚拟仪器的土壤计算机技术的进步芯片硬件软件网虚拟仪器概念的提出虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（NationalInstrument，NI）在1986年提出的，这种仪器和个人计算机的概念相适应，当时被称为个人仪器。（PersonalInstrument）。1986年，NI公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW，标志着虚拟仪器软件设计平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。虚拟仪器概念的提出虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（Na1.虚拟仪器定义什么是虚拟仪器?虚拟仪器是指，在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。VirtualInstrument，VI1.虚拟仪器定义什么是虚拟仪器?VirtualInst软面板插入计算机仪器卡虚拟仪器定义的理解插入计算机仪器卡虚拟仪器定义的理解虚拟的含义虚拟的仪器面板传统仪器面板上的器件都是实物，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图标，其操作对应着相应的软件程序，使用鼠标式键盘操作虚拟面板的控件；虚拟仪器的测控功能传统的仪器特别是早期的仪器，它的功能是通过硬件来实现的，而虚拟仪器是通过软件编程来实现的。虚拟的含义虚拟的仪器面板2.虚拟仪器的特点

仪器=A/D+CPU+软件TheSoftwareIsInstruments传统仪器虚拟仪器关键是硬件关键是软件开发与维护费用高开发与维护费用低技术更新周期长技术更新周期短价格高价格低，并且可重用性与可配置性强厂商定义仪器功能用户定义仪器功能系统封闭、固定系统开放、灵活，与计算机的进步同不易与其他设备连接容易与其他设备连接2.虚拟仪器的特点仪器=A/D+CPU+基于数据采集卡的虚拟仪器基于GPIB总线方式的虚拟仪器基于VXI总线方式的虚拟仪器基于PXI总线方式的虚拟仪器基于LXI总线方式的虚拟仪器3.虚拟仪器的体系结构基于数据采集卡的虚拟仪器基于GPIB总线方式的虚拟仪器基第3章虚拟仪器精选课件基于USB总线的数据采集卡基于PCI总线数据采集卡DAQ产品基于USB总线的数据采集卡基于PCI总线数据采集卡DAQ产品NI的DAQ及VXI产品NI的DAQ及VXI产品PXI产品PXI产品PXIModulesLinktoOtherStandardsMXIGPIBVXIorVMEStand-aloneInstrumentPXISystemModulesModulesCompactPCIMXI-3PXIModulesLinktoOtherStan4.虚拟仪器的软件开发平台软件平台基于文本式编程语言开发工具

VC++，VB，C++Build，LabWindows/CVI，Delphi等。基于图形化编程语言开发工具

LabVIEW（NI公司）HPVEE（HP公司）4.虚拟仪器的软件开发平台软件平台软面板举例：动态信号分析仪软面板软面板举例：动态信号分析仪软面板5.虚拟仪器的应用航空航天教学核工业军工通信测试铁道…….5.虚拟仪器的应用航空测量仪器测量仪器工业监测工业监测装备性能测试装备性能测试实验室应用实验室应用其他应用远程地质灾害监测研究网络化仪器的应用其他应用远程地质灾害监测研究网络化仪器的应用6.虚拟仪器发展趋势1)开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路；2)高性能计算机的发展推动着仪器发展，计算机具有仪器所需要的最先进及性能价格比最好的显示与存储能力，尤其是计算机总线技术的发展；3)虚拟仪器软件环境将朝着为广大用户提供简单易用的图形化开发环境，用于测试、测量与控制应用系统的开发，帮助工程师和科学家们实现更高的开发效率方向前进；4)数据采集产品的性能的不断提高，为测试技术水平的提高提供了可靠保证；5)随着网络技术的发展，”网络即仪器”将成为新的概念，网络化仪器必将在新世纪推动仪器界新的革命。6.虚拟仪器发展趋势1)开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上3.2虚拟仪器开发工具-LabVIEWLabVIEW

(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司推出的一种基于G语言(GraphicsLanguage，图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具；目的：简化程序的开发工作，使用户能快速、简便地完成自己的工作。3.2虚拟仪器开发工具-LabVIEWLabVIEW3.2.1LabVIEW的特点（1）编程简单，不需要记忆编程语言；（2）开发周期短；（3）高效性，这主要是以软件做保证；（4）开放性，可根据实际情况进行更新扩展，发展迅速；（5）自定义性，工程师们可以在非常广泛的测量和控制应用中自定义芯片级硬件功能；（6）性价比高，能一机多用。3.2.1LabVIEW的特点（1）编程简单，不需要记忆编3.2.2LabVIEW8.2开发平台使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器，简称VI。VI由以下3部分构成：前面板：即用户界面；程序框图：包含用于定义VI功能的图形化源代码；

图标和连线板：用以识别VI的接口，以便在创建VI时调用另一个VI。当一个VI应用在其他VI中，则称为子VI。子VI相当于文本编程语言中的子程序。3.2.2LabVIEW8.2开发平台使用LabVIEW开1.前面板

前面板是VI的用户界面。创建VI时，通常应先设计前面板，然后设计程序框图执行在前面板上创建的输入、输出任务。1.前面板前面板是VI的用户界面。创建VI时，通常应先设计2.程序框图程序框图是图形化源代码的集合，图形化源代码又称G代码或程序框图代码。程序框图由接线端、节点、连线和结构等构成。接线端：是程序框图中传递数据的起点和终点。控件接线端用来为前面板上的对象与程序框图传递数据。节点：是实现程序功能的基本单元，具有输入、输出端，在VI运行时完成一定的操作。连线：是程序框图中各个对象之间传递数据的通道。结构：是文本编程语言中的循环和条件语句的图形化表示。2.程序框图程序框图是图形化源代码的集合，图形化源代码又称3.图标和连线板创建VI的前面板和程序框图后，可创建图标和连线板，以便将该VI作为子VI调用。图标和连线板图形：图标是VI的图形化表示，可包含文字、图形或图文组合。

连线板用于显示VI中所有输入控件和显示控件的接线端，类似于文本编程语言中调用函数时使用的参数列表。3.图标和连线板创建VI的前面板和程序框图后，可创建图标3.2.3LabVIEW8.2的操作选板LabVIEW8.2包含3个操作选板:

工具选板控件选板函数选板

3.2.3LabVIEW8.2的操作选板LabVIEW81.工具选板1.工具选板2.控件选板控件选板包括创建前面板所需的输入控件和显示控件。2.控件选板控件选板包括创建前面板所需的输入控件和显示控件

经典控件子选板

经典控件子选板3.函数选板函数选板中包含创建程序框图所需的VI和函数。3.函数选板函数选板中包含创建程序框图所需的VI和函数。

编程子选板的图标、名称及功能

编程子选板的图标、名称及功能3.2.4LabVIEW8.2的菜单和工具栏

LabVIEW8.2菜单LabVIEW8.2的工具栏3.2.4LabVIEW8.2的菜单和工具栏LabVI3.2.5LabVIEW8.2中的数据类型支持的数据类型有：

数值型布尔型数组型字符串型波形数据类型簇

路径

3.2.5LabVIEW8.2中的数据类型支持的数据类型3.2.6创建虚拟仪器1.创建一个虚拟仪器的一般步骤

（1）前面板设计

（2）程序框图

（3）数据流编程

（4）功能检验

（5）保存文件

3.2.6创建虚拟仪器1.创建一个虚拟仪器的一般步骤创建一个虚拟仪器两数相加与两数相减VI创建一个虚拟仪器两数相加与两数相减VI2.调试虚拟仪器

虚拟仪器的一般调试步骤

（1）运行VI（2）清除语法错误

（3）高亮显示执行过程

（4）单步执行

（5）探针工具

（6）断点

2.调试虚拟仪器虚拟仪器的一般调试步骤3.

创建和调用子VI构造一个子VI的主要工作就是需先为子VI创建连线板和图标

3.创建和调用子VI构造一个子VI的主要工作就是需先为子V调用子VI示例

前面板框图程序调用子VI示例前面板4.虚拟仪器创建举例测温范围：0~100oC测温传感器：AD590，灵敏度：1μA/K

例1虚拟温度计4.虚拟仪器创建举例测温范围：0~100oC例1虚拟温虚拟温度计VI前面板程序框图虚拟温度计VI前面板程序框图例2

求Main(){inti,sum;Sum=0;For(i=1;i≤100;i++)sum=sum+i;Printf(“sum=%d”,sum);}

For循环程序设计举例例2求Main()For循环程序设计举例

While循环应用示例main(){inta,i,n；a=1;i=0;scanf(“%d”,&n)；do{i=i+1；a=a*i；}while(i<n);printf(“n!=%d”,a)；}前面板和程序框图

例3求N!While循环应用示例main()前面板和程序框图例3例4温度采集报警程序前面板和程序框图例4温度采集报警程序前面板和程序框图例5波形显示设计一个程序，进行2组数据采集，采样间隔相同，但一个采集30点的数据，另一个采集50点的数据，用波形图显示测量结果。

显示两组数据VI的前面板和程序框图

例5波形显示设计一个程序，进行2组数据采集，3.3虚拟仪器的数据采集DAQ虚拟仪器又称PC-DAQ仪器系统，其组成如下图所示。它由一台PC机和基于标准总线的采集卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件来支持硬件工作。3.3虚拟仪器的数据采集DAQ虚拟仪器又称PC-DAQ仪器1.数据采集设备的设置与测试测试与自动化资源管理器MAX是Measurement&AutomationExplorer的缩写，是访问计算机当中NI的各种软硬件资源的一个接口。1.数据采集设备的设置与测试测试与自动化资源管理器MAX是设备设置与测试在Measurement&AutomationExplorer的下拉菜单中，可利用Self-Test，TestPanels对采集卡进行自检，面板测试等操作。设备设置与测试在Measurement&Automati2.利用NIUSB-6009数据采集卡实现数据采集主要技术指标：8个模拟通道（14位、48位kS/s采样速度）；2路14位模拟输出通道；12个I/O通道；1个32位计数器/定时器。

产品通过USB接口供电，不需要任何外接电源。它们均包括用于直接信号连接可拆卸螺孔端子、用于支持外部设备以及传感器1个参考电压、低噪音高精度的4层电路板，以及高达±35v的模拟输入过电压保护。

2.利用NIUSB-6009数据采集卡实现数据采集主要技术

模拟输入：AI0~AI7模拟输出：AO0,AO1数字I/O：P0.0~P0.7,P1.0~P1.3定时/计数器：PFI0NIUSB-6009的接线端子分配

模拟输入：AI0~AI7NIUSB-6009的接线端子分(1)利用NI-DAQmx采集函数实现数据采集单通道数据采集VI(1)利用NI-DAQmx采集函数实现数据采集单通道数据采集多通道数据采集VI多通道数据采集VI（2）利用NI-DAQmx函数构建模拟输出模拟输出程序框图前面板（2）利用NI-DAQmx函数构建模拟输出模拟输出程序框图前（3）利用NI-DAQmx函数构建数字I/O输出控制P0口的8根I/O线输出状态（3）利用NI-DAQmx函数构建数字I/O输出控制P0口的（4）工程实战霍尔元件传感器调理电路6009数据采集模块Labview处理控制和显示基于LabVIEW计数信号采集与控制平台的构建（4）工程实战霍尔元件传感器调理电路6009数据采集模块La1）霍尔元件传感器典型的线性型霍尔器件H031）霍尔元件传感器典型的线性型霍尔器件H032）调理电路原理图霍尔元件H03的管脚3输出的交流电压脉冲信号，通过C0601耦合到OP07的输入端，经OP07放大后，送至LM393电压比较器，将模拟信号转换为输出信号，送至DAQ6009的计数通道。2）调理电路原理图霍尔元件H03的管脚3输出的交流电压脉冲信3)计数器数据采集与控制程序前面板程序框图3)计数器数据采集与控制程序前面板程序框图3.4信号产生信号产生是仪器系统的重要组成部分，要评价任意一个网络或系统的特性，必须外加一定的测试信号，其性能方能显示出来。最常用的测试信号有正弦波、三角波、方波、锯齿波、噪声波及多频波（由不同频率的正弦波叠加而形成的波形）等。3.4信号产生信号产生是仪器系统的重要组成部分，要评价任1.数字化频率的概念ΔT为采样间隔，T为信号周期，n为设一个周期内的采样点数，则T=nΔT设采样频率：fs=1/ΔT而信号频率：fx=1/T=1/(nΔT)=fS/n数字化频率：

f=fx/fs=1/n即数字化频率=信号频率/采样频率离散正弦信号：1.数字化频率的概念ΔT为采样间隔，T为信号周期，n为设一个2.正弦信号产生例1：利用SineWave.vi产生正弦波前面板程序框图

2.正弦信号产生例1：利用SineWave.vi产生正弦波信号发生器例2：创建一个可以产生正弦波、三角波、方波和锯齿波的信号发生器。信号发生器例2：创建一个可以产生正弦波、三角波、方波和锯齿波3.5虚拟仪器的信号分析与处理为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为：时域和频域。时间幅值频率时域分析频域分析时域分析与频域分析的关系3.5虚拟仪器的信号分析与处理为深入了解信号的物理实质，将1.信号的时域分析时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号的作用下，其输出信号随时间的变化情况；信号的时域描述:以时间为独立变量，描述信号随时间的变化特征，反映信号幅值随时间变化的关系；优点:形象、直观缺点:不能明显揭示信号的内在结构1.信号的时域分析时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号的时域分析举例一相关分析所谓“相关”是指变量之间的线性关系；相关性是指信号的相似和关联程度，相关分析不仅可用于确定性信号，也可用于随机信号的检测、识别和提取等；相关分析常用相关函数（自相关函数和互相关函数）或相关系数来描述；相关函数和功率谱(密度)是一对傅立叶变换。信号的时域分析举例一相关分析所谓“相关”是指变量之间的线性关相关函数相关函数序列

自相关函数：反映了信号在时移中的相关性。互相关函数：反映了两个信号在时移中的相关性。相关函数相关函数序列自相关函数：反映了信号在时移中的相关性相关分析工程应用实例

自相关分析：机械加工表面粗糙度相关分析工程应用实例自相关分析：机械加工表面粗糙度互相关分析：地下输油管道漏损位置的探测将两拾音器测得的音响信号x1(t)和x2(t)进行互相关分析，找出互相关值最大处的延时τ，即可由τ确定油管破损位置。互相关分析：地下输油管道漏损位置的探测将两拾音器测得的音响信LabVIEW中的相关分析函数AutoCorrelation.viCrossCorrelation.viLabVIEW中的相关分析函数AutoCorrelati互相关运算举例前面板程序框图

互相关运算举例前面板程序框图2.信号的频域分析频域分析是采用傅立叶变换将时域信号X(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征；信号的频域描述：应用傅里叶变换，对信号进行变换(分解)，以频率为独立变量，建立信号幅值、相位与频率的关系;特点：频域描述抽取信号内在的频率组成，信息丰富，应用广泛。2.信号的频域分析频域分析是采用傅立叶变换将时域信号X(t时域-频域关系的建立时域信号x(t)的傅里叶变换为:例如，50Hz正弦波信号x(t)=10sin(2*π*50*t)

其频谱函数为转换过程如图所示:时域-频域关系的建立时域信号x(t)的傅里叶变换为:例如，5频域分析应用描述信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观、更丰富的信息。

频域分析应用描述信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分(1)快速傅立叶变换FFT的实现傅里叶变换是信号处理与数据处理中一个重要分析工具，其意义在于将时域与频域信号联系起来，通过频域分析将复杂的信号分解为各个单一的频率成分。FFT.vi(1)快速傅立叶变换FFT的实现傅里叶变换是信号处理与数据例:双边傅里叶变换前面板程序框图频率间隔与采样频率和采样点数的关系例:双边傅里叶变换前面板程序框图频率间隔与采样频率和采样（2）频谱分析频谱分析是指把时间域的各种动态信号通过傅里叶变换转换到频率域进行分析。内容包括:①频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱；②功率谱分析：包括自谱和互谱；③频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱之比；④相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱的相关程度。（2）频谱分析频谱分析是指把时间域的各种动态信号通过傅里叶变1）幅度谱和相位谱

LabVIEW8.2中，用于计算输入序列的幅度谱和相位谱函数AmplitudeandPhaseSpectrum.vi的图标及端口如图所示。等效数学运算式公式：1）幅度谱和相位谱LabVIEW8.2中，用于计算输入序列幅度谱分析举例前面板程序框图

幅度谱分析举例前面板程序框图2）功率谱LabVIEW8.2中，用于计算输入序列的单边自功率谱函数AutoPowerSpectrum.vi的图标及端口如图所示。等效数学运算式公式2）功率谱LabVIEW8.2中，用于计算输入序列的单边自功自功率谱分析举例前面板程序框图

自功率谱分析举例前面板程序框图3.数字滤波器数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改变信号的质量，达到滤波或加工信号的目的。

数字滤波器分为无限冲激响应滤波器IIR有限冲激响应滤波器FIR特点：精度高、稳定性好、灵活性强、处理功能强3.数字滤波器数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化LabVIEW提供的滤波器函数LabVIEW提供的滤波器函数数字滤波器应用举例使用巴特沃斯滤波器提出正弦信号数字滤波器应用举例使用巴特沃斯滤波器提出正弦信号3.6虚拟仪器举