传感器与检测技术讲义第12章虚拟仪器技术

第12章虚拟仪器技术虚拟仪器是在20世纪后期随计算机水平和软件技术的迅速进步而出现并发展起来的有别于传统仪器的新概念。

虚拟仪器技术突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，具有用简单硬件将被测量采集到上位机，然后通过软件设计即可方便灵活地完成对被测试量的分析、判断、显示及数据存储等功能的特点。

软件设计的灵活易变、成本低等特点使虚拟仪器在测试测量技术中越来越发挥出其优势。

目前，虚拟仪器的开发工具有LabVIEW、LabWINDOWS、VB等，下面主要介绍用NI 公司的LabVIEW软件开发虚拟仪器的方法。

本书第13章到17章的综合实例是在计算机上对整个测量系统的联合软件仿真设计，因此在本章后面将介绍用LabVIEW同NI公司的另一款电路仿真软件Multisim进行联合仿真的方法。

12.1 LabVIEW软件的特点LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench，实验室虚拟仪器工作平台）是美国NI公司推出的一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的具有革命性的图形化虚拟仪器开发环境，是业界领先的测试、测量和控制系统的开发工具。

虚拟仪器的概念是用户在通用计算机平台上，在必要的数据采集硬件的支持下，根据测试任务的需要，通过软件设计来实现和扩展传统仪器的功能。

传统台式仪器是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，有固定的I/O接口和仪器操作面板。

每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。

虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，并可通过修改软件来改变或增减仪器的功能，真正体现了“软件就是仪器”这一新概念。

作为虚拟仪器的开发软件，LabVIEW的特点如下。

➢具有图形化的编程方式，设计者无须编写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言➢提供丰富的数据采集，分析及存储的库函数➢提供传统的数据调试手段，如设置断点，单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式进行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷➢囊括了PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂得总线标准的开发者也能驱动不同总线标准接口设备与仪器➢提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，如DLL（动态链接库），DDE（共享库），Activex等➢具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议，方便网络，远程测控仪器开发在测试和测量方面，LabVIEW已经变成了一种工业的标准开发工具；在过程控制和工厂自动化应用方面，LabVIEW软件非常适用于过程监测和控制；而在研究和分析方面，LabVIEW软件有力的软件分析库提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号的分析。

它具有信号采集、测量分析与数据显示功能，集开发、调试、运行于一体，而且LabVIEW虚拟仪器程序（Virtual Instrument，VI）可以非常容易地与各种数据采集硬件、以太网系统无缝集成，与各种主流的现场总线通信，以及与大多数通用数据库链接。

“软件就是仪器”反映了其虚拟仪器技术的本质特征。

用LabVIEW设计的虚拟仪器可脱离LabVIEW 开发环境，用户最终看见的是和实际硬件仪器相似的操作界面。

如今虚拟仪器已是现代检测系统中非常重要的一部分。

12.2 LabVIEW虚拟仪器的创建方法LabVIEW与虚拟仪器有着紧密联系，在LabVIEW中开发的程序都被称为VI（虚拟仪器），其扩展名默认为vi。

所有的VI都包括前面板（Front panel）、框图（Block diagram），以及图标和连接器窗格（Icon and connector pane）三部分。

LabVIEW程序设计在前面板开发窗口和流程图编辑窗口完成。

虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，因为它模仿了实际仪器的面板。

前面板包含旋钮、按钮、图形和其他的控制与显示对象。

通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观看结果，它主要完成显示和控制。

流程图编辑窗口主要完成图形化编程（用G语言创建），即选用工具模板中相应的工具去选用功能模板上的有关图标来设计制作虚拟仪器流程图（流程图是图形化的源代码），以完成虚拟仪器的设计工作。

一个虚拟仪器的图标和连接就像一个图形（表示某一虚拟仪器）的参数列表。

这样，其他的虚拟仪器才能将数据传输给子仪器。

图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或子程序中的子程序（子仪器）。

LabVIEW提供了三个模板来编辑虚拟仪器，即工具模板（Tools Palettes）、控制模板（Controls Palettes）和功能模板（Functions Palettes）。

工具模板提供用于图形操作的各种工具，如移动、选取、设置卷标和断点、文字输入等。

控制模板则提供所有用于前面板编辑的控制和显示对象的图标，以及一些特殊的图形。

功能模板包含一些基本的功能函数，也包含一些已做好的子仪器。

这些子仪器能实现一些基本的信号处理功能，具有普遍性。

其中控制、功能模板都有预留端，用户可将自己制作的子仪器图标放入其中，便于日后调用。

具体创建一个VI的步骤如下。

（1）从开始菜单中运行已安装的“National Instruments LabVIEW 8.2”，在计算机屏幕上将出现如图12-1所示的“Getting Started”窗口。

（2）在“Getting Started”窗口左边的“Files”控件里，树形控件用于选择新建文档类型。

“Blank VI”用于建立一个新程序；“VI from Template…”按类型列出LabVIEW系统提供的程序模板，用户可以以这些模板为基础，建立自己的程序。

当选中一个模板VI时，“Front panel preview”和“Block diagram preview”子窗口给出其前面板和框图预览。

建立一个新的LabVIEW程序，框图面板和前面板如图12-2所示。

（3）在前面板上放置设计要求的仪器图形。

前面板上有交互式的输入和输出两类图形，分别称为Control（控制器）和Indicator（指示器）。

Control包括开关、旋钮、按钮和其他各种输入设备；Indicator包括图形（Graph和Chart）、LED和其他显示输出对象。

图12-1 为“Getting Started”窗口图12-2 框图面板和前面板（4）在框图窗口中放置编程需要的功能函数模块，并根据编程要求连接前面板控件、指示器在框图窗口中的相应图标和功能函数模块图标。

在框图中对VI编程的主要工作就是从前面板上的输入控件获得用户输入信息，然后进行计算和处理，最后在输出控件中把处理结果反馈给用户。

框图上的编程元素除了包括前面板上的Control和Indicator对应的连线端子（Terminal）外，还有函数、子VI、常量、结构和连线等。

（5）当框图程序编译通过后，在前面板调节各控件与指示器位置，并使界面美化。

图12-3所示为控制模板下“Modern\Decorations”子模板。

该模板提供制作美观界面的装饰元素。

同时可单击鼠标右键打开前面板各模块的属性，修改颜色及其他设置。

（6）定义图标与连接器。

完成子程序流程框图的编程后，需要定义连接器，以便在子VI调用时方便连接端口。

图标和连接器指定了数据流入/流出VI的路径。

VI是分层次和模块化的，可将其作为顶层程序，也可将其作为其他程序的子程序。

图标是子VI在程序图上的图形化表示，而连接器定义了子VI和主调程序之间的参数形式和接口。

VI图标的修改可通过双击图标，在弹出的图12-4所示的编辑窗口下自定义图标。

图12-3 修饰子模块图12-4 图标编辑定义连接器是用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在图12-5所示的快捷菜单中选择“Show Connector”，连接器窗格会取代前面板窗口右上角的图标，如图12-6所示。

图12-5 定义连接器下拉菜单图 图12-6 连接器窗格图在第一次打开一个VI 连接器窗格时，LabVIEW 将自动根据当前前面板上控制器和指示器的个数和选择一个合适的连接器模式，自动选择的连接器模式中表示连接端子的格子数目数不小于控制器和指示器的总数目。

当然，也可以根据LabVIEW 8.2自带的一些模型（patterns ）手动增加连接的端子，在右上角用鼠标右键单击连接器，在弹出的窗口中即可选择模型。

接下来是建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联。

若把鼠标指针放在连接器的某个未连接的端子（白色）上，则鼠标指针自动变换为连接工具样式。

单击选中端子，端子变为黑色。

然后单击前面板的控件，控件周围出现的虚线框表示控件处于选中状态，同时连接器端子变为选中数据类型对应的颜色，表示关联过程完成，如图12-7所示。

如果白色连接器的端子没有变为所关联控件数据类型对应的颜色，则表明关联失败，可重复以上过程，直至关联成功。

如果关联了错误的控件，可以在连接器端子上单击鼠标右键，选择断开连接，然后重新指定。

一般习惯把控制器连接到连接器窗口左边的端子上，把指示器连接到连接器窗口右边的端子上。

完成上述工作后，将设计好的VI 保存。

12.3 LabVIEW 和Multisim 软件的联合1．Multisim 和LabVIEW 的输入接口研究Multisim 和LabVIEW 的接口电路是由Mutisim 所提供的模板，可以在Multisim 目录下的“Sampling ”/“LabVIEW Instruments ”/“Templates ”/“Input(Output)”中获得。

它有输入、输出两个接口模块。

导入Multisim 中的LabVIEW 仪器，它只能是单独的输入或单独的输出形式，而不能既有输入又有输出。

在输入接口模块中，它允许应用者对从Multisim 采样数据到LabVIEW 中的采样率进行按需设置。

输入接口模块的后面板可分为两大部分，即窗口操作部分和数据传送部分。

1）窗口操作部分 在LabVIEW 中窗口操作部分后面板电路如图12-8所示。

图12-8 窗口操作图12-7 连接器和显示器件关联从图中可以知道，窗口操作部分是利用Obtain Queue这个节点来获取Multisim Callback Queue中关于Multisim对LabVIEW的操作信息（包含关掉界面、停止运行、启动运行、暂停等）和设备在Multisim中的ID号，并且将所获得的数据送入While循环中进行处理。

在While循环中有一个Event Structure结构，这个结构就好像是具有“Wait On Occurrence”（等待事件发生）能力的选择结构（Case Structure），但是这个选择结构能够同时相应多个选择。