【正文】 卡 三個數(shù)據(jù)采集卡將溫度傳感器輸送的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 設備驅(qū)動程序?qū)?shù)字信號讀入計算機 在開發(fā)平臺上設計信號測 量流程和面板 控制空調(diào)設備進行反饋控制溫度 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 4 第 2 章 LABVIEW 虛擬儀器簡介 虛擬儀器 概念 LabVIEW 是一個基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。本文重點介紹了虛擬儀器的界面， LabVIEW 應用，并設計了一個基于虛擬儀器的溫度 監(jiān)測 和控制系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)開發(fā)過程中數(shù)據(jù)的采集 和軟硬件的設計，虛擬儀器設備可以由使用者自己定義，這意味著可以自由地組合計算機平臺，硬件 、 軟件 、 以及各種實現(xiàn)應用所需要的附件。這種靈活性在由供應商定義，功能固定 、 獨立的傳統(tǒng)儀器上是很難達到的。常用的數(shù)字萬用表，示波器，信號發(fā)生器，數(shù)據(jù)記錄儀，以及溫度和壓力監(jiān)控儀器就是這種傳統(tǒng)儀器的代表。從傳統(tǒng)儀器設備向虛擬儀器設備的轉(zhuǎn)變，為現(xiàn)代實驗帶來了更多實際的利益，同時也促進著實驗手段不斷更新。 虛擬儀器技術，就是用戶在通用計算機平臺上，根據(jù)測試任務的需要來定義和設計的測試功能，其實質(zhì)是充分利用計算機來實現(xiàn)和擴 展傳統(tǒng)儀器的功能，軟件就是儀器反映了虛擬儀器技術的本質(zhì)特征，美國國家儀器公司生產(chǎn)的 NILABVIEW 是目前最為成功，應用最為廣泛的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)，它是一種基于 G 語言的 32 位編譯型圖形化編程語言，其圖形化界面可以方便的進行虛擬儀器的開發(fā)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，需要對溫度測量和控制的場合越來越多，測量溫度方法也是多種多樣的 。 LabVIEW 是圖形化開發(fā)環(huán)境 ,它具有功能強大、編程效率高、界面友好、參數(shù)修改方便等優(yōu)點 ,同時它在功能完整性和應用靈活性上也不遜于任何高級語言 VI 技術也表明目前測試儀器領域的發(fā)展方向， LabVIEW 是一種功能強大的虛擬儀器開發(fā)平臺。 虛擬儀器特點 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點，具體表現(xiàn)為： 智能化程度高，處理能力強 。 虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。 復用性強，系統(tǒng)費用低應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數(shù)字采樣器 ，可設計出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費用更低。通過與計算機網(wǎng)絡連接，還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 5 儀器的使用價值。 可操作性強，易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所 需的報表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。 虛擬儀器構 成 虛擬儀器的構建主要從硬件電路的設計、軟件開發(fā)與設計 2個方面考慮。 硬件電路的設計主要根據(jù)用戶所面對的任務決定，其中接口設計可選用的接口總線標準包括GPIB 總線、 VXI 總線等。推薦選用 VXI 總線。因為他具有通用性強、可擴充性好、傳輸速率高、抗干擾能力強以及良好的開放性能等優(yōu)點，因此自 1987 被首次推出后迅速得到各大儀器生產(chǎn)廠家的認可，目前 VXI 模塊化儀器被認為是虛擬儀器的最理想平臺，是儀器硬件的發(fā)展方向。由于 VXI 虛擬儀器的硬件平臺的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電路的設計一般可以選擇用現(xiàn)有的 各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括：信號調(diào)理和高速數(shù)據(jù)采集；信號輸出與控制；數(shù)據(jù)實時處理。這3部分概括了數(shù)字化儀器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就能構成任何一種虛擬儀器。例如使用高速數(shù)據(jù)采集模塊和高速實時數(shù)據(jù)處理模塊就能構成 1 臺示波器、 1 臺數(shù)字化儀或 1臺頻譜分析儀；使用信號輸出與控制模塊和實時數(shù)據(jù)處理模塊就能構成 1 臺函數(shù)發(fā)生器、 1臺信號源或 1臺控制器。專用接口是針對特定用途儀器需要的設計，也包括一些現(xiàn)場總線接口和各類傳感器接口。系統(tǒng)的主要硬件包括控制器、主機箱和儀器模塊。常用的控制 方案有 GPIB 總線控制方式的硬件方案、 MXI 總線控制方式的硬件方案、嵌入式計算機控制方式的硬件方案 3 種。 VXI儀器模塊又稱為器件。 VXI 有 4種器件：寄存器基器件、消息基器件、存儲器器件和擴展器件。存儲器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸大量數(shù)據(jù)。擴展器目前是備用件，為今后新型器件提供發(fā)展通道。將 VXI 儀器制作成寄存器基器件還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像 VME 總線器件 ， 是在低層用二進制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制這一層次上進行通信的。 這種高速通信可以使測試系統(tǒng)吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件適用于虛擬儀器中信號 /輸出部分的模塊（如開關、多路復用器、數(shù) /模轉(zhuǎn)換輸出卡、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換輸入卡、信號調(diào)理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用 ASCII 字符進行通信，與這種器件十分相似是獨立 HPIB 儀器。消息基器件用一組意義 明 確的 “ 字串行協(xié)議 ” 相互進行通信，這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數(shù)據(jù)所需的掛鉤要求。消息基器件必須有 CPU（或 DSP）進行管理基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 6 與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器中數(shù)字信號處理部分的模塊。 軟件的開發(fā)與設 計包括 3部分： VXI 總線接口軟件、儀器驅(qū)動軟件和應用軟件 （軟面板）。 “ 軟面板 ” 設計就是設計具有可變性、多層性、自助性、人性化的面板，這個面板應不僅同傳統(tǒng)儀器面板一樣具有顯示器、 LED、指針式表頭、旋鈕、滑動條、開關按鈕、報警裝置等功能部件，而且應還具有多個連貫操作面板、在線幫助功能等 。 VXI 總線接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和編程函數(shù)庫等。該軟件在編程語言和 VXI 總線之間建立連接，提供對 VXI背板總線的控制和支持，是實現(xiàn) VXI 系統(tǒng)集成的基礎。 儀器驅(qū)動程序是完成對 某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅(qū)動軟件，他的設計必須符合 VPP 的 2 個規(guī)范，即 《儀器驅(qū)動程序結構和模型》和 《儀器驅(qū)動程序設計規(guī)范》。 的安裝 Labview 如何安裝是我們先要解決的問題，下面是我安裝的截圖，這樣可以系統(tǒng)的反應出我們的安裝過程。 圖 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 7 圖 圖 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 8 圖 圖 LABVIEW啟動 安裝完畢后，重啟計算機，即可使用 labview 軟件完成設計， 執(zhí)行功能。 然后再從新啟動，進行新建。 基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 9 LABVIEW 簡介 LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（ NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 與 C 和 BASIC 一樣， LabVIEW 也 是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。 LabVIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及 數(shù)據(jù)存儲 ，等等。 LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置 斷點 、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子 VI）的結果、單 步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本 創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了 VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。 VI指虛擬儀器， 是 LabVIEW 的程序模塊。 LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建 用戶界面 。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱 G 代碼。 LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。 并且LABVIEW 具有如下特點； 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是 軟件 。 可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。 用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 虛擬儀器研究的另一個問題是各種標準儀器的互連及與計算機的連接。目前使用較多的是 IEEE488 或 GPIB 協(xié)議。未來的儀器也應當是網(wǎng)絡化的。 LabVIEW（ Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集 和儀器控制軟件。 LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應用 TCP/IP、 ActiveX 等軟件標準的 函數(shù)。這是一個功能強大且靈活 的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為 “G” 語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是 流程圖 或 框圖 。它盡可能利用了技術人員、 科學家 、 工程師 所熟悉的術語、圖標和概念，因此，基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 10 LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。 利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨 立運行的 可執(zhí)行文件 ，它是一個真正的 32 位 /64 位 編譯器 。像許多重要的軟件一樣， LabVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh的多種版本。它主要的方便就是，一個硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實現(xiàn)不 同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當于軟件即硬件！ 虛擬儀器 （ virtual instrument）是基于 計算機 的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化 的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含 嵌入式 系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及 操作系統(tǒng) 為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。 虛擬儀器 實際上是一個按照儀器需求組織的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。虛擬儀器的研究中涉及的基礎理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和 數(shù)字信號處理 。目前在這一領域內(nèi)，使 用較為廣泛的計算機語言是 美國 NI 公司的 LabVIEW。 虛擬儀器的起源可以追溯到 20世紀 70 年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領域已經(jīng)有了相當?shù)陌l(fā)展。 PC 機出現(xiàn)以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在 Microsof t 公司的 Windows 誕生之前， NI 公司已經(jīng)在 Macintosh 計算機上推出了 以前的版本。對虛擬儀器和 LabVIEW 長期、系統(tǒng) 、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認的權威。目前 LabVIEW 的最新版本為 LabVIEW2020， LabVIEW 2020 為多線程功能添加了更多特性，這種特性在 1998 年的版本中被初次引入。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的 軟件環(huán)境 ，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、 LabVIEW RealTime 工具對 嵌入式 平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設計的軟件層次，是進行并行編程的首選。 普通的 PC 有一些不可避免的弱點。用它構建的虛擬儀器或計算機測試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計算機化儀器的一個重要發(fā)展方向是制定了 VXI 標準，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標準的 VXI 機箱，再與 計算機相連，就組成了一個測試系統(tǒng)。 VXI 儀器價格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的 PXI 標準儀器。 LABVIEW 有很多優(yōu)點，尤其是在某些特殊領域其特點尤其突出。 其領域如下； 測試測量： LABVIEW 最初就是為測試測量而設計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在 LABVIEW 最廣泛的應用領域。經(jīng)過多年的發(fā)展， LABVIEW 在測試測量領域獲得了廣基于虛擬儀器的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 11 泛的承認。至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設備