第1章虚拟仪器与LabVIEW基础
1、虚拟仪器概述
虚拟仪器（Virtual Intrument，简称VI）是20世纪90年 代初期出现的一种新型仪器，它以计算机为核心，将计算机 与测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些 硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器面板的测量仪 器。这种硬件功能的软件化，是虚拟仪器的一大特征。操作 人员在计算机显示屏上用鼠标和键盘控制仪器的启动、运行、 结束，完成被测信号的数据采集、信号分析、谱图显示、数 据存储、数据回放及控制输出等功能。
练习与思考
1.1 VI包括哪两个主要的部分？如何在它们之间 切换？ 1.2 程序框图主要由哪几类元件构成？它们分别 起什么作用？ 1.3 LabVIEW开发工具的三个选板各用在VI的哪 个部分？ 1.4 修改“生成与显示.VI”，让它产生并显示一 个方波信号，并可以在程序运行中改变占空比。 1.5 找到一个设计对话框的示例VI。
传统分析仪器与虚拟仪器比较
传统分析仪器 虚拟仪器
仪器定义
功能设定
厂家
功能特定，与其他设 备连接受到限制
用户
面向应用的系统结构，可 方便地与网络设备、外设 和其他设备连接
关键环节 开放性 性能价格比
硬件 封闭式系统，功能固 定，不能改变 低
软件
基于计算机技术的开放式 系统，灵活的软件功能模 块
高，可重复使用 快（周期1~2年） 软件结构，节省费用
对象快捷菜单
滚动窗口 设置/清除断点 探针数据 获取颜色 设置颜色
该工具置于某一对象上时，单击鼠标左键即可弹出对象 的快捷菜单
用于滚动整个窗口内的图形，而无须使用滚动条 用于在程序中为某个对象设置断点 用于在程序框图中设置探针，以观察程序运行的结果 用于从窗口中提取颜色设置为当前色
用来为控件、前面板、程序框图设置颜色
与传统仪器相比，虚拟仪器最大的特点是其功能由软件定 义，可以由用户根据应用需要进行调整，用户选择不同的应用 软件就可以形成不同的虚拟仪器。而传统仪器的功能是由厂商 事先定义好的，其功能用户无法变更。当虚拟仪器用户需要改 变仪器功能或需要构造新的仪器时，可以由用户自己改变应用 软件来实现，而不必重新购买新的仪器。
计算机虚拟仪器板卡
2.3 典型的虚拟仪器结构
PCI 卡
PXI总线结构

USB总线结构
FiledPoint模块
GPIB结构
CRIO结构
2.3 典型的虚拟仪器结构
根据虚拟仪器所采用的信号测量硬件模块的不同，虚拟仪 器可以分为下面几类：
（1） PC-DAQ数据采集卡 利用计算机扩展槽和外部接口，将信号测量硬件设计为计算机 插卡或外部设备，直接插接在计算机上，再配上相应的应用软件， 组成计算机虚拟仪器测试系统。这是目前应用得最为广泛的一种 计算机虚拟仪器组成形式。
2.5 应用软件
“软件即仪器”，应用软件是虚拟仪器的核心。一般虚 拟仪器硬件功能模块生产商会提供示波器、数字万用表、 逻辑分析仪等常用虚拟仪器应用程序。对用户的特殊应用 需求，则可以利用LabVIEW、Agilent VEE等虚拟仪器开发 软件平台来开发。
3、常见的虚拟仪器
• • • • • • 双踪信号示波和频谱分析仪 多踪信号示波器 双踪仪器库 多踪X-Y轨迹仪 传递函数(频响特性)分析仪 多踪频谱分析仪
GPIB结构
（6） CRIO系统结构 NI公司的CRIO，即紧凑型可重配置输入输出，是一种小巧坚 固的新型工业化控制和采集系统。CRIO机箱中包括实时控制器、 FPGA（现场可编程门阵列）芯片、信号输入输出模块和信号调 理模块，体现了NI公司近年来涉足嵌入式系统领域。
CRIO结构
2.4 驱动程序
编程方式 (1)文本 (2)可视化（面向对 象编程） (3)图形化编程 界面 运行时才可见，文 本行和图形 图形，编程时编辑 图形，编程时编辑 编程 文本行 文本行 流程框图 举例 Turo C Basic VC、VB、CVI LabVIEW、VEE
虚拟电压表界面
虚拟电压表程序
7、创建第一个VI
（2）PXI总线结构
PCI总线的仪器扩展。这种虚拟仪器结构有一个带总线背板的 多槽机箱，计算机被做成一个模块插在0槽中做控制器，其他槽中 可以插各种数据采集模块。
PXI总线结构
（3）USB总线结构
数据采集装置挂在计算机外面，通过USB口向计算机传输数 据，比较适合于用笔记本电脑组成便携式的测试系统。USB数据 采集装置有简单的模块，也有NI公司的CompactDAQ系统。 CompactDAQ把一组信号调理和数据采集模块装在一个机箱内， 机箱与计算机通过USB总线通信。
任何一种硬件功能模块，要与计算机进行通信，都需 要在计算机中安装该硬件功能模块的驱动程序（就如同在 计算机中安装声卡、显示卡和网卡一样），仪器硬件驱动 程序使用户不必了解详细的硬件控制原理和了解GPIB、 PXI、CRIO、RS232等通信协议就可以实现对特定仪器硬 件的使用、控制与通信。驱动程序通常由硬件功能模块的 生产商随硬件功能模块一起提供 。
USB总线结构
（4)）分布式系统结构 这种虚拟仪器结构可以在工业现场把数据采集设备安装在被 测试对象附近，通过计算机网络、串口或工业现场总线与计算机 通讯。NI公司这种产品以FiledPoint和CompactFiledPoint模块为 代表，后者尺寸更小，抗冲击和震动等性能更好。
FiledPoint模块
虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的产 物，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。 虚拟仪器是继模拟化仪表、智能化仪器之后的新一代仪器，代 表了当前测试仪器发展的方向之一。
仪器的发展进程
催生虚拟仪器的土壤
芯片 硬件
软件
网络 总线
LANs AT
Internet
计算机技术的进步
（5） GPIB或串口设备结构 为了有效利用现有的技术资源和发挥传统仪器的某些优势， 还可以采用GPIB或串口形式的虚拟仪器结构 串口是计算机与传统仪器接口的一种方式，实现对满足一定协 议（例如RS232）的传统仪器与计算机的连接 这些与计算机连接的仪器功能是专一、固定的，它们的软件固 化在仪器内部。它们完成测试任务并不依赖于计算机，只是利用 计算机的存储、显示、打印等功能，或对测试过程加以某些控制。
工业应用
工业应用
工业应用
工业应用
5、LabVIEW安装
• 将LabVIEW光盘放入光驱，会出现下图所 示界面
• 安装初始化
• 用户信息对话框
• 发行协议对话框
• 安装路径对话框
• 提示所安装的组件
• 安装进度条
• 安装设备驱动程序
• 安装结束以后需要重新启动计算机
6、 LabVIEW概述
双踪信号示波和频谱分析仪
多踪信号示波器
双踪仪器库
多踪X-Y轨迹仪
传递函数(频响特性)分析仪
多踪频谱分析仪
4、工业应用
• • • • • • 羰基镍在线检查系统 输油泵机组在线监测系统 信号分析系统 桥墩位移监控系统 发电机组在线监测诊断系统 锅炉供热自动控制系统
工业应用
工业应用
工业应用
8.4 设置对话框
统计学VI设置对话框
生成控件
生成输入控件 生成显示控件
简单修饰前面板
加标题 控件排列 配色
1.12 LabVIEW学习途径
LabVIEW的即时帮助 LabVIEW的帮助系统 LabVIEW的范例学习 快速寻求他人帮助
LabVIEW的即时帮助
执行菜单命令“帮 助—>显示即时帮助” 快捷键Ctrl+H 随光标移动显示对象 的基本功能信息
NI官方论坛
7.2 新建VI窗口
• VI模板 • 项目 • 其它文件
7.3 前面板介绍
是LabVIEW的图形用户界面，输入控件和 显示控件 标题栏 菜单栏 工具栏 显示界面
前面板例子
7.4 程序框图介绍
VI的图形化源程序 接线端 节点 连线
①
⑤
⑥ ④
② ③
程序框图例子
8、修改已有的VI
技术更新速度 慢（周期5~10年） 开发维护 开发维护费用高
传统仪器
虚拟仪器
2、虚拟仪器的组成
2.1虚拟仪器的组成
虚拟仪器是以计算机为载体的自动化测量与控制系统， 用来对现实世界的各种物理量进行测量或者对物理过程 进行控制。
典型的虚拟仪器结构
2.2常用虚拟仪器板卡
目前针对不同的应用目的和环境，已设计了多种性能和用 途的数据采集卡，包括PCI结构、PXI总线结构、USB总线结 构、分布式系统结构、GPIB或串口设备结构、CRIO系统结构 等。
• 从开始菜单中运行“National Instruments LabVIEW2010”，在计算机屏幕上将出现图 示欢迎窗口。
7.1 LabVIEW启动界面介绍
• 新建…——新建VI程序、项目及模板； • 打开…——打开各种LabVIEW文件； • 最新消息——链接NI官方网站，了解 ni的最新新闻、技术内容、范例以及培训资 源 • 在线支持——链接NI的论坛，寻求在线支 持。 • 帮助…——打开LabVIEW 各种帮助文件， 网络资源和范例。
1. LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering） 虚拟仪器开发平台 一种崭新的图形化编程语言，其源程序完全是图形化的框图， 而不是文本代码 它把复杂、繁琐、费时的语言编程简化为利用线条把各种不 同的图形化功能模块连接起来的图形编程 编程过程就象程序流程框图的绘制
• 8.1通过改变Express VI的设置修改程序
8.2 使用开发工具修改程序
工具选板 控件具选板 用于创建、修改和调试VI。选择某种工具后， 鼠标光标变为对应的形状，表示可以进行 某类操作