1、第3章 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺,1,1.什么是虛擬儀器? 虛擬儀器是指，在以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶自己設(shè)計定義，具有虛擬的操作面板，測試功能由測試軟件來實現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。,Virtual Instrument，VI,3.1 虛擬儀器的概念,2,2. 虛擬儀器的特點,儀器 = A/D + CPU+ 軟件 The Software Is Instruments,3,3. 虛擬儀器的體系,4,4. 虛擬儀器的分類,按接口總線類型不同劃分,數(shù)據(jù)采集卡式 DAQ RS232/RS485虛擬儀器 并行接口虛擬儀器 USB虛擬儀器,GPIB虛擬儀器 VXI虛擬儀器 PXI虛擬儀器 IE

2、EE1394接口虛擬儀器,5,5 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺,軟件平臺 基于文本式編程語言開發(fā)工具 VC+，VB，C+Build，LabWindows/CVI，Delphi等。 基于圖形化編程語言開發(fā)工具 LabVIEW（NI 公司） HP VEE （HP 公司）,6,軟面板舉例：動態(tài)信號分析儀軟面板,7,6. 虛擬儀器的應(yīng)用,航空 航天 教學(xué) 核工業(yè) 軍工 通信測試 鐵道 .,8,3.2 虛擬儀器開發(fā)工具-LabVIEW,LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench， 實驗室虛擬儀器工程平臺 ) 是美國 NI 公司推出的

3、一種基于G 語言(Graphics Language，圖形化編程語言) 的虛擬儀器軟件開發(fā)工具； 目的：簡化程序的開發(fā)工作，使用戶能快 速、簡便地完成自己的工作。,9,3.2.1 LabVIEW的特點,（1）編程簡單，不需要記憶編程語言； （2）開發(fā)周期短； （3）高效性，這主要是以軟件做保證； （4）開放性，可根據(jù)實際情況進(jìn)行更新擴(kuò)展，發(fā)展迅速； （5）自定義性，工程師們可以在非常廣泛的測量和控制應(yīng)用中自定義芯片級硬件功能； （6）性價比高，能一機(jī)多用。,10,3.2.2 LabVIEW8.2開發(fā)平臺,使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器，簡稱VI。VI由以下3部分構(gòu)成： 前面板

4、： 即用戶界面； 程序框圖：包含用于定義VI功能的圖形化源代碼； 圖標(biāo)和連線板：用以識別VI的接口，以便在創(chuàng)建VI時調(diào)用另一個VI。當(dāng)一個VI應(yīng)用 在其他VI中，則稱為子VI。子VI相當(dāng) 于文本編程語言中的子程序。,11,1.前面板,前面板是VI的用戶界面。創(chuàng)建VI時，通常應(yīng)先設(shè)計前面板，然后設(shè)計程序框圖執(zhí)行在前面板上創(chuàng)建的輸入、輸出任務(wù)。,12,2. 程序框圖,程序框圖是圖形化源代碼的集合，圖形化源代碼又稱G代碼或程序框圖代碼。,程序框圖由接線端、節(jié)點、連線和結(jié)構(gòu)等構(gòu)成。,13,程序框圖對象,程序框圖由接線端、節(jié)點、連線和結(jié)構(gòu)等構(gòu)成: 接線端：是程序框圖中傳遞數(shù)據(jù)的起點和終點。控件接線端用來

5、為前面板上的對象與程序框圖傳遞數(shù)據(jù)。 節(jié)點：是實現(xiàn)程序功能的基本單元，具有輸入、輸出端，在VI運行時完成一定的操作。 連線：是程序框圖中各個對象之間傳遞數(shù)據(jù)的通道。 結(jié)構(gòu)：是文本編程語言中的循環(huán)和條件語句的圖形化表示。,14,3. 圖標(biāo)和連線板,創(chuàng)建VI的前面板和程序框圖后，可創(chuàng)建圖標(biāo)和連線板，以便將該VI作為子VI調(diào)用。 圖標(biāo)和連線板圖形：,圖標(biāo)是VI的圖形化表示，可包含文字、圖形或圖文組合。,連線板用于顯示VI中所有輸入控件和顯示控件的接線端，類似于文本編程語言中調(diào)用函數(shù)時使用的參數(shù)列表。,15,3.2.3 LabVIEW8.2的操作選板,LabVIEW8.2包含3個操作選板 : 工具選板

6、 控件選板 函數(shù)選板,16,1. 工具選板,17,2. 控件選板,控件選板包括創(chuàng)建前面板所需的輸入控件和顯示控件。,18,經(jīng)典控件子選板,19,3. 函數(shù)選板,函數(shù)選板中包含創(chuàng)建程序框圖所需的VI和函數(shù)。,20,編程子選板的圖標(biāo)、名稱及功能,21,3.2.4 LabVIEW8.2的菜單和工具欄,LabVIEW8.2菜單,LabVIEW8.2的工具欄,22,3.2.5 LabVIEW8.2中的數(shù)據(jù)類型,支持的數(shù)據(jù)類型有： 數(shù)值型 布爾型 數(shù)組型 字符串型 波形數(shù)據(jù)類型 簇 路徑,23,3.2.6 創(chuàng)建虛擬儀器,1.創(chuàng)建一個虛擬儀器的一般步驟 （1）前面板設(shè)計 （2）程序框圖 （3）數(shù)據(jù)流編程 （

7、4）功能檢驗 （5）保存文件,24,創(chuàng)建一個虛擬儀器,兩數(shù)相加與兩數(shù)相減VI,25,2.調(diào)試虛擬儀器,虛擬儀器的一般調(diào)試步驟 （1）運行VI （2）清除語法錯誤 （3）高亮顯示執(zhí)行過程 （4）單步執(zhí)行 （5）探針工具 （6）斷點,26,3. 創(chuàng)建和調(diào)用子VI,構(gòu)造一個子VI的主要工作就是需先為子VI創(chuàng)建連線板和圖標(biāo),27,調(diào)用子VI示例,前面板 框圖程序,28,4. 虛擬儀器創(chuàng)建舉例,測溫范圍：0100oC 測溫傳感器：AD590，靈敏度：1A/K,例1 虛擬溫度計,29,虛擬溫度計VI,前面板,框圖程序,30,例2 求N!,main() int a ,i, n； a=1;i=0; scanf

8、 (“ %d ”, printf (“n! =%d”,a )； ,前面板和程序框圖,31,例3 波形顯示,設(shè)計一個VI，顯示一個正弦波電壓測量結(jié)果。電壓采樣從0開始，每隔2ms采樣一個點，共采樣50個點，要求程序的顯示能夠反映出實際的采樣時間及電壓值。,電壓測量VI的前面板和程序框圖,32,3.3 虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集,DAQ虛擬儀器又稱PC-DAQ儀器系統(tǒng)，其組成如下圖所示。它由一臺PC機(jī)和基于標(biāo)準(zhǔn)總線的采集卡（儀器卡）構(gòu)成，同時還配備有儀器驅(qū)動軟件來支持硬件工作。,33,1. 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)置與測試,測試與自動化資源管理器MAX是Measurement ,特點：頻域描述抽取信號內(nèi)在的頻率組

9、成，信息豐富，應(yīng)用廣泛。,55,時域-頻域關(guān)系的建立,時域信號x(t)的傅里葉變換為:,例如，50Hz正弦波信號x(t)=10sin(2*50*t),其頻譜函數(shù)為,轉(zhuǎn)換過程如圖所示:,56,頻域分析應(yīng)用描述,信號的頻譜代表了信號在不同頻率分量處信號成分的大小，它能夠提供比時域信號波形更直觀、更豐富的信息。,57,(1) 快速傅立葉變換FFT的實現(xiàn),傅里葉變換是信號處理與數(shù)據(jù)處理中一個重要分析工具，其意義在于將時域與頻域信號聯(lián)系起來，通過頻域分析將復(fù)雜的信號分解為各個單一的頻率成分。,FFT.vi,58,例: 雙邊傅里葉變換,前面板,程序框圖,頻率間隔與采樣頻率和采樣點數(shù)的關(guān)系,59,（2）頻譜

10、分析,頻譜分析是指把時間域的各種動態(tài)信號通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域進(jìn)行分析。 內(nèi)容包括:, 頻譜分析：包括幅值譜和相位譜、實部頻譜和虛部頻譜； 功率譜分析：包括自譜和互譜； 頻率響應(yīng)函數(shù)分析：系統(tǒng)輸出信號與輸入信號頻譜之比； 相干函數(shù)分析：系統(tǒng)輸入信號與輸出信號之間譜的相關(guān)程度。,60,舉例：功率譜,LabVIEW8.2中，用于計算輸入序列的單邊自功率譜函數(shù)Auto Power Spectrum.vi的圖標(biāo)及端口如圖所示。,等效數(shù)學(xué)運算式公式,61,自功率譜分析舉例,前面板,程序框圖,62,3. 數(shù)字濾波器,數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計算的方法來實現(xiàn)對離散化信號的處理，以減少干擾信號在有用信號中所占

11、的比例，從而改變信號的質(zhì)量，達(dá)到濾波或加工信號的目的。 數(shù)字濾波器分為 無限沖激響應(yīng)濾波器IIR 有限沖激響應(yīng)濾波器FIR,特點：精度高、穩(wěn)定性好、靈活性強(qiáng)、處 理功能強(qiáng),63,LabVIEW提供的濾波器函數(shù),64,數(shù)字濾波器應(yīng)用舉例,使用巴特沃斯濾波器提出正弦信號,65,3.5 虛擬儀器舉例,1.虛擬相位差計 （1）功能描述 可測量兩個同頻率正弦波的相位差； 可測相位差的數(shù)值范圍為0180度； 信號的幅度范圍為0 .1V5.0V； 兩個信號的頻率范圍為0.1Hz10kHz。,66,（2）設(shè)計原理,用相關(guān)法求相位差，即利用兩個同頻正弦信號的延時=0時的互相關(guān)函數(shù)值與其相位差的余弦值成正比的原理獲得相位差。 假設(shè)有兩個同頻信號x(t)、y(t)，描述如下：,用相關(guān)法測量相位差的原理如下,將x(t)、y(t)代入求積分后得到：,所以有：,67,虛擬相位差計VI設(shè)計,68,2. 虛擬示波器,基于USB總線； 無需外部電源，即插即測； 體積小，80mmx65mm，手掌大?。?5V(1:1探頭