論虛擬儀器LabVIEW的發(fā)展及應(yīng)用

趙 潔，張 璐，李 桃

(1.中北大學機電工程學院，山西太原030051;2.中北大學信息與通信工程學院，山西 太原030051;3.中北大學機械工程與自動化學院，山西太原030051)

0 引言

所謂虛擬儀器，就是在通用計算機平臺上，用戶根據(jù)自己的需求定義和設(shè)計儀器的測試任務(wù)。其實質(zhì)是將傳統(tǒng)儀器硬件和最新計算機軟件技術(shù)充分結(jié)舍起來，以實現(xiàn)并擴展傳統(tǒng)儀器的功能。

1 虛擬儀器的優(yōu)勢

傳統(tǒng)儀器一般是一臺獨立的裝置。從外觀上看，它一般有操作面板、信號輸入端口、檢測結(jié)果輸出這幾個部分。操作面板上一般有一些開關(guān)，按鈕、旋鈕等。檢測結(jié)果的輸出方式有:數(shù)字、指針式表頭、圖形窗口、打印輸出等。從功能方面分析傳統(tǒng)儀器可分為:信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出這幾個部分。傳統(tǒng)儀器的功能都是通過硬件(或固化的軟件)來實現(xiàn)的。這種框架結(jié)構(gòu)決定了它只能由儀器廠家來定義、制造，而且功能和規(guī)格一般都是固定的，用戶無法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能［1-2］。

表1 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的對比

2 虛擬儀器開發(fā)環(huán)境—LabVIEW

隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測控技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測控理論、方法、測控領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷的出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破儀器的概念，電子測控儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。在這種背景下，八十年代末美國成功開發(fā)了圖形化的計算機語言——LabVIEW。

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術(shù)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。圖形化編程開發(fā)平臺的特點是基于通用計算機等標準軟硬件資源平臺，實現(xiàn)構(gòu)建靈活、層次體系明晰、功能強大且人機界面友好的測控系統(tǒng)，因此在國內(nèi)外許多測控應(yīng)用中被廣泛采用［5］。

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。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標和概念。因此，Labview是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構(gòu)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(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率［6-7］。

3 LabVIEW的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 應(yīng)用于生產(chǎn)檢測

LabVIEW已經(jīng)成為用于測試測量領(lǐng)域的工業(yè)標準化開發(fā)工具。LabVIEW結(jié)合NITestStand測試執(zhí)行環(huán)境和該領(lǐng)域中最大的儀器驅(qū)動程序庫，為整個系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測管理平臺。

3.2 應(yīng)用于研究與分析

運用LabVIEW，可在汽車、能源研究和其它眾多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)中進行實時數(shù)據(jù)的分析和計算;對于要求聲音、振動、圖像處理、時頻分析、小波和數(shù)字濾波的應(yīng)用系統(tǒng)，LabVIEW特別提供各種附加工具包以加速系統(tǒng)開發(fā)。

3.3 應(yīng)用于過程控制和工廠自動化

可利用LabVIEW來建立眾多的過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用系統(tǒng)。在LabVIEW平臺下，可以實現(xiàn)高速、多通道的測量和控制。對于大型復雜的工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)，有專門的LabVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控多通道I/O、與工業(yè)控制器和網(wǎng)絡(luò)進行通信，以及提供基于PC機的控制。

3.4 應(yīng)用于機器監(jiān)控

對于要求有實時控制、振動分析、視覺和圖像分析或運動控制的機器監(jiān)視和預先維護的應(yīng)用系統(tǒng)，LabVIEW是理想的選擇。LabVIEW系列產(chǎn)品，包括用于可靠、確定性控制的實時LabVIEW(LabVIEW RT)軟件，就可以快速、準確地建立起功能強大的機器監(jiān)視和自動控制應(yīng)用程序。

3.5 IPC多任務(wù)測控系統(tǒng)

LabVIEW有著強大的功能和廣闊的應(yīng)用范圍，但就目前國內(nèi)的現(xiàn)狀來看，絕大多數(shù)的用戶還是把LabVIEW作為虛擬儀器，僅僅利用它來進行數(shù)據(jù)的處理和顯示，忽略了LabVIEW強大的數(shù)據(jù)采集和控制功能［8］。此系統(tǒng)的任務(wù)可以分為下位機和上位機任務(wù)兩大類。

下位機任務(wù)主要有:采集任務(wù)主要是模擬量采集和開關(guān)量采集;控制任務(wù)包括直流電動機的控制和步進電動機的控制;數(shù)據(jù)通信任務(wù)將采集出的數(shù)據(jù)實時傳送至上位機上;從上位機接收控制命令。

上位機任務(wù)主要有:整點制表任務(wù)系統(tǒng)分別在0點、8點、16點制表，完成規(guī)定時間的電壓、電流等測量數(shù)據(jù)的存儲或結(jié)果的輸出，便于以后對歷史數(shù)據(jù)的查找，這也是測控系統(tǒng)的常規(guī)工作;數(shù)據(jù)的計算通過采集的數(shù)據(jù)計算電壓的偏差、波動以及頻率等量;動態(tài)顯示任務(wù)對整個系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)動態(tài)的顯示，便于管理者掌握系統(tǒng)的狀態(tài)。動態(tài)顯示對系統(tǒng)資源的消耗較大，所以從下位機任務(wù)中分離出來;數(shù)據(jù)通信任務(wù)將系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布到其它控制臺，通過局域網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

4 LabVIEW的數(shù)據(jù)采集

在計算機廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。使用計算機對現(xiàn)實世界中的信息實現(xiàn)顯示和處理，其前提條件是將計算機和現(xiàn)實世界聯(lián)系起來。這需要將現(xiàn)實世界中的各種信號(統(tǒng)稱模擬信號)轉(zhuǎn)換為計算機可以識別、存儲的信號(統(tǒng)稱數(shù)字信號)，這一過程稱為數(shù)據(jù)采集(DAQ，Data Acquisition)［9］。

數(shù)據(jù)采集是對多路模擬信號進行數(shù)字化測量，從而獲得大量數(shù)據(jù)以便進行分析和處理。它是外部被測模擬信號進入測量系統(tǒng)的必經(jīng)前置通道。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括以下幾個部分:信號調(diào)理模塊、采樣保持模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及其它模塊，如定時/計數(shù)器，數(shù)模轉(zhuǎn)換等［10］。組建一個基于計算機的現(xiàn)代測試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集卡的選擇是非常重要的。它的主要技術(shù)指標如下:

(1)A/D轉(zhuǎn)換芯片的類型:主要分為直接比較型和間接比較型。前者是將輸入的模擬信號直接同標準的參考電壓相比較得出數(shù)字量;后者是將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為一個中間量，將中間量再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

(2)數(shù)據(jù)分辨率:分辨率是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的精度指標，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字位數(shù)來表示。

(3)通道數(shù):指能夠同時采樣的通道數(shù)目，一般根據(jù)測試任務(wù)選擇。

(4)采樣率:表示單通道采樣能使用的最高頻率。如果是多通道采樣，則能夠到達的采樣率是最高頻率除以通道數(shù)。

(5)數(shù)據(jù)總線接口類型:不同的總線接口類型的數(shù)據(jù)板卡的接口硬件形式不一樣，數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則和速度也不一樣。目前主要有 PCI、ISA、VXI和 PXI。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)Σ杉蹇ǔ跏蓟?，板卡上和?nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。

在基于計算機的系統(tǒng)測量到物理信號之前，需要通過傳感器(或轉(zhuǎn)換器)將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號。為了更精確地測量信號，信號調(diào)理配件能放大低電壓信號，并對信號進行隔離和濾波。此外，某些傳感器需要有電壓或電流激勵源來生成電壓輸出。信號調(diào)節(jié)設(shè)備可以用插入式DAQ卡在將測量的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息前對其進行調(diào)節(jié)。DAQ系統(tǒng)由軟件控制—獲取數(shù)據(jù)行、分析數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。

5 結(jié)論

Labview是一個功能強大的虛擬儀器編程環(huán)境，也是一個基于計算機的自動化實驗室，它大大提高了研究人員的工作效率。因而可以說，虛擬儀器是跨躍物理世界與數(shù)字世界的橋梁和紐帶，在統(tǒng)一的信息世界內(nèi)涵里，連接著物理世界與數(shù)字世界。結(jié)合電子計算機技術(shù)的巨大優(yōu)勢和潛力，為人們帶來了前所未有的便利和發(fā)展空間。

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