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虚拟仪器(LabVIEW)在电控车辆实训系统中的应用
第一章 虚拟仪器
一、什么是 LabVIEW
LabVIEW 是一种程序开发环境,由美国国家仪器(NI)公司研制开发的,
类似于 C 和 BASIC 开发环境,但是 LabVIEW 与其他计算机语言的显著区别是:
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而 LabVIEW 使用的是图形
化编辑语言 G 编写程序,产生的程序是框图的形式。
与 C 和 BASIC 一样,LabVIEW 也是通用的编程系统,有一个完成任何编程
任务的庞大函数库。LabVIEW 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据
分析、数据显示及数据存储,等等。LabVIEW 也有传统的程序调试工具,如设
置断点、以动画方式显示数据及其子程序(子 VI)的结果、单步执行等等,便于
程序的调试。
LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering
Workbench)是一种图形化的编程语言的开发环境,它广泛地被工业界、学术
界和研究实验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW
集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的
全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是
一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,其图形化
的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
图形化的程序语言,又称为“G”语言。使用这种语言编程时,基本上不写程
序代码,取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程
师所熟悉的术语、图标和概念,因此,LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采
集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以
大大提高工作效率。
利用 LabVIEW,可产生独立运行的可执行文件,它是一个真正的 32 位编译
器。像许多重要的软件一样,LabVIEW 提供了
Windows、UNIX、Linux、Macintosh 的多种版本。
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虚拟仪器(LabVIEW)在电控车辆实训系统中的应用
二、什么是虚拟仪器
虚拟仪器(virtual instrumention)是基于计算机的仪器。计算机和仪器
的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式,一
种是将计算机装入仪器,其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能
的日益强大以及其体积的日趋缩小,这类仪器功能也越来越强大,目前已经出现
含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及
操作系统为依托,实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。
三、虚拟仪器的主要特点有:
(一)尽可能采用了通用的硬件,各种仪器的差异主要是软件。
(二)可充分发挥计算机的能力,有强大的数据处理功能,可以创造出功能
更强的仪器。
(三)用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究
中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内,
使用较为广泛的计算机语言是美国 NI 公司的 LabVIEW。
四、虚拟仪器的发展
(一)GPIB→VSI→PXI 总线方式(适合大型高精度集成系统)GPIB 于
1978 年问世,VXI 于 1987 年问世,PXI 于 1997 年问世。
(二)PC 插卡→并口式→串口 USB 方式(适合于普及型的廉价系统,有
广阔的应用发展前景)PC 插卡式于 80 年代初问世,并行口方式于
1995 年问世,串口 USB 方式于 1999 年问世。
虚拟仪器的起源可以追溯到 20 世纪 70 年代,那时计算机测控系统在国防、
航天等领域已经有了相当的发展。PC 机出现以后,仪器级的计算机化成为可能,
甚至在 Microsoft 公司的 Windows 诞生之前,NI 公司已经在 Macintosh 计算
机上推出了 LabVIEW2.0 以前的版本。对虚拟仪器和 LabVIEW 长期、系统、有
效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前 LabVIEW 的最新版
LabVIEW8.6,LabVIEW 8.6 为多线程功能添加了更多特性,这种特性在
1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 软件,用户可以借助于它提供
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的软件环境,该环境由于其数据流编程特性、LabVIEW Real-Time 工具对嵌入
式平台开发的多核支持,以及自上而下的为多核而设计的软件层次,是进行并行
编程的首选。普通的 PC 有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机
测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了
VXI 标准,这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡,为了保证仪器的性
能,又采用了较多的硬件,但这些卡式仪器本身都没有面板,其面板仍然用虚拟
的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的 VXI 机箱,再与计算机相连,就
组成了一个测试系统。VXI 仪器价格昂贵,目前又推出了一种较为便宜的 PXI 标
准仪器。虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。
目前使用较多的是 IEEE 488 或 GPIB 协议。未来的仪器也应当是网络化的。
综上所述,虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。1.计算机是载体。2.软件
是核心。3.高质量的 A/D 采集卡及调理放大器是关键。
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虚拟仪器(LabVIEW)在电控车辆实训系统中的应用
第二章 虚拟仪器技术
一、什么是虚拟仪器技术
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各
种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户
界面,模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成,标准的软硬件平台能满足
对同步和定时应用的需求。这也正是 NI 近 30 年来始终引领测试测量行业发展趋
势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化 I/O 硬件和用于集成的软硬件
平台这三大组成部分,才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间
少,以及出色的集成这四大优势。
虚拟仪器技术的三大组成部分:
(一)高效的软件
软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调
用特定的程序模块,工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人
机交互界面。提供的行业标准图形化编程软件——LabVIEW,不仅能轻松方便
地完成与各种软硬件的连接,更能提供强大的后续数据处理能力,设置数据处理、
转换、存储的方式,并将结果显示给用户。此外,还提供了更多交互式的测量工
具和更高层的系统管理软件工具,例如连接设计与测试的交互式软件
SignalExpress、用于传统 C 语言的 LabWindows/CVI、针对微软 Visual
Studio 的 Measurement Studio 等等,均可满足客户对高性能应用的需求。
有了功能强大的软件,您就可以在仪器中创建智能性和决策功能,从而发挥
虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。
(二)模块化的 I/O 硬件
面对如今日益复杂的测试测量应用,已经提供了全方位的软硬件的解决方案。
无论您是使用 PCI, PXI, PCMCIA, USB 或者是 1394 总线,都能提供相应的模
块化的硬件产品,产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运
动、仪器控制、分布式 I/O 到 CAN 接口等工业通讯,应有尽有。高性能的硬件产
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虚拟仪器(LabVIEW)在电控车辆实训系统中的应用
品结合灵活的开发软件,可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义
的测量系统,满足各种独特的应用要求。
(三)用于集成的软硬件平台
专为测试任务设计的 PXI 硬件平台,已经成为当今测试、测量和自动化应用
的标准平台,它的开放式构架、灵活性和 PC 技术的成本优势为测量和自动化行
业带来了一场翻天覆地的改革。
PXI 作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台,
内建有高端的定时和触发总线,再配以各类模块化的 I/O 硬件和相应的测试测量
开发软件 ,您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数
据采集应用,还是高端的混合信号同步采集,借助 PXI 高性能的硬件平台,您都
能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。
二、虚拟仪器技术的四大优势:
(一)性能高
虚拟仪器技术是在 PC 技术的基础上发展起来的,所以完全“继承”了以现成即
用的 PC 技术为主导的最新商业技术的优点,包括功能超卓的处理器和文件 I/O,
使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外,不断发展的
因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。
(二)扩展性强
这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于软
件的灵活性,只需更新您的计算机或测量硬件,就能以最少的硬件投资和极少的、
甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候,您可以
把它们集成到现有的测量设备,最终以较少的成本加速产品上市的时间。
(三)开发时间少
在驱动和应用两个层面上,NI 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯
方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作,
同时还提供了灵活性和强大的功能,使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改
高性能、低成本的测量和控制解决方案。
(四)无缝集成
虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断
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