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LabVIEW的应用

来源:北京瀚文网星科技有限责任公司作者:北京瀚文网星科技有限责任公司网址:http://www.bjcyck.com

                LabVIEW的应用

LABVIEW有很多优点,尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。

(一)测试测量

LABVIEW最初就是为测试测量而设计的,因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。经过多年的发展,LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认。至今,大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序,使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时,用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能,用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数,就可以组成一个完整的测试测量应用程序。

例如,在工程测试信号的分析中, 相关分析是一个非常重要的概念, 通过引入虚拟仪器,解决了传统分析手段不直观、效率低的弊端。

     1.相关分析的基本概念   对于确定性的信号来说, 两个变量之间可用函数关系来描述,两者一一对应并为确定的数值。两个随机变量之间就不具有这样 确定的关系, 但如果这两个变量之间具有某种内涵的物理联系, 那么大量统计发现它们之间还是存在着某种虽不精确但却具有相应的.表征其特性的近似关系。所谓“相关”是指变量之间的线性关系。我们可以根据需要分析两个信号或同一信号在不同时刻的相似性。

      自相关函数的定义和性质信号x(t)的自相关函数描述信号在一个时刻的取值和另一个时刻取值之间的相似关系,可定义为:

       互相关函数有以下性质: (1) 互相关函数的峰值不一定在 ! =0 处, 峰值点偏离原点的距离表示两信号取得 最大相关程度的时移 !。 (2)Rxy(!)=Ryx(-!), 互相关函数是一非 奇非偶函数, 但当 x(!)和 y(!)取值互换时, 则互相关函数的图形以纵坐标成镜像对称。 (3) 周期信号的互相关函数也是同频率 的周期信号, 而且还保留了原信号的相位差 信息。

      2.基于 LabView 的相关函数分析 相关函数分析的前面板设计包含了用户 控制、时域波形显示及相关分析输出三部分 (见图 1) 用户控制部分包含两个信号类型控 件、五个数字控件和一个 STOP 控件。信号 类型控件控制两个信号通道产生的不同信 号 , 包 括 sine、cosine、triangle、square、saw- tooth、increasing ramp、decreasing ramp 七 种 常见信号: 五个数字控件中, 信号频率数字 控件用来控制两个虚拟信号发生仪所生成 信号的频率, 另外四个数字控件用来分别 进行两个信号的幅值和相位参数设置。用 户可以根据需要选择键入所要分析的信号。

(二)控制

     控制与测试是两个相关度非常高的领域,从测试领域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。LabVIEW拥有专门用于控制领域的模块----LabVIEWDSC。除此之外,工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序。使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。

例如,在计算机控制中的应用。

1 试验装置功能介绍

  本试验装置应具备功能如下:可以开展计算机输入输出技术的试验;可以进行试验法确定控制对象数学模型的试验;可以开展数据处理试验;可以进行控制算法试验。可以开展综合控制试验。

2 试验装置系统主要硬件组成

实验系统由信号发生器、温控炉、试验接线印刷板、数据采集卡、计算机等组成如图1所示。

3系统所需电源

系统中温控炉、试验印刷板所需直流电源由信号发生器供给。试验系统中所需直流电源范围为±12 V,±10V, ±5V.其中±12及±5V为温控炉测量转换电路所需电源;±10V提供给数据采集卡作A/D转换试验使用;温控炉加热所需220V电源直接由试验台供给。

4温控炉控制原理及电路实现

  温控炉主控电路如图2所示。在加温前,先有计算机键盘或鼠标通过虚拟仪器输入温度给定值,上电后温控炉内的检测元件检测到实时温度后经试验板、数据采集卡作D/A变换,然后送到计算机进行数据处理。处理完毕后将处理好的控制信号经数据采集卡送到印刷接线板,由印刷接线板送出到温控炉的控制线路板上CONTROL INPUT端子,通过此信号改变加热元件功率,达到控温目的。

图2 温控炉主控控电路图

温度信号的检测电路转换电路如图3所示。温度信号检测采用热敏电阻作测量元件,实时温度经过图2所示转换放大电路将温度信号变为-10V——+10V的电压信号,通过实验板进入数据采集卡作A/D转换后,送入计算机作数据处理。图2中,W1为调零电位器。

图3 温度信号检测及转换电路图

5 PCL-818数据采集卡

本系统采用了研华科技的PCL—818-B数据采集卡. PCL-818 是一系列高性能、多功能 DAS 卡,能够提供五种最常用的测量和控制功能:100KHZ的12 位 A/D 转换、D/A 转换、数字量输入、数字量输出和可编程计数器/定时器, 具有较强的数据采集、A/D转换、D/A转换、数字量输入输出、自动检测设定的通道和定时/计数等功能, 还带 DMA 的自动通道/增益扫描,具有较高的性价比。支持单端方式下16 个数字量输入和 16 个数字量输出,差分方式下8个数字量输入和8个数字量输出。软件支持包括 VisiDAQ 3.1TM、ActiveDAQ、LabVIEWTM 和 Windows 3.1/95/NT 高速 DLL 驱动程序。

6系统软件设计

  本系统软件设计采用虚拟仪器 (Virtual Instruments, VI)技术,VI是由用户利用一些基本硬件及软件编程技术组成的各种各样的仪器系统,它的功能是可由用户自己定义的。在VI的技术的支持下,用户可以随心所欲地根据自己的意愿,设计自己的仪器系统。它集成测量计、记录、信号分析、控制等功能于一体,在同一基本硬件上配置不同的软件而实现。

  本系统的开发环境是美国国家仪器公司 (NationalInstruments,NI)推出的虚拟仪器应用软件开发平台LabVIEW7.0, LabVIEW是一个基于图形化编程语言(G语言)的虚拟仪器开发环境,它提供了一种全新的编程方法,利用LabVIEW,可以通过交互式的图形化前面板来设计控制系统,例如:可以对几千种硬件设备(GPIB、VXI、PXI、RS—232、RS—485、PLC、插入式数据采集卡等)进行数据采集;可以通过网络、交互应用通讯和结构化查询语言(SQL)等方式与其他数据源相联;可以利用其功能强大的数据分析程序对原始数据进行分析,得到有意义的结果并加以显示输出。

7仪器驱动程序

  仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器, 并设置特定的参数和工作方式, 使虚拟仪器保持正常的工作状态。研华科技的PCL-818系列数据采集卡提供了LabVIEW的软件支持,所以,按照提示就可以完成该卡的驱动程序安装。各主要选项选择如下:

  Board Type:PCL-818L

A/D Channels Configuration: 8 Differential

8应用程序

  应用程序主要对输入计算机的数据进行分析和处理,定义虚拟仪器的功能。应用程序包括数据的采集和存储、波形的显示和回放、数据的处理。

  数据采集模块采用了Function模板/All Functions子模板/Data Acquisition子模板中的节点来控制数据采集卡进行数据采集。在设计时要求系统能对多通道进行数据连续采集,所以必须有通道选择控制。LabVIEW中的Measurement&Automation Explorer软件以浏览器的形式来配置采集设备及其通道。在使用相关功能时,可以配置设备的虚拟通道,在LabVIEW中进行编程时,直接指定这些虚拟通道的名称,就可以控制这些通道完成数据采集。在数据采集程序中,主要控制数据采集的通道、采样点数及扫描频率等各种参数。系统信号的采样点数及扫描频率用户可以根据不同信号的要求手动在前板上设置。

  在试验系统开发中,要求对采集数据的进行显示、处理, 还要进行保存,实现离线的数据分析。本系统采用的是电子表格文件(Spreadsheet Text File)来存储信号波形。该系统还能把任意一种试验数据备份到指定的位置。在已知备份文件的目录的前提条件下,可以通过数据模拟再现的功能把以前的数据调出来进行研究、分析。

为了配合教学,在软件系统设计时还应用了LabVIEW中分析信号和系统的环境。例如经典控制理论中的PID算法、信号分析的曲线拟合、傅立叶变换、数字滤波等功能;热敏电阻的非线性温度特性的曲线拟合等等。此外,也可利用其信号发生器生成了典型测试信号,如脉冲、阶跃、正弦等,对系统性能进行仿真分析。其G语言框图程序如图4所示。

图4 恒温控制的框图程序

9前面板程序

前面板程序与真实的物理仪器面板相似,用来提供虚拟仪器与用户的接口,用户可以通过键盘和鼠标对虚拟仪器面板上的开关,按钮等进行各种操作。本系统中加热炉恒温控制系统前面板如图5所示。

图5 恒温控制系统前面板

在前面板上,可以设置模拟通道、数据输出通道;设定控制参数如给定值、P、I、D参数值;可以利用按钮对系统的启动、停止进行控制;可以显示实时温度曲线、历史温度曲线。

    此外,还有如下等领域也有很多应用。

(三)仿真

     LabVIEW包含了多种多样的数学 运算函数,特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前,可以先在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型,验证设计的合理性,找到潜在的问题。在高等教育领域,有时如果使用LabVIEW进行软件模拟,就可以达到同样的效果,使学生不致失去实践的机会。

(四)儿童教育

    由于图形外观漂亮且容易吸引儿童的注意力,同时图形比文本更容易被儿童接受和理解,所以LabVIEW非常受少年儿童的欢迎。对于没有任何计算机知识的儿童而言,可以把LabVIEW理解成是一种特殊的“积木”:把不同的原件搭在一起,就可以实现自己所需的功能。著名的可编程玩具“乐高积木”使用的就是LabVIEW编程语言。儿童经过短暂的指导就可以利用乐高积木提供的积木搭建成各种车辆模型、机器人等,再使用LabVIEW编写控制其运动和行为的程序。除了应用于玩具,LabVIEW还有专门用于中小学生教学使用的版本。

(五)快速开发

      根据笔者参与的一些项目统计,完成一个功能类似的大型应用软件,熟练的LabVIEW程序员所需的开发时间,大概只是熟练的C程序员所需时间的1/5左右。所以,如果项目开发时间紧张,应该优先考虑使用LabVIEW,以缩短开发时间。

(六)跨平台

     如果同一个程序好的平台一致性。LabVIEW的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式机操作系统上:Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外,LabVIEW还支持各种实时操作系统和嵌入式设备,比如常见的PDA、FPGA以及运行VxWorks和PharLap系统的RT设备。