重磅LabVIEW初级入门教程.docx
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重磅LabVIEW初级入门教程
概述
本次介绍使用LabVIEW来进行仪器控制的各种方法。
要求学生学会串行I/O、GPIBI/O和VISAI/O的使用方法，同时也可以验证LabVIEW本身提供的仪器驱动程序。
本次的实验设备要求一块已安装的GPIB卡，一台GPIB仪器以及LabVIEW开发系统。
串行通讯
串行通讯是一种常用的数据传输方法，它用于计算机与外设，例如一台可编程仪器，或者与另外一台计算机之间的通讯。
串行通讯中发送方通过一条通讯线，一次一个字节，把数据传送到接收方。
由于大多数电脑都有一至两个串行通讯接口，因此，串行通讯非常流行。
许多GPIB仪器也都有串行接口。
然而，串行通讯的缺陷是一个串行接口只能与一个设备进行通讯。
一些外设需要用特定字符来结束传送给它们的数据串。
常用的结束字符是回车符、换行符或者分号。
具体可以查阅设备使用手册以决定是否需要一个结束符。
在LabVIEW功能模板的InstrumentI/O>Serial程序库中包含进行串行通讯操作的一些功能模块：
1.SerialPortInitVI模块用于初始化所选择的串行口。
Flowcontrol设置握手方式的参数。
Buffersize设置程序分配的输入/输出缓冲区的大小。
Portnumber决定通讯接口地址。
Baudrate,databits,stopbits和paritP等设置通讯参数。
2.SerialportwriteVI模块把Stringtowrite中的数据写到portnumber指定的串行接口中。
3.SerialportreadVI模块从Portnumber指定的串行接口中读取requestedbPtecount指定的字符个数。
4.BPtesatserialportVI模块计算由Portnumber指定的串行接口的输入缓冲区中存放的字节个数，并将该数值存放于BPtecount中。
在下面的实例中，实现从一台串行仪器中读取测量值。
首先，用SerialPortInit模块初始化串行接口，然后，用SerialPortWrite模块把命令参数发送给仪器，接着用BPtesatSerialPort模块查明在串行输入缓冲区中已经读入的字节个数，最后用SerialPortRead模块读取仪器数据。
第三课仪器控制
（2）之GPIB仪器
GPIB程序库中包括IEEE488.2应用程序和传统的GPIB应用程序。
GPIB488.2应用程序中增加了IEEE488.2兼容性，具有IEEE488.2的功能。
然而，在本课程中，我们只讨论传统的GPIB应用程序。
惠普公司在60年代末和70年代初开发了GPIB通用仪器控制接口总线标准。
IEEE国际组织在1975年对GPIB进行了标准化，由此GPIB变成了IEEE488标准。
术语GPIB，HP-IB和IEEE488都是同义词。
GPIB的原始目的是对测试仪器进行计算机控制。
然而，GPIB的用途十分广泛，现在已广泛用于计算机与计算机之间的通讯，以及对扫描仪和图像记录仪的控制。
GPIB是一个数字化的24线并行总线。
它包括8条数据线，5条控制线（ATN、EOI、IFC、REN和SRQ），3条握手线和8条地线。
GPIB使用8位并行、字节串行的异步通讯方式。
也就是说，所有字节都是通过总线顺序传送，传送速度由最慢部分决定。
由于GPIB的数据单位是字节（8位），数据一般以ASCII码字符串方式传送。
有三种方式来标明传送数据结束。
通常，GPIB包括一根连接线（EOI），用来传送数据完毕信号。
或者，也可以在数据串结束处放入一个特定结束符（EOS）。
有些仪器用EOS方法代替EOI信号线方法，或者两种方法一起使用。
还有一种方法，听者（数据接收方）可以计数已传送的数据字节，当达到限定的字节数时停止读取数据。
只要EOI，EOS和限定字节数的逻辑“或”值为真，数据传送就停止。
一般字节计数法作为缺省的传送结束方法，典型的字节数限定值等于或大于需要读取的数据值。
每个设备，包括计算机接口卡，必须有一个0到30之间的GPIB地址。
一般GPIB接口板设置为地址0，仪器的GPIB地址从1到30。
GPIB有一个控者（你的电脑）来控制总线。
在总线上传送仪器命令和数据，控者寻址一个讲者，一个或者多个听者。
数据串在总线上从讲者向听者传送。
LabVIEW的GPIB程序包自动处理寻址和大多数其他的总线管理功能。
GPIB软件包：
LabVIEW在InstrumentI/O功能模板的GPIB和GPIB488.2子模板下有许多GPIB通讯功能子程序模块，这些模块在工作平台上可以调用低层的488.2驱动软件。
大多数的GPIB应用程序只需要从仪器读写数据串。
下面讨论传统的GPIBWrite/Read子程序模块。
GPIBWrite模块把datastring中的数据写入addressstring指定的设备中。
Mode指定如何结束GPIB写入过程，如果在timeoutms指定的时间内操作未能完成，则放弃此次操作。
ErrorIn和ErrorOut字符串与出错处理程序配合使用，检测可能的出错情况。
Status是16位的布尔逻辑数组，每个元素代表GPIB控者的一种状态，详见本课程的稍后部分。
在上图程序中，GPIBWRITE模块把“VDC；MEAS1？
；”字符串写入地址=2的GPIB设备中，本实例采用缺省值MODE=0，timeoutms=25000。
GPIBREAD模块从addressstring指定地址的GPIB设备中读取由bPtecount指定的字节数，用户可以使用Mode参数指定结束读取的条件，与bPtecount一起使用。
读取的数据由datastring返回。
用户必须把读取的字符串转换成数值数据，才能进行数据处理，例如进行曲线显示。
ErrorIn和ErrorOut是出错指示数簇。
GPIBREAD模块遇到下列情况之一则中止读取数据：
（1）程序已经读取了所要求的字节数。
（2）程序检测到一个错误。
（3）程序操作超出时限。
（4）程序检测到结束信息（由EOI发出）。
（5）程序检测到结束字符EOS。
如上图所示的程序中，GPIBRead从地址=2的设备中读取20个字节的数据。
该程序使用了缺省值MODE=0，TIMEOUTMS=25000。
在本例中，如果读够了20个字节，或者检测到EOI，或者超出25000ms时间，读取过程将结束。
应用练习目的：
使用GPIB子程序模块与GPIB设备通讯。
建立一个与任何GPIB仪器通讯的程序。
本例采用传统的GPIB子程序与指定仪器进行GPIB读写操作。
命令行参数“Kidn?
”适用于大多数IEEE488.2兼容仪器，它要求仪器返回其标识符。
前面板：
1、从FILE菜单中选择NEW打开一个新面板。
2、建立上图所示的控制和显示（请记住，从程序框图中，选择相应的功能模块，再选择CreateControl或者CreateIndicator,可以产生所有的控制和显示）。
3、从“写入数据”控制栏中输入“Kidn?
”，在“字节计数”中输入数值100。
程序框图：
1、打开框图编程窗口。
2、创建如上图所示的框图子程序模块。
GPIBWrite功能模块（在InstrumentI/O:
:
GPIB子模板）。
该模块把字符串写入GPIB仪器。
GPIBRead功能模块（在InstrumentI/O:
:
GPIB子模板）。
该模块从GPIB仪器中读取数据字符串。
GeneralErrorHandler功能模块（在TIME&DIALOG子模板）。
该模块检查出错报告字符串，如果发现错误，则显示一个对话框。
3、返回到前面板，并运行该程序。
在“读出数据”显示栏中将显示仪器的标识字符串，如果无数据返回，而接收到一个GPIB出错信息，EABO，或者error=6，这就表示你的仪器不能读命令参数“Kidn?
”.请查阅仪器的使用手册以找出合适的相应命令。
4、把上述程序以GPIB.vi的名字保存，然后关闭。
第三课仪器控制（3）之VISA编程
VISA是虚拟仪器软件结构体系（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture）的简称。
VISA是在所有LabVIEW工作平台上控制VPI、GPIB、RS-232以及其他种类仪器的单接口程序库。
VISA是由组成VPIplug&plaP系统联盟的35家最大的仪器仪表公司所统一采用的标准。
采用了VISA标准，就可以不考虑时间及仪器I/O选择项，驱动软件可以相互相容使用。
VISA包含的功能模块在InstrumentI/O>VISA子模板中。
大多数的VISA功能模块使用了VISAsession参数，该参数在Control模板的PathandRefnum子模板中。
VISAsession是每次程序操作过程的唯一逻辑标识符。
它标识了与之通讯的设备名称以及进行I/O操作必需的配置信息。
它由VISAOpen功能模块产生，提供给VISA主功能模块使用。
VISAOpen功能模块产生标识信息，然后把它传送给下一个VISA功能模块。
这样简化了数据流编程。
它相似于文件I/O模块的参考名功能。
VISAsession的缺省值是Instr。
如果需要，可以打开VISAsession选择如下值：
Instr、GPIBInstr、SerialInstr和VISA/GPIB-VPIRBDInstr。
下面介绍常用的VISA功能模块：
VISAOpen、VISAWrite、VISARead和VISAClose。
VISAOpen根据ResourceName和VISAsession与指定的设备建立通讯。
模块返回VISAsession标识值，使用该标识值就可以调用此设备的任何其他的操作功能。
Errorin和Errorout字符串包含出错信息。
ResourceName包含I/O接口类型以及设备地址等信息。
其编程语法如下表所示：
接口程序语句SERIALASRL[board][:
:
INSTR]GPIBGPIB[board]:
:
primarPaddress[:
:
secondarPaddress][:
:
INSTR]VPIVPI[board]:
:
VPIlogicaladdress[:
:
INSTR]GPIB-VPIGPIB-VPI[board][:
:
GPIB-VPIprimarPaddress]:
:
VPIlogicaladdress[:
:
INSTR]关键词GPIB用于同GPIB设备建立通讯，关健词VPI通过嵌入式或MPI总线控制器同VPI仪器建立通讯，关键词GPIB-VPI用于GPIB-VPI控制器，关键词SERIAL用于异步串行设备通讯。
在上例中，VISAopen模块通过仪器描述字符串“GPIB:
:
2:
:
0:
:
INSTR”与主地址=2的GPIB设备建立通讯。
VISAWrite模块把writebuffer中的字符串写入VISAsession指定的设备。
dupVISAsession向下传送相同的session值。
在UNIP工作平台上，数据同步写入；在其他工作平台上，数据异步写入。
returncount返回实际传送的字节数。
errorin和errorout字串包含出错状况。
VISARead读取由VISAsession指定设备中的数据。
bPtecount指明读入readbuffer中的字节数。
磅VISAsession向下传送相同的session值。
在UNIP工作平台上，数据同步读入；在其他工作平台上的数据异步读入。
returncount返回实际传送的字节数。
errorin和errorout字串包含出错状况。
VISAClose关闭由VISAsession指定设备的通讯过程，释放系统资源，errorin和errorout字串包含出错状况。
应用练习
目的：
用VISA模块与GPIB设备或者串行设备通讯。
本练习使用VISA功能模块向指定设备（GPIB或者串行设备）读写数据。
命令参数“Kidn？
”适用于大多数仪器，无论是GPIB通讯或者串行通讯。
它返回仪器的标识字串。
本课中所有VISA练习都是根据Fluke45万用表编程。
前面板：
1.打开一个新的前面板，并且照上图建立控制和指示件。
VISAsession控制件可以在CONTROLS模板中的Path&Refnum子模板中找到。
也可以通过VISAOpen功能模块创建。
2.ResourceName控制件应包含下列值：
K对于地址=2的GPIB仪器：
“GPIB:
:
2:
:
0:
:
INSTR”K对于COM1上的串行仪器：
“ASRL1:
:
INSTR”3.在WriteBuffer字串控制栏中输入“Kidn?
”，在BPteCount控制栏中输入100。
程序框图：
1.打开框图窗口。
2.按照上图选择创建框图对象并连接线。
调用了下面的模块：
VISAOpen功能模块（在InstrumentI/O:
:
VISA子模板）。
此模块打开通讯过程，并产生VISAsession参数。
VISAWrite功能模块（在InstrumentI/O:
:
VISA子模板）。
此模块把数据串写入指定设备。
VISARead功能模块（在InstrumentI/O:
:
VISA子模板）。
此模块从指定设备中读入数据。
VISAClose功能模块（在InstrumentI/O:
:
VISA子模板）。
此模块关闭VISASession。
3.返回前面板并运行该程序。
VISAsession控制件保持为设置值INSTR。
如果要修改此参数，可以打开VISAsession控制件，选择VISAClass值。
根据Resourcename的设置值，可以选择与GPIB或者串行设备进行通讯。
4.以VISA.vi文件名保存该程序，并关闭程序
第四课分析处理（3）之数字滤波器
数字滤波器用于改变或消除不需要的波形。
它是应用最广泛的信号处理工具之一。
两种数字滤波器分别是：
FIR（有限脉冲响应）和IIR（无限脉冲响应）滤波器。
FIR滤波器可以看成一般移动平均值，它也可以被设计成线性相位滤波器。
IIR滤波器有很好的幅值响应，但是无线性相位响应。
带通、带阻与过渡带宽带通指的是滤波器的某一设定的频率范围，在这个频率范围的波形可以以最小的失真通过滤波器。
通常，这个带通范围内的波形幅度既不增大也不缩小，我们称它为单位增益（0dB）。
带阻指的是滤波器使某一频率范围的波形不能通过。
理想情况下，数字滤波器有单位增益的带通，完全不能通过的带阻，并且从带通到带阻的过滤带宽为零。
在实际情况下，则不能满足上述条件。
特别是从带通到带阻总有一个过渡过程，在一些情况下，使用者应精确说明过渡带宽。
带通纹波和带阻衰减在有些应用场合，在带通范围内放大系数不等于单位增益是允许的。
这种带通范围内的增益变化叫作带通纹波。
另一方面，带阻衰减也不可能是无穷大，我们必须定义一个满意值。
带通纹波和带阻衰减都是以分贝（dB）为单位，定义如下：
dB=20×log（Ao（f）/Ai（f））其中，Ao（f）和Ai（f）是某个频率等于f的信号进出滤波器的幅度值。
例如，假设带通纹波为-0.02dB，则有：
-0.02=20×log（Ao（f）/Ai（f））Ao（f）/Ai（f）=10∧（-0.001）=0.9977可以看到，输入/输出波形幅度是几乎相同的。
假设带阻衰减等于-60dB,则有：
-60=20×log（Ao（f）/Ai（f））Ao（f）/Ai（f）=10∧（-3）=0.001输出幅值仅是输入幅值的千分之一。
衰减值用分贝表示时经常不加负号，我们已经设定它为负值。
应用练习
目的：
用数字滤波器消除不需要的频率分量前面板：
1.打开LowPassFilter.vi程序。
这个程序设计了一个低通巴特沃斯滤波器，从输入信号中滤除10Hz分量。
2.转换到框图程序。
框图程序：
1.验证主框图程序，它使用了下面的子程序：
ButterworthFilterVI子程序（在AnalPsis>Filters子目录）。
在本例中，采用巴特沃斯滤波器，指定滤波器阶数与截止频率，滤除输入正弦波中的高频分量，把输出波形在屏幕上显示。
2.运行该程序，改变滤波器阶数，观察滤波器的效果。
虽然在LabVIEW中使用数字滤波器很简便，但还是需要你对数字信号处理的理论有一个基本了解。
为此，VI公司提供了一个附加的工具软件，叫作数字滤波器设计工具箱（DigitalFilterDesignToolkit）。
该软件用LabVIEW开发，有很好的交互式图形用户界面。
可以把所设计的滤波器集成到LabVIEW、LabWindows/CVI或者其他的编程环境。
第四课分析处理（4）之曲线拟合
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20KK-8-15
曲线拟合的目的是找出一系列的参数a0,a1,……,通过这些参数最好地模拟实验结果。
下列是LabVIEW的各种曲线拟合类型：
K线性拟合–把实验数据拟合为一条直线P[i]=a0+a1KP[i]K指数拟合–把数据拟合为指数曲线P[i]=a0KePp（alKP[i]）K多项式拟合–把数据拟合为多项式函数：
P[i]=a0+a1KP[i]+a2KP[i]^2…K通用多项式拟合–与多项式拟合相同，但可以选择不同的算法，以获得更好的精度和准确性。
K通用线性拟合–公式为P[i]=a0+a1Kf1（P[i]）+a2Kf2（P[i]）…,这里P[i]是参数a0,a1,a2…等的线性组合。
通用线性拟合也可以选择不同的算法来提高精度和准确度。
例如：
P=a0+a1Ksin（P）是一个线性拟合。
因为P与参数a0,a1有着线性关系。
同样道理，多项式拟合也总是属于线性拟合，但是它可以采用一些特殊算法以提高拟合处理的速度和精度。
KGeneralLevenberg-Marquardt拟合–把数据拟合为公式P[i]=f（P[i],a0,a1,a2…）。
其中a0,a1,a2…是参数。
这种方法是最通用的方法，它不需要P与a0,a1,a2…有线性关系。
它可用于线性或非线性拟合，但一般用于非线性拟合，因为对于线性曲线的处理采用通用线性拟合方法更加快捷。
这种方法不能保证结果一定正确，所以，有必要验证拟合结果。
应用练习
目的：
对指数关系数据进行线性拟合前面板：
1.打开LinearCurveFit.vi程序。
这个例子假设我们收集了10对实验数据t和P，我们有理由相信它们之间有线性关系。
2.切换到框图程序。
框图程序：
1.验证框图程序，它使用了如下的子程序：
LinearFit子程序（在AnalPsis>CurveFitting子模板）。
在本例中，它把实验数据拟合为一条直线，求出系数a和b，以满足P[i]=a+bKt[i]；以及实验结果和拟合结果之间的误差的均方根值。
2.输入数据是一个两维数组，是采用DAQ卡采集数据时的通用格式。
我们用IndePArraP子程序可以分解得到两个一维数组P[i]与t[i]。
3.“MSE”表示误差均方根值，误差越小，拟合结果越好。
4.运行该程序。
曲线将显示实验数据和拟合结果。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
应用练习2
目的：
对指数数据执行多项式拟合前面板：
1.打开PolPnomialFit.vi程序。
这个例子假设实验数据之间为多项式关系：
P[i]=a0+a1Kt[i]+a2Kt[i]^2…2.当多项式为一阶时，有两个参数，结果是一个线性拟合，与前一个例子相同。
当阶数为二阶时，结果是一个二阶多项式带三个参数，多项式参数存放于数组a[i]。
3.切转到框图程序。
框图程序：
1.验证框图程序，它使用了如下的子程序：
GeneralPolPnomialFit.vi子程序（在AnalPsis>CurveFitting子目录）在本例中，把实验数据拟合为二阶多项式曲线，返回结果为拟合数据，多项式系数以及拟合误差的均方根值。
2.本例使用多项式拟合，求出了多项式系数a0,a1,a2等。
一般情况下，我们总是尽可能使用最低阶的多项式。
3.运行程序。
将显示实验数据和拟合结果的数据。
串口通信协议示例与分析
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20KK-8-15
align="left"cellpadding="10"cellspacing="0">变频器与个人电脑使用RS-232/RS-485串行总线连接，如下所示：
在通讯操作中，通过个人电脑以命令方式控制仪器。
通讯数据格式：
l起始位：
1位
l数据位：
8位
l奇偶位：
无
l停止位：
1位
应答及命令格式：
l命令模式
：
：
－数据头，只有以：
：
开头的数据包才认为有效。
AD－设备号，当前通讯的设备ID。
？
－指明该数据是PC发出的指令。
RI－响应时间，从PC发出命令到仪器应答的时间。
SC－和检验码，等于图中“和校验范围”所示各位相加。
l应答模式
#－指明该数据是仪器发回的应答数据。
其它同上。
l故障模式
%－指明该数据是仪器发回的故障数据。
其它同上。
协议说明：
无论是控制仪器还是查看仪器数据都需要PC发出相应的命令；只要PC发出命令（前提是与仪器正常通讯），仪器都会返回数据（应答或故障）。
使用LabVIEW编写通信模块：
1.主要节点：
Functions->InstrumentI/O->VISAResourceNameConstant,Functions->InstrumentI/O->Serial->VISAConfigSerailPort,VISARead,VISAWrite,VISAClose
2.串口设置：
根据仪器说明设置如波特率等等串口参数。
超时设置根据上述RI。
3.写串口指令：
根据上述“命令模式”的格式包装命令数据，和校验由“和校验范围”中数位相加而得，所以之前应该写一子VI用来计算和校验。
建议使用以下变量来包装数据：
lprefiP：
前缀，这里是：
：
ldevID：
设备号
ltPpe：
通讯类型（这里是？
），可以与RI合并
lcmdNum：
命令号
lcmdValue：
命令号对应的命令值
lsumVerifP：
和校验码
lend：
结束字符
注意：
一般协议要求“命令内容”满足一定的位数，所以应该做一个子VI，专门在那些数位不够的命令前补足空格或0。
4.读串口数据：
系统为串口开辟了一定大小的缓冲队列空间，仪器应答数据首先发送到这个缓冲空间（空间数据堆满时自动移除最早的数据），然后程序从中一次读取指定的数位并将其从中移除。
建议读取方式：
（1）读1bPte，判断是否：
（3A），是则继续；否则返回步骤
（1），重新开始。
（2）再次读1bPte，判断是否：
（3A），是则继续；否则返回步骤
（1），重新开始。
（3）读应答模式中除去：
：
剩余的字节，循环读取，每次读一个字节，当读到的字节数达到数量，继续；若读取超时，返回步骤
（1），重新开始。
（4）分析读到的bPtes，判断和校验码是否正确。
若正确，继续；否则，返回步骤
（1），重新开始。
（5）取第三个bPte，如果是#，说明“应答模式”；如果是％，说明“故障模式”。
（6）按照应答或者故障模式，分离出相应的命令号和命令值。
（7）一些类型转换。
至此，一次读取过程结束。
5.由于一次通讯包含一次写命令和一次读数据，所以最好把写和读模块封装成一个子VI。
如何使用树控件
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20KK-8-15
align="left"cellpadding="10"cellspacing="0">
1.插入树控件
在前面板放置ControlsPalette->ActiveP->Container,在其鼠标右键菜单上选择“InsertActivePObject”，然后选择“MicrosoftTreeViewControl6.0版”。
2.树控制节点的位置
在\NationalInstruments\LabVIEW6.1\ePamples\comm目录下有一个TreeControl.llb文件，包含了若干个使用的数控制节点。
注：
以下使用的树控件节点，在TreeControl.llb都可以找到。
3.插
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