用LabVIEW进行数据处理与仿真方案的研究计算机论文.docx
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用LabVIEW进行数据处理与仿真方案的研究计算机论文
摘要
LabVIEW是NI公司推出的虚拟仪器技术的软件开发平台。
NI在虚拟仪器技术领域的不断壮大促使了LabVIEW在测试测量领域的普及。
随着近些年LabVIEW组件和功能的不断完善，其不仅局限在测试测量领域的应用，而且具备了开发应用软件能力。
VegaPrime是国际上比较流行的虚拟现实仿真工具之一，具备强大的三维视景开发能力。
本文所阐述的数据处理系统是基于LabVIEW和VegaPrime联合开发的。
该系统具备模拟生成飞行数据和三维实时显示的功能。
这套系统不仅具备友好的人机交互界面，还提供了程控方式，操纵杆控制等多种数据生成方式，并能够将实时数据在三维显示端通过虚拟场景显示出来。
本文首先介绍了LabVIEW图形化开发环境和虚拟现实技术的现状与发展，针对其各自特点及优势进行了探讨，确定选题的研究意义;在此基础上，本文详细阐述了数据处理系统的总体结构设计思想和软件开发过程;分析了三维实时显示系统的设计方案，重点阐述了LabVIEW下的软件开发过程和模块的设计实现。
本文针对数据处理系统的各种功能在LabVIEW下的实现进行了详细的分析，并予于具体实现。
关键词:
LabviEw，虚拟现实，vegaPrime，数据处理系统
ABSTRACT
LabVIEWisthevirtualinstrumenttechnologysoftwaredevelopmentplatformProposedbyNlCompany.ThegrowthofNIinthevirtualinstrumenttechnologyareahasfastenedthePrevalenceofLabVIEWintherestingandmeasuringarea.AlongwiththedevelopmentofLabVIEW’sfunctionandmodule,itsapplicationareahasalreadynotlimitedtotherestingandmeasuringarea.Itcanalsodevelopapplicationsoftware.VegaPrimeisoneofthepopularvirtualrealityemulationtechnologieswhichareof3-dimensionalscopedevelopmentability.ThedataprocessingsystemproposedinthepaperisdevelopedbasedLabVIEWandVegaPrime.Thissystemcansimulatethemissileflightdataandhasthe3-dimensionalrealtimedisplayfunction.Thissystemnotonlyprovidema-machineinteractioninterface，italsoprovidesthedatagenerationmodeofremotecontrolandjoystickcontrol.Inaddition,itcandisplaytherealtimedatein3-dimensionaldisplayterminalthroughvirtualscene.
ThisthesisfirstintroducestheLabVIEWgraphicdevelopmentenvironment，thecurrentstatusanddevelopmentofvirtualrealitytechnology.Thentheircharacteristicsandadvantagesarediscussedrespectively,basedonwhiehtheresearchpurportisdecided.Thepaperdiscussestheoverallframedesignconceptandsoftwaredevelopmentprocessofthedataprocessingsystem.Italsogivesadetail3-dimensionalrealtimedisplaysystemdesignscheme.ThepaperpaysspecialattentiontothesoftwaredevelopmentandmoduledesignrealizationprocessunderLabVIEWenvironment.Thepapergivesadetailanalysisontherealizationofthesoftware’sfunctionunderLabVIEW;thespecificrealizationschemeisalsoaddressed.
KEYWORDS:
LabVIEW,virtualreality,VegaPrime,dataproeessingsystem
目录
摘要1
ABSTRACT2
第一章综述4
1.1研究背景4
1.2LabVIEW图形化开发环境4
1.3虚拟技术4
1.4课题的意义和实现目标5
第二章LabView软件工程6
2.1概述6
2.2软件开发计划与管理6
2.3软件开发模型6
第三章数据处理系统总体方案设计7
3.1数据处理系统需求分析7
3.1.1系统概述7
3.1.2功能与目标7
3.1.3基本组成与各部件的功能7
3.1.4硬件技术指标7
3.1.5系统总体性能指标8
3.2数据处理系统结构设计8
3.2.1总体结构8
3.2.2网络传输协议选择9
第四章三维实时显示系统设计11
4.1功能概述11
4.2三维显示系统运行环境11
4.3虚拟现实仿真软件—砚——VegaPrime11
4.3.1VegaPrime概述11
4.3.2vega中的API函数11
4.3.3Vega应用程序基本框架12
4.4三维显示系统实现方案12
4.4.1三维几何建模与空间坐标系建立12
4.4.2场景驱动12
4.4.3三维实时显示软件设计13
第五章结论14
参考文献15
第一章综述
1.1研究背景
LabViEw（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器（NationalInstruments）公司（简称Nl）研发的一套创新软件产品，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。
30多年前，NI公司将虚拟仪器技术（Virsuallnstrumentation）的概念引入到测试测量领域，并取得了巨大的成功。
时至今日，虚拟仪器技术己经不能完全涵盖Nl在测试测量、控制和设计三大领域的内容，因此，虚拟仪器技术正在演进到一个全新的“图形化系统设计”时代。
在2007年的NIWeek上，NI总裁JamesTruchard博士在其题为“通过图形化系统设计方式提高生产率”的主题演讲中，对Nl的核心图形化编程软件平台LabVIEW的发展进行了总结和展望。
计算机硬件技术的发展，以及不断改进的计算机软件系统，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能;同时，人机交互系统设计的不断创新，新颖、实用输入输出设备的不断进入市场，令3D技术得到了突飞猛进的发展。
随着计算机技术与3D技术的发展，三维动画技术己经在各行各业都取得了广泛的应用。
而今，三维虚拟技术也开始在军事领域展现其巨大的优势作用。
在作战演练、方案模拟演示、虚拟作战环境演示、模拟三维军事飞机及装备、三维模拟仿真指挥训练、三维人防工程、数字化模拟仿真地形等军事应用与研究领域中随处可见三维虚拟技术的影子。
三维虚拟现实技术不仅可以模拟真实作战训练中的军事环节，还可以通过可视化的演示分析军事环境、人员培训、战地场景、武器装备、作战人员和军事装置等方式，帮助军事单位对作战方案与理论的研究，更为未来数字化军事提供了良好的技术平台基础。
1.2LabVIEW图形化开发环境
随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化。
从最初的模拟仪器发展到现在的数字化仪器、嵌入式系统仪器和智能仪器;新的测试理论、测试方法不断应用于实际;新的测试领域随着
学科门类的交叉发展而不断涌现;仪器结构也随着设计思想的更新而不断发展。
仪器技术领域的各种创新积累起来使现代测量仪器的功能和作用发生了质的飞跃。
尤其是以计算机为核心的设计思想以及仪器系统与计算机软件技术的机密结合，导致了仪器的概念发生了突破性的变化，出现了全新的仪器概念—虚拟仪器。
目前，在这个领域中使用较为广泛的计算机语言是美国Nl公司的LabVIEW。
LabviEW是美国Nl公司在20世纪80年代推出的一种基于“G”语言（GraPhiesLanguage，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发环境[[1]http:
Javer.ProfilingofCOTSReal-TimeDevelopmentEnvironments:
AnAnalysisoftheLabVIEWDevelopmentEnvironmentwiththeReal-Timemodule[Dissertation].Ottawa，Ontario.CarletonUniversity，2007.]。
1.3虚拟技术
虚拟现实（VirtualReality，简称VR）技术就是利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，通过自然技能使用传感设备与之相互作用的新技术，是计算机与用
户之间的一种更为理想化的人机界面形式。
虚拟现实技术融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用各种传感装置，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起。
操作者通过传感器装置与虚拟环境交互作用，可获得视觉、听觉、触觉等多种感知，并按照自己的意愿去改变“不随心，，的虚拟环境。
从概念上讲，虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看
似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自己的感觉，使用人的自然
技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件。
从本质上说，虚拟
现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等
直观而又自然的实时感知和交互，最大限度地方便用户进行操作，使参与者“沉
浸”于模拟环境中[[3]JamesD.Foley，AndriesVanDam,StevenK.Feiner,JohnF.Hughes.ComputerGraphies:
PrinciplesandPractice.Addison-Wesley,1990.]。
1.4课题的意义和实现目标
本课题本系统主要分为服务器端和客户端两个部分，并分别进行开发。
目标是利用计算机、图形工作站、交换机和游戏操纵杆构建一个小型局域网，实现模拟导弹飞行数据的产生及实时三维显示的功能。
在服务器端，利用VegaPrime虚拟现实仿真工具开发一个三维虚拟现实场景，用以模拟导弹的飞行轨迹与姿态;在客户端，利用LabVIEW开发一套模拟源应用软件，通过不同方式产生三维虚拟场景所需要的数据，并将数据实时发送给服务器。
针对以上目标，本文主要完成了以下的工作。
第二章LabView软件工程
2.1概述
软件工程就是研究如何优化软件开发过程、确保软件开发质量的方法、标准和程序。
虽然LabVIEW采用的图形化编程方式具有简单直观的特点，但是对于复杂应用程序的开发，软件工程的一般原则和方法仍然是适用的。
如果在软件需求分析、设计、编码、测试和文档编写过程中贯彻软件工程的原则，那么在应用程序开发的经济性、可靠性和可维护性方面的回报将是显著的。
LabVIEW作为一个工业标准的软件开发平台，为编写满足软件工程化要求的高质量应用程序提供了专业的开发包。
一般来说，一个应用程序的质量和性能都可以从程序的灵活性、可扩展性、可维护性、代码重用性以及可读性中体现出来。
这些通用性能标准同样可以衡量图形化编程语言编写的LabVIEW应用程序[[6]杨乐平，李海涛，赵勇，杨磊，安雪澄.LabVIEW高级程序设计.北京:
清华大学出版社，2003.]。
2.2软件开发计划与管理
高质量的软件开发离不开周密的计划和规范的管理。
在LabVIEW应用软件开发过程中应该认真分析用户需求，确定软件开发计划，然后按照设计要求进行编码，最后把握好系统测试和系统维护两个重要关口。
如图2.1所示为一个简单的软件开发过程示意图。
图2.1软件开发过程示意图
2.3软件开发模型
生命周期模型（life-cyclemodel）是软件工程中的一个重要概念，描述了包含软件需求分析、设计、编码、测试、交付使用、维护和支持，一直到软件升级在内的一系列软件开发步骤。
现行的软件生命周期模型有边写边改模型、“瀑布”模型、快速原型模型，以及目前正受到越来越多重视的“螺旋”模型。
这四种生命周期模型在软件开发周期、软件质量以及风险处理方面都各有特点。
第三章数据处理系统总体方案设计
3.1数据处理系统需求分析
3.1.1系统概述
数据处理系统由三维实时显示系统和三维模拟源系统两部分组成。
该系统以图形工作站为实时显示终端，根据模拟源产生的数据实时地显示导弹和飞机的运行轨迹及姿态。
3.1.2功能与目标
数据处理系统的主要功能包括模拟源可控输出和实时三维场景显示。
该系统的设计目标是:
a）保证系统可以安全、可靠、高效无故障运行
b）操作人员可以设定导弹和飞机的运行轨迹及姿态
c）三维显示终端图像显示效果流畅、生动
d）数据处理速度满足系统实时性要求
3.1.3基本组成与各部件的功能
数据处理系统分为三维实时显示系统和三维模拟源系统两部分。
各部分的主要组成及功能如下:
（1）三维实时显示系统:
该部分主要由图形工作站构成。
可以实现快速的建立各种目标模型，实时显示导弹和飞机的飞行轨迹及姿态变化，并可从多视角进行观测的功能。
（2）三维模拟源系统:
该部分主要由一台计算机和两套游戏操纵杆构成，可以实现通过程控、操纵杆控制等方式控制导弹的飞行轨迹及姿态，并提供数据保存与管理的功能。
3.1.4硬件技术指标
数据处理系统主要包括:
计算机、图形工作站、网络交换机等设备。
具体的硬件技术指标如下:
（l）网络交换机
传输速率:
千兆
（2）模拟源系统
配置:
P4双核心3.06G以上，内存ZG，300G串行硬盘，100OM自适应网卡
（3）图形工作站
配置:
双至强3.6G，内存4G，slZM高速图形加速显卡，300G串行硬盘，1000M网卡
（4）SaitekX52操作杆
接口:
USB2.0
方向舵:
力度可调的油门/制动调节器、2个动作按钮、1个八方向视角切换键、2个摸拟旋钮、2个鼠标仿真控制键、1个卷轴滚轮、1个滑动调节器、1套综合功能液晶显示屏。
摇杆:
4个开火键、1个小拇指开关、1个导弹发射键、2个8方向帽式开关、1个模式切换旋钮、3D旋转。
运行环境:
WindowsXP
3.1.5系统总体性能指标
数据处理系统必须能够对模拟源发送的数据进行实时、高速、可靠地处理，并送传至三维实时显示系统进行实时三维显示。
因此该系统必须具备可靠性高、网络传输速率快、三维显示清晰流畅等特点。
为保证数据处理系统的可靠性、实时性、实用性和先进性，系统设计需遵循如下原则:
（1）可靠性原则:
（a）系统的可靠性是这套设备的生命，系统设计必须保证各个设备能够长期稳定运行，满足用户的要求;
（b）系统应满足良好的电磁兼容性要求;
（c）系统应具有良好的隔离、屏蔽措施，保证系统具有良好的抗干扰能力。
（2）实用性原则:
模拟源能够正确的模拟产生导弹和飞机的各种信息参数，并高速可靠传送至图形工作站。
（3）实时性原则
（a）系统应保证网络传输速率以满足系统对延时的容许要求;
（b）系统应保证三维实时显示终端处理图像速度以获得高速图像实时显示。
（4）先进型原则
（a）系统设计思想应保证其前瞻性和先进型;
（b）系统硬件选型应保证其配置的实效性和可扩展性;
（c）系统软件选型应保证易于维护、修改和升级。
3.2数据处理系统结构设计
数据处理系统以网络交换机为连接设备，将图形工作站与计算机联合在一起组成一个小型局域网，所有的数据都在局域网中进行传输。
因此设计一个适当的系统结构可以很好的完成系统的各项性能指标。
3.2.1总体结构
数据处理系统设备连接图如图3.1所示。
图3.1数据处理系统设备连接图
其中，三维模拟源系统由操纵杆和计算机组成，负责产生实时的三维数据。
产生的模拟数据通过网络交换机，发送到由图形工作站组成的三维显示系统上，三维实时显示系统快速的建立各种目标模型，实时显示导弹、飞机的飞行轨迹及姿态
在数据处理系统中，三维模拟源作为系统的客户端，利用LabVIEW开发平台进行开发;三维实时显示系统作为服务器端，利用VC与VegaPrime联合开发
3.2.2网络传输协议选择
在数据处理系统中要实现网络上的实时数据传输。
因此采用一个好的传输协议可以较好的完成这一需求。
在局域网中广泛采用的网络传输协议是TCP/IP协议，它是传输控制协议/互联网络协议的简称，是一个由不同层次上的多个协议组合而成的协议簇。
TCP和UDP是TCP/丁传输层中的协议，都使用IP作为网络层协议。
但二者又存在着区别。
1.TCP
TCP使用不可靠的IP服务，提供一种面向连接的、可靠的传输层服务。
它采用比特流（即数据被作为无结构的字节流）通信分段传送数据，主机交换数据必须建立一个会话。
通过每个TCP传输的字段指定顺序号，以获得可靠性。
如果一个分段被分解成几个小段，接收主机会知道是否所有小段都已收到。
通过发送应答，用以确认别的主机收到了数据。
对于发送的每一个小段，接受主机必须再一个制定的时间返回一个确认。
如果发送者未收到确认，那么发送者会重新发送数据;如果收到的数据包损坏，接受主机会将其舍弃，因为确认未被发送，发送者会重新发送分段。
TCP对话通过三次握手来初始化，目的是使数据段的发送和接受同步，告诉其他主机其一次可接受的数据量，并建立虚连接。
三次握手的过程如下:
第一步:
初始化主机通过一个具有同步标志置位的数据段发送会话请求;
第二步:
接受主机通过发回具有以下项目的数据段表示回复:
同步标志置位、即将发送的数据段的起始字节的顺序号、应答并带有将收到的下一个数据段的字节顺序号。
第三步:
请求主机再回送一个数据段，并带有确认顺序号和确认号
2.UDP
UDP是一个无连接模式协议，提供向另一用户程序发送信息的最简便的协议
机制，使用IP路由功能把数据包发送到目的地。
UDP使用IP来获得数据单元（叫做数据报）。
与TCP不同的是，UDP不提供包（数据包）的分组和组装服务，而且也不提供对包的排序。
这意味着UDP提供的不是面向连接的、可靠的数据传输，而是面向操作的、不可靠的数据流传输，应用程序必须自己确定信息是否完全正确的到达目的地。
非面向连接的传输协议在数据传输之前不建立连接，而是在每个中间节点对非面向连接的包和数据包进行路由。
没有点到点的连接，非面向连接是不可靠的连接。
当一个UDP数据包在网络中移动时，发送过程并不知道它是否到达了目的地，除非应用程序己经对UDP数据包的到达进行了确认。
非面向连接的协议也不能探测重复的和乱序的包。
由于TCP与UDP传输方式不同，两个协议的使用场合也不同。
当数据传输的性能必须让位于数据传输的完整性、可控性和可靠性时，TCP协议是最佳的选择。
当强调传输性能而不是传输的完整性时，UDP是最好的选择。
在数据传输时间很短，以至于此前的连接过程成为整个流量主体的情况下，UDP也是一个好的选择。
在数据处理系统中，考虑到系统实时性的要求，我们选用UDP作为网络传输协议。
由于LabVIEW中引入了TCP/IP，在编程时我们可以利用LabVIEW提供的UDP控件实现实时的网络数据传输。
第四章三维实时显示系统设计
4.1功能概述
三维实时显示系统负责接收网络上的帧数据，同时根据数据实时渲染逼真的三维虚拟场景，并在模拟的三维环境中实时生动地显示飞机和导弹的飞行轨迹及姿态等信息，细致逼真地表现出导弹的空中运动特征。
三维实时显示系统的主要功能包括:
（1）数据接收与输入
（2）场景创建与配置
（3）三维实时显示
（4）用户交互操作
4.2三维显示系统运行环境
三维实时显示系统以图形工作站为核心配备如下的软件系统。
（l）操作系统:
WindowsXP
（2）三维可视化视景仿真开发系统软件环境
（a）VegaPrimeDevelopmentEnvironment
（b）LynxPrime图形用户界面配置工具
4.3虚拟现实仿真软件—砚——VegaPrime
4.3.1VegaPrime概述
虚拟现实仿真是一门以系统科学、计算机科学和概率论与数值计算方法等为基础，结合各应用领域相关技术的综合性仿真技术[[9]WuJiazhu,DangGang,LiuHuafeng.Visualsimulationtechnologyandapplication.Xi’an:
Xi’anUniversityofElectronicScienceandTechnologyPress，2001.]。
VegaPrime是目前比较通用的虚拟现实仿真软件之一。
VegaPrime（以下简称Vega）是美国MultiGen-Paradigm公司推出的先进的软件环境，主要用于虚拟现实技术中的实时视景仿真、声音仿真以及科学计算可视化等领域[[12]高玉水，潘仲英，王辉，等.基于虚拟仪器技术的导弹训练模拟系统.妞航导弹，2002（3），2l-25.]。
它支持快速复杂的视觉仿真程序，为用户提供一种处理复杂仿真时间的便捷手段。
4.3.2vega中的API函数
一些简单的应用程序仅靠狡脚x就可以实现，也就是玫mx允许用户在不用写源代码的情况下即可配一个应用程序。
但是在许多场合下，这是远远不够的。
因此，在使用Lynx的基础上还必须要使用Vega的API函数。
在Vega中包含了创建一个应用程序所必须的全部”I函数，通过对这些接口函数的使用可以实现复杂的功能。
Vega类尽管Vega是以C语言API函数来呈现的，但实际上它是一个类库。
它的每一个类都是一个完整的控制结构，这个结构包括控制和执行特征的所有事件。
在Vega中，几乎所有的事件都是作为一个类来执行的。
其中的每一个类都是一个API函
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