LabVIEW虚拟仪器设计及应用——程序设计、数据采集、硬件控制与信号处理

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本书以LabVIEW 2017为基础，讲述LabVIEW图形化编程语言的原理，以及如何利用LabVIEW完成虚拟仪器设计。
全书共15章，分为两篇，分别是基础知识篇（第1~13章）和实际应用篇（第14、15章）。第1章，综述虚拟仪器技术的构建思想和方法论。第2~7章，讲述LabVIEW图形化编程语言的基本原理以及编程方法，内容包括LabVIEW入门、基本数据类型、程序结构、复合数据类型、文件I/O、图形显示及其他技巧。第8~12章，阐述如何利用LabVIEW去控制仪器硬件以实现对被测信号的数据采集，内容包括选择专用的数据采集卡进行数据采集； 利用计算机自带的声卡实现数据采集； 利用摄像头完成图像采集； 仪器控制和控制单片机。第13章，讲述用LabVIEW实现仪器应用的若干算法和信号分析处理的相关知识。第14、15章，介绍利用LabVIEW完成有实际应用背景的两个虚拟仪器项目，分别是用LabVIEW构建函数发生器和频率计。
本书可以作为大专院校“虚拟仪器技术”及相关课程的教材或教学参考书，也可供从事计算机化测量仪器及系统构建工作的工程技术人员使用。

郝丽  清华大学高级工程师，从事虚拟仪器教学10余年。在国内核心期刊上已发表实验教学研究成果文章11篇。曾获得清华大学教学成果一等奖、清华大学实验技术成果二等奖和清华大学优秀教学软件二等奖。
赵伟  清华大学教授、博士生导师，主要从事现代电磁测量技术及仪器方向的教学和科研工作；发表研究成果论文近300篇，其中有关虚拟仪器教学研究的成果论文10多篇。曾出版教材《电磁测量》《电工理论基础（第4版）》（翻译图书）、学术专著《电子式电能表及其在现代用电管理中的应用》《漏磁成像理论与方法》及辞书《新编电气工程师实用手册》《现代电气工程师实用手册》《电气工程大典》（参编卷中的第4篇）等。

目录

第1章有用又有趣的虚拟仪器技术

1.1虚拟仪器技术的起源与发展

1.2什么是虚拟仪器

1.3虚拟仪器的构成

1.4虚拟仪器的种类

1.5虚拟仪器对测量观念及技术的影响

1.6虚拟仪器技术在各行业的应用情况

1.7掌握虚拟仪器技术需具备的条件和相关知识

本章习题

参考文献

第2章LabVIEW入门

2.1LabVIEW简介

2.2操作选板

2.3调试工具

2.4数据流的编程机制

2.5LabVIEW的初步操作

2.5.1创建个VI

2.5.2建立并调用子VI

2.5.3生成应用程序

2.5.4程序调试技术

2.6常用技巧

2.7本章小结

本章习题

参考文献

第3章基本数据类型

3.1数值

3.1.1数值控件

3.1.2数值的数据类型

3.1.3数值函数

3.2字符串

3.2.1字符串控件

3.2.2字符串的显示方式

3.2.3字符串函数

3.3布尔量

3.4枚举与下拉列表

3.5路径

3.6本章小结

本章习题

参考文献

第4章程序结构

4.1顺序结构

4.2条件结构

4.2.1条件选择器为布尔型

4.2.2条件选择器为非布尔型

4.2.3输入和输出隧道

4.2.4选择函数

4.3循环结构

4.3.1While循环

4.3.2For循环

4.3.3循环结构内外的数据交换

4.3.4自动索引

4.3.5移位寄存器

4.3.6反馈节点

4.3.7综合示例及补充

4.4事件结构

4.5局部变量

4.6属性节点

4.7公式节点

4.8MathScript节点

4.9MATLAB脚本节点

4.10本章小结

本章习题

参考文献

第5章复合数据类型

5.1数组

5.1.1数组的创建

5.1.2数组的索引

5.1.3数组函数

5.1.4利用循环结构创建数组

5.1.5函数的多态化功能

5.2簇

5.2.1簇的创建

5.2.2簇的顺序

5.2.3簇函数

5.2.4错误簇

5.3波形

5.3.1什么是波形

5.3.2波形函数

5.4DDT

5.5本章小结

本章习题

参考文献

第6章文件I/O

6.1文件I/O的基本概念

6.2底层文件I/O

6.3高层文件I/O

6.4本章小结

本章习题

参考文献

第7章图形显示及其他技巧

7.1图形显示

7.1.1波形图

7.1.2XY图

7.1.3波形图表

7.1.4强度图

7.2其他技巧

7.3本章小结

本章习题

参考文献

第8章数据采集

8.1基础知识

8.1.1数据采集系统的构成

8.1.2测量系统的信号输入方式

8.1.3采样定理

8.1.4数据采集卡

8.2LabVIEW中数据采集的基本概念

8.2.1任务和虚拟通道

8.2.2基本环节

8.2.3两种途径

8.2.4定时

8.2.5任务状态转换

8.3数据采集卡的连接和测试

8.4模拟输入

8.4.1单点模入

8.4.2有限模入(N个样本)

8.4.3连续模入

8.5模拟输出

8.5.1单点模出

8.5.2有限模出(N个样本)

8.5.3连续模出

8.6本章小结

本章习题

参考文献

第9章利用声卡实现数据采集

9.1声卡简介

9.1.1工作原理

9.1.2硬件结构

9.1.3基本参数

9.1.4声卡测试

9.2LabVIEW环境下利用声卡实现数据采集

9.2.1基本环节

9.2.2有关声卡的函数

9.3模拟输入

9.3.1有限模入（N个样本）

9.3.2连续模入

9.4模拟输出

9.4.1有限模出（N个样本）

9.4.2连续模出

9.5专用数据采集卡与声卡的比较

9.6本章小结

本章习题

参考文献

第10章利用摄像头实现图像采集

10.1基本原理

10.1.1图像采集的基本过程

10.1.2数字图像的表示

10.1.3图像采集参数

10.2LabVIEW中有关图像采集的基本概念

10.2.1利用摄像头实现图像采集的基本环节

10.2.2图像采集相关函数

10.3利用MAX检测摄像头的功能

10.4图像采集的实现

10.4.1采集单幅图像

10.4.2采集N幅图像

10.4.3连续采集图像

10.5图像和视频的保存与读取

10.5.1图像和视频的保存

10.5.2图像和视频的读取

10.6本章小结

本章习题

参考文献

第11章仪器控制

11.1仪器控制的基本原理

11.1.1硬件通路

11.1.2通信协议

11.2LabVIEW中“仪器控制”的基本概念

11.2.1总体介绍

11.2.2基本环节

11.2.3VISA函数

11.3利用MAX检测要通信的仪器

11.4仪器控制示例

11.4.1利用计算机控制串口仪器

11.4.2利用计算机控制USB口仪器

11.5跨界仪器(仪器控制 数据采集卡)

11.5.1一台具体功能的仪器

11.5.2仪器控制

11.5.3数据采集卡

11.6本章小结

本章习题

参考文献

第12章利用LabVIEW控制单片机

12.1基本概念

12.1.1单片机及其开发板

12.1.2接口或引脚

12.1.3将单片机与计算机相连

12.1.4开发板的使用步骤

12.2软件环境

12.2.1Arduino IDE

12.2.2LabVIEW中相关的函数

12.3示例

12.4本章小结

本章习题

参考文献

第13章算法及信号处理

13.1程序的灵魂——算法

13.1.1算法的效率

13.1.2LabVIEW中的算法函数

13.2信号处理

13.2.1仿真信号的生成

13.2.2波形测量

13.3本章小结

本章习题

参考文献

第14章实际应用1——函数发生器

14.1概述

14.2算法介绍

14.3程序说明

14.4函数发生器VI的使用说明及功能测试

14.5本章小结

本章习题

参考文献

第15章实际应用2——频率计

15.1概述

15.2算法介绍

15.2.1时域方法

15.2.2频域方法

15.3程序说明

15.4算法测试与结果分析

15.4.1利用仿真信号进行分析

15.4.2对实采波形进行测量

15.5本章小结

本章习题

参考文献

附录ALabVIEW软件和驱动程序的安装说明

附录BDIGILENT chipKIT WF32驱动及LINX的安装步骤

附录C在LabVIEW中如何运行MakerHub

前言
虚拟仪器技术诞生于20世纪80年代，经过30多年的不断发展和进步，目前已广泛应用于许多行业和领域。
清华大学电机系虚拟仪器教学组，从1995年起开始研究虚拟仪器的原理、技术及应用，2000年建成了虚拟仪器教学实验室，为全校多个院系的本科生和研究生开设了多门设计型的虚拟仪器技术实验课程。例如“基于LabVIEW的虚拟仪器设计”课程，就是在夏季学期面向电机系三年级本科生开设的。本书作者从2008年起一直在系统讲授该课程。该课程的教学采用基于项目、应完成设计的学习模式，每年有30多名学生选修，集中授课两星期。
尽管作者所在虚拟仪器教学组先后已出版了《LabVIEW 7.1编程与虚拟仪器设计》《虚拟仪器设计基础教程》和《虚拟仪器设计教程》3本教材，但在如何更好地开展更有针对性的教学实践中作者感到，为了激发学生的学习兴趣和创新意识，更好地进行虚拟仪器教学，编写一本新的虚拟仪器教材仍十分必要。归纳起来，有以下两个主要原因： 一是近年来，随着虚拟仪器技术的不断发展，为学生布置课程作业的选题逐年更新，无疑涉及有关虚拟仪器的新知识，鉴于此，在教材中十分有必要增加的虚拟仪器技术，以及这些新技术的典型应用案例； 二是在多年的教学实践中，作者发现了一些学生学习用LabVIEW进行虚拟仪器编程中常犯的错误，并通过教学实践和研究，对这些共性问题进行了梳理和总结，其中有些相关研究结果已发表在教学研究刊物上，将它们写入新教材，无疑会对学生更深入、全面地体会相关教学内容起到针对性更强的启发和帮助作用。同时，在新教材的编写上，作者还将自己多年的教学体会和积累的教学经验等融汇其中，编写出若干个新的更具典型性、启发性的教学示例。
对初学者而言，建议在学习虚拟仪器相关知识过程中，对本书中提供的示例，要根据相关的讲解及说明等，自己动手，将相应的虚拟仪器程序编写出来，并且对每一章后提供的练习题也都做一做，以检验自己对相关知识的掌握程度。实践出真知。在学习本书第2~7章有关利用LabVIEW编写虚拟仪器程序时，一定要多动手、多实践，即要强化自己主动多编写相关程序的意识； 在学习第8~12章有关利用LabVIEW控制仪器硬件的相关知识时，更要多动手、多练习，并且不仅要多编写虚拟仪器程序，还要进行必要的硬件连线等。
本书由郝丽高级工程师编写，由赵伟教授审阅、修改。
感谢侯国屏教授、黄松岭教授和王珅老师在虚拟仪器教学方面给予的帮助。感谢董甲瑞高级工程师帮助解决了虚拟仪器实验教学环境建设中的很多实际问题。感谢汪芙平老师在信号处理方面提出的宝贵意见。感谢袁建生教授对本书作者多年的培养。感谢邹军教授的帮助。感谢这些年所教过以及辅导过的学生。
感谢NI中国有限公司院校合作经理刘洋先生的支持和帮助。
感谢DIGILENT公司经理李甫成先生的帮助。
感谢本书责任编辑盛东亮先生的鼓励和建议。
编者2018年10月于清华园