LabVIEW虚拟仪器设计

虚拟仪器即基于计算机的仪器，是利用软件和硬件建立的测量或测控系统。用户可以自己灵活地定义、修正或增加虚拟仪器的功能，以借助计算机的强大计算能力实现对各种物理量的测量或测控。目前，基于计算机构建的虚拟仪器，已成为主要的测量工具和新型测量仪器的研发方向，传统单一功能、固定不变式的测量仪表正逐步被淘汰。虚拟仪器作为计算机技术与测量或测控技术相结合的新兴技术，正越来越多地应用于各行各业。从前沿的科学研究到广泛的工程应用，再到大学生的科技创新活动，在有很多需要实施测量或测控的场合，都少不了虚拟仪器技术的应用。
清华大学电机工程与应用电子技术系虚拟仪器教学组，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多门设计型虚拟仪器原理及实验技术课程。
本书作者长期讲授虚拟仪器课程，于2018年11月出版了教材《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》。该书出版后，读者反馈良好。清华大学出版社建议作者在此基础上，再编写一本新的虚拟仪器教材，以满足高校学生和工程技术人员的学习、使用及参考需求。
作者在上一本教材的基础上，根据使用LabVIEW设计功能更强大虚拟仪器的新需求，增加了一些更深入的内容，并对全书做了认真审核和调整，力求原理表述更准确，选用案例更鲜明，遣词造句更规范，编写了这本新教材《LabVIEW虚拟仪器设计》。
相对于前一本书《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》，本书主要新增和新编的内容如下：
① 重新编写了“事件结构”部分；
② 增加了“全局变量”；
③ 增加了“单进程共享变量”；
④ 增加了“变体”；
⑤ 重新编写了数据采集一章中的第1小节；
⑥ 增加了“数字输入/输出”；
⑦ 增加了“计数器”。
另外，本书还新增了15个示例，添加了常见问题11个； 并在附录部分增加了示例和常见问题索引，以方便读者查询。

内容框架
本书共有15章，内容介绍如下。
第1章： 有用又有趣的虚拟仪器技术。阐述虚拟仪器技术的构建思想和方法论，帮助读者首先从整体上准确把握这门技术。
第2章： LabVIEW入门。讲授图形化编程语言LabVIEW的编程环境、数据流、调试工具等基础知识，并指导读者编写出自己的个虚拟仪器程序（VI）。

第3章： 基本数据类型。讲授LabVIEW中常用的5种基本数据类型，具体是数值、字符串、布尔量、枚举与下拉列表，以及路径。
第4章： 程序结构。讲授利用LabVIEW设计虚拟仪器程序要用到的多种程序结构，包括顺序结构、条件结构、循环结构和事件结构等。
第5章： 复合数据类型。讲授LabVIEW中的5种复合数据类型，包括数组、簇、波形、DDT(动态数据类型)和变体。
第6章： 文件I/O。讲授LabVIEW中文件I/O的基本操作。
第7章： 图形显示及其他技巧。讲授如何利用LabVIEW中的图和图表控件去显示被测对象的波形或特性曲线，以及如何使所编制的虚拟仪器界面更美观。
第8章： 数据采集。讲授数据采集的基本概念，以及如何利用LabVIEW编程操作相关测量硬件完成数据采集。辅助本章内容阐述需要用到的硬件是NI公司生产的数据采集卡。
第9章： 利用声卡实现数据采集。讲授如何利用计算机自带的声卡完成数据采集，包括基本原理、LabVIEW中的声卡函数以及具体案例等。
第10章： 利用摄像头实现图像采集。讲授图像采集的基本原理、LabVIEW中提供的图像采集相关函数，以及实际案例等。辅助本章内容阐述利用到的硬件，是生活中常见的USB摄像头。
第11章： 仪器控制。讲授如何利用LabVIEW编程去控制测量仪器，以满足自动化测量的需求。
第12章： 利用LabVIEW控制单片机。讲授如何利用LabVIEW编程控制单片机，以实现数据采集。
第13章： 算法及信号处理。讲授如何利用LabVIEW编程对测得数据进行分析处理。根据实际问题需求，读者可以自己编写虚拟仪器算法，也可利用LabVIEW中提供的函数去分析处理测得的信号。
第14章： 实际应用1——函数发生器。讲授利用LabVIEW设计制作任意波形发生器的全过程，辅助本章内容阐述利用到的硬件是NI公司生产的数据采集卡MyDAQ。
第15章： 实际应用2——频率计。讲授如何利用LabVIEW设计制作频率计，具体提供了时域和频域共10种频率测量算法原理及实现，用到的硬件是数据采集卡MyDAQ。
使用建议
本书第2~7章，讲授如何利用LabVIEW进行虚拟仪器程序设计，其中每章都设计了多道例题。对初学者来说，刚开始入门时，可以按照书中讲解的步骤，自己动手编写VI。当对LabVIEW的语法有所掌握后，再碰到例题时，可先不看例题的解答，而是自己先独立思考并动手编写出VI后，再与书中例题的解答进行比对。
本书第8~12章，讲授如何利用LabVIEW操控各种硬件，以完成对真实世界中某种物理量的测量或测控。学习者可根据自己选用的具体硬件，学习相应章节的内容。在学习与硬件相关的内容时，也要多动手，即到了这个阶段，不仅要自己动手编写VI，还要学会硬件连线。
本书第14和第15章，提供两个实际的应用项目案例，供感兴趣的读者学习、借鉴和参考。

本书特点
本书主要特点如下： 
① 系统化讲授，由浅入深、逻辑性强。
在本书的编写过程中，作者遵循学习的一般规律，按照由浅入深、由简单到复杂的原则，力求科学合理地编排、组织学习内容，并系统阐述如何利用LabVIEW实现虚拟仪器设计。
② 内容全面、实例丰富。
本书对如何利用LabVIEW设计虚拟仪器进行了较细致的讲解，涉及程序设计、数据采集、硬件控制和信号处理等多方面知识。全书共有126个基础案例、2个综合应用案例和45个常见问题总结。
③ 讲解清楚可靠、通俗易懂。
本书由虚拟仪器教学一线教师编写。基于长期教学积累的经验，作者深知初学者的痛点、难点在哪里； 作者将经验融汇于本教材内容的选定与具体编写上，包括对例题的设计，以及对常见问题的总结上，都力求以通俗易懂的阐述将复杂问题交代清楚，以帮助初学者更快掌握虚拟仪器设计方法。同时，书稿经过多次修改和调整，力求提供给读者一本可靠、好用的学习资料。
本书由郝丽高级工程师编写，由赵伟教授修改和审阅。
感谢侯国屏教授、黄松岭教授和王珅副研究员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。感谢汪芙平副研究员对本书中有关信号处理知识写作上提出的宝贵意见。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中国有限公司原院校合作部刘洋经理和刘晋东经理的帮助。感谢清华大学出版社盛东亮编辑的鼓励和建议。
限于作者水平，书中难免存在不当之处，敬请读者批评指正。

编者
2021年6月于清华园

本书以 LabVIEW2019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,包括基础知识部分(第1~13章)和实际应用部分(第14和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 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和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。

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
4.4.1事件的分类
4.4.2循环事件结构
4.4.3事件注册模式
4.4.4用户事件
4.4.5使用建议及问题汇总
4.5局部变量
4.6全局变量
4.7单进程共享变量
4.8属性节点
4.9公式节点
4.10MathScript节点
4.11MATLAB脚本节点
4.12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变体
5.6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函数
6.3高层文件I/O函数
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数据采集卡
8.1.3测量系统的信号输入方式
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
8.2.4两种途径的联系和比较
8.2.5定时
8.2.6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数字输入/输出
8.6.1数字输入
8.6.2数字输出
8.7计数器
8.7.1计数器输入
8.7.2计数器输出
8.8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基本步骤
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数字图像的表征
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步骤
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基本步骤
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单片机开发板的使用步骤
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算法测试和结果分析
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
附录D示例索引
附录E常见问题索引

本书以 LabVIEW2019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,包括基础知识部分(第1~13章)和实际应用部分(第14和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 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和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。