Е.Д. БАРАН, Ю.В. МОРОЗОВ
ИЗМЕРЕНИЯ В LabVIEW
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2010
1
УДК 681.518.3(075.8)
Б 241
Рецензенты: <...> ISBN 978-5-7782-1428-6
Изложены базовые принципы проектирования автоматизированных
измерительных систем с использованием системы графического программирования LabVIEW, технических и программных средств корпорации National Instruments. <...> Точки ввода-вывода FieldPoint (FieldPoint I/O Point Control) ............ 55 <...> Элементы управления и отображения аналоговых и цифровых
сигналов (Waveform Control и Digital Waveform Control) .................. 58 <...> Погрешность квантования при измерении характеристик
высокочастотных сигналов методом двух счетчиков ..................... 111 <...> Значительно упростить выполнение этого этапа позволяет использование
системы графического программирования LabVIEW (Laboratory Virtual
Instrument Engineering Workbench – автоматизированная лаборатория
проектирования виртуальных измерительных приборов). <...> Авторы сочли необходимым исключить разделы, в которых описывается использование драйверов Traditional DAQ, поскольку они вытесняются более современными драйверами DAQmx, соответственно
внесены изменения и в некоторые примеры построения программ. <...> Вначале о содержании термина «виртуальный измерительный прибор». <...> Компания NI специализируется в области разработки встраиваемых и распределенных технических средств для сбора данных (DAQ) и
программных драйверов к ним, систем на основе приборного интерфейса IEEE 488 (GPIB) и стандарта PXI, систем с использованием последовательного интерфейса и промышленных сетей. <...> Распространенные методы сбора данных реализуются с помощью
встраиваемых в компьютер DAQ-устройств и автономных измерительных приборов, приборов, поддерживающих интерфейс GPIB, систем
стандарта PXI (расширение PCI для измерительной техники) и приборов с портом RS-232 или USB. <...> Системы сбора данных на основе встраиваемых
устройств общего назначения
DAQ-устройства общего назначения предназначены для измерения
сигналов и могут иметь <...>
Измерения_в_LabVIEV.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Е.Д. БАРАН, Ю.В. МОРОЗОВ
ИЗМЕРЕНИЯ В LabVIEW
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2010
1
Стр.1
УДК 681.518.3(075.8)
Б 241
Рецензенты:
В.П. Разинкин, д-р техн. наук, профессор
Д.Н. Голышев, канд. техн. наук, доц.
Работа подготовлена на кафедрах систем сбора и обработки данных и
теоретических основ радиотехники и в авторизованном региональном
учебном центре «Центр технологий National Instruments»
Баран Е.Д.
Измерения в LabVIEW : учеб. пособие / Е.Д. Баран, Ю.В. Морозов. –
Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010. – 162 с.
ISBN 978-5-7782-1428-6
Изложены базовые принципы проектирования автоматизированных
измерительных систем с использованием системы графического программирования
LabVIEW, технических и программных средств корпорации
National Instruments. Рассмотрены физические принципы восприятия
и предварительной обработки измеряемых величин, схемы подключения
датчиков и согласования их с измерительной аппаратурой, реализация
типовых процедур измерения с помощью встраиваемых в компьютер
устройств сбора данных.
Ориентировано на студентов технических специальностей, связанных
с автоматизацией экспериментальных исследований, испытаниями радиоэлектронной,
электромеханической и другой промышленной продукции,
автоматизацией технологических процессов и производств. Будет
полезно студентам АВТФ, РЭФ, ФТФ, ФЛА и ряда других факультетов
при выполнении лабораторных практикумов, курсовых проектов и выпускных
работ.
УДК 681.518.3(075.8)
ISBN 978-5-7782-1428-6
© Е.Д. Баран, Ю.В. Морозов, 2010
© Hовосибиpский государственный
технический университет, 2010
2
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Условные обозначения ............................................................................................ 8
Предисловие ............................................................................................................. 9
Глава 1. ИЗМЕРЕНИЯ И ВИРТУАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ..................................... 13
Контрольные вопросы ........................................................................................... 16
Глава 2. СРАВНЕНИЕ ВСТРАИВАЕМЫХ УСТРОЙСТВ И АВТОНОМНЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ СБОРА
ДАННЫХ ................................................................................................. 17
2.1. Системы сбора данных на основе встраиваемых устройств общего
назначения .................................................................................................... 17
2.1.1. Взаимодействие компьютера с устройствами сбора данных ............. 19
2.1.2. Роль программного обеспечения .......................................................... 19
2.1.3. NI-DAQ ................................................................................................... 20
2.2. Автономные приборы .................................................................................. 20
Контрольные вопросы ........................................................................................... 22
Глава 3. КОНФИГУРИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ ........ 23
3.1. Установка и конфигурирование технических средств ............................. 23
3.2. Конфигурирование аппаратуры в среде Windows .................................... 24
3.2.1. Measurement & Automation Explorer ..................................................... 24
3.2.2. DAQ Assistant ......................................................................................... 25
3.2.3. Псевдонимы VISA и логические имена IVI ........................................ 25
3.2.4. Аппаратура FieldPoint ............................................................................ 25
3.3. Конфигурирование аппаратных средств в операционной
системе Mac OS ............................................................................................. 26
3.3.1. Утилита NI-DAQ Configuration ............................................................. 26
3.3.2. Утилита NI-488.2 Configuration ............................................................ 26
3.3.3. Конфигурирование последовательных портов на компьютерах
Macintosh .................................................................................................. 26
Контрольные вопросы ........................................................................................... 27
Глава 4. ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ ........................................................................ 28
4.1. Сбор данных о сигналах .............................................................................. 28
4.2. Источники сигналов .................................................................................... 29
4.2.1. Заземленные источники сигнала .......................................................... 29
4.2.2. Плавающие источники сигнала ............................................................ 30
4.3. Кондиционирование сигналов .................................................................... 31
4.3.1. Усиление ................................................................................................. 31
4.3.2. Линеаризация ......................................................................................... 32
4.3.3. Возбуждение датчика ............................................................................ 33
4.3.4. Развязка ................................................................................................... 33
4.4. Измерительные системы ............................................................................. 33
3
Стр.3
4.4.1. Измерительные системы с дифференциальными входами ................ 34
4.4.2. Использование заземления в измерительных системах
с несимметричным входом .................................................................... 37
4.4.3. Выводы по способам подключения источников сигналов
к измерительным системам ................................................................... 38
4.5. Аппаратная, или программная, синхронизация ........................................ 40
4.6. Частота дискретизации ................................................................................ 40
4.6.1. Наложение спектра ................................................................................ 40
4.6.2. Частота отчета сигнала .......................................................................... 42
4.7. Цифровой ввод-вывод ................................................................................. 43
4.7.1. Цифровые линии и порты ..................................................................... 45
4.7.2. Квитирование ......................................................................................... 45
4.8. Запуск ............................................................................................................ 46
4.8.1. Запуск по фронту аналогового сигнала ............................................... 46
4.8.2. Аналоговый запуск в зоне ..................................................................... 47
4.8.3. Цифровой запуск по фронту ................................................................. 48
4.9. Обработка сигнала ....................................................................................... 49
4.9.1. Фильтрация ............................................................................................. 49
4.9.2. Взвешивание ........................................................................................... 49
4.10. Калибровка устройства .............................................................................. 51
4.10.1. Внешняя калибровка ............................................................................ 52
4.10.2. Внутренняя калибровка ....................................................................... 52
Контрольные вопросы ........................................................................................... 52
Глава 5. СОЗДАНИЕ ТИПОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИЛОЖЕНИЯ .... 54
5.1. Элементы управления вводом-выводом .................................................... 54
5.1.1. Имя устройства DAQmx (DAQmx Name Control) ............................... 54
5.1.2. Логическое имя IVI (IVI Logical Name Control) .................................. 55
5.1.3. Имя VISA-ресурса (VISA Resource Name) .......................................... 55
5.1.4. Точки ввода-вывода FieldPoint (FieldPoint I/O Point Control) ............ 55
5.1.5. Имя ресурса Motion (Motion Resource Name Control) ......................... 55
5.2. Полиморфные VI .......................................................................................... 55
5.3. СвойстваAPI-функций ................................................................................. 56
5.4. Создание типового DAQ-приложения ....................................................... 56
5.4.1. Физические и виртуальные каналы ...................................................... 57
5.4.2. Использование задачи в NIDAQmx ...................................................... 58
5.4.3. Элементы управления и отображения аналоговых и цифровых
сигналов (Waveform Control и Digital Waveform Control) .................. 58
5.5. Создание типового VISA-приложения ....................................................... 63
5.6. Создание типового приложения на базе FieldPoint ................................... 63
5.6.1. Каналы и элементы ................................................................................ 64
5.6.2. Использование органа управления FieldPoint IO Point ....................... 64
Контрольные вопросы ........................................................................................... 64
4
Стр.4
Глава 6. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ................... 65
6.1. Измерения с помощью NI-DAQmx ............................................................ 66
6.2. Измерение постоянного напряжения с помощью автономных
измерительных приборов ............................................................................ 68
Контрольные вопросы ........................................................................................... 69
Глава 7. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА .................... 70
7.1. Измерение напряжения переменного тока с помощью встраиваемых
устройств сбора данных .............................................................................. 70
7.1.1. Измерение действующего значения ..................................................... 71
7.1.2. Измерение значений максимума, минимума и размаха
напряжения ............................................................................................. 72
7.2. Использование автономных измерительных приборов для измерения
переменного напряжения ............................................................................ 73
7.2.1. Измерение размаха напряжения с помощью автономного
измерительного прибора ....................................................................... 74
7.3. Измерение напряжения переменного тока с помощью FieldPoint ........... 75
Контрольные вопросы ........................................................................................... 76
Глава 8. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ............................................................ 77
8.1. Измерение температуры с помощью NI-DAQmx ..................................... 77
8.2. Измерение температуры с помощью VI FieldPoint ................................... 79
Контрольные вопросы ........................................................................................... 79
Глава 9. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТОКА................................................................... 80
9.1. Измерение тока с помощью NI-DAQmx .................................................... 82
9.2. Измерение тока с помощью автономного измерительного прибора ....... 83
9.3. Измерение тока с помощью VI FieldPoint.................................................. 84
Контрольные вопросы ........................................................................................... 85
Глава 10. ИЗМЕРЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ ............................................................ 86
10.1. Измерение деформации с помощью VI NI-DAQmx ............................... 88
10.2. Измерение деформации с помощью VI FieldPoint .................................. 89
Контрольные вопросы ........................................................................................... 89
Глава 11. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ..................................................... 90
11.1. Схемы подключения сопротивления ........................................................ 90
11.1.1. Двухпроводная схема измерения сопротивления ............................. 90
11.1.2. Четырехпроводная схема измерения сопротивления ....................... 91
11.2. Измерение сопротивления с помощью цифровых мультиметров
(DMM) ......................................................................................................... 92
Контрольные вопросы ........................................................................................... 93
Глава 12. ГЕНЕРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ............................................................ 94
12.1. Обзор методов генерации напряжения .................................................... 94
12.1.1. Поточечный аналоговый вывод .......................................................... 94
12.1.2. Буферизированный аналоговый вывод .............................................. 94
5
Стр.5
12.1.3. Подключение сигналов аналогового вывода ..................................... 95
12.2. Генерация напряжения с помощью NI-DAQmx ...................................... 96
12.3. Генерация напряжения с помощью автономных приборов ................... 98
Контрольные вопросы ........................................................................................... 99
Глава 13. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА ................ 100
13.1. Измерение частоты аналогового сигнала с использованием
NI-DAQmx ................................................................................................ 100
13.2. Измерение частоты с помощью автономных измерительных
приборов ................................................................................................... 101
13.3. Измерение частоты с фильтрацией ........................................................ 102
Контрольные вопросы ......................................................................................... 104
Глава 14. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ, ПЕРИОДА И ЧАСТОТЫ
ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА ............................................................. 105
14.1. Общие сведения о счетчиках .................................................................. 105
14.1. Устройство счетчика ............................................................................... 106
14.2. Измерение временных характеристик сигналов ................................... 106
14.3. Погрешность квантования....................................................................... 108
14.4. Измерение временных характеристик с помощью двух счетчиков .... 110
14.4.1. Погрешность квантования при измерении характеристик
высокочастотных сигналов методом двух счетчиков ..................... 111
14.4.2. Реализация метода двух счетчиков с использованием
VI NI-DAQmx ...................................................................................... 112
14.4.3. Применение метода двух счетчиков для расширения диапазона
измерения ............................................................................................ 112
14.4.4. Погрешность квантования при использовании двух счетчиков
для расширения диапазона измерения ............................................. 114
Контрольные вопросы ......................................................................................... 115
Глава 15. ГЕНЕРАЦИЯ ЦИФРОВЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ........... 116
15.1. Общие сведения о генерации цифровых импульсных сигналов ......... 116
15.2. Генерация цифровых импульсных сигналов с использованием
VI NI-DAQmx ........................................................................................... 120
15.3. Генерация цифровых импульсных сигналов с помощью
FieldPoint VI .............................................................................................. 121
Контрольные вопросы ......................................................................................... 122
Глава 16. УПРАВЛЕНИЕ АВТОНОМНЫМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ
ПРИБОРАМИ С ПОМОЩЬЮ LabVIEW ......................................... 123
16.1. Общие сведения о драйверах автономных измерительных
приборов ................................................................................................... 123
16.1.1. Установка драйверов приборов ........................................................ 124
16.1.2. Организация драйверов приборов .................................................... 124
16.1.3. Типы драйверов приборов ................................................................. 126
6
Стр.6
16.2. VISA в LabVIEW ...................................................................................... 127
16.2.1. Коммуникации с использованием ASCII сообщений
и коммуникации на регистровом уровне .......................................... 127
16.3. Проверка связи с прибором ..................................................................... 128
16.3.1. Проверка связи с помощью Instrument I/O Assistant ....................... 129
16.3.2. Проверка связи с помощью функций VISA ..................................... 129
16.3.3. Проверка связи с помощью Getting Started VI ................................. 130
16.4. Общие входы и выходы VI драйверов приборов .................................. 130
16.5. Разработка VISA-приложений ................................................................ 131
16.5.1. Использование свойств VISA ........................................................... 132
16.5.2. Использование VISA-событий .......................................................... 132
16.5.3. Использование VISA VI с расширенными возможностями ........... 133
16.6. Приемы работы с данными и строками ................................................. 133
16.6.1. Манипулирование данными с помощью
Instrument I/O Assistant ...................................................................... 134
16.6.2. Команды форматирования строк ...................................................... 134
16.6.3. Форматирование данных, полученных от прибора ........................ 135
Контрольные вопросы ......................................................................................... 139
Заключение ........................................................................................................... 140
Приложение. Типы приборов ............................................................................. 142
П. 1. Приборы с интерфейсом GPIB ................................................................ 142
П. 1.1. Контроллеры, передатчики и приемники ........................................ 142
П. 1.2. Характеристики аппаратных средств ............................................... 143
П. 2. Связь с использованием последовательного порта ............................... 143
П. 2.1. Скорость передачи данных ............................................................... 144
П. 2.2. Общая характеристика аппаратных средств последовательного
интерфейса ........................................................................................... 145
П. 2.3. Подключение прибора с последовательным интерфейсом ........... 145
П. 3. Модульные измерительные системы стандарта PXI ............................ 146
П. 4. Модульные измерительные приборы ..................................................... 146
Использованная литература National Instruments ............................................. 147
Дополнительная литература ............................................................................... 147
Глоссарий ............................................................................................................. 149
7
Стр.7