Измерения в LabVIEW

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

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 

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

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

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

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

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

Условные обозначения

[ ]
В квадратных скобках приведены необязательные элементы – например [response], а также ссылки на источники информации.

»
Этот символ "»" через вложенные пункты меню или варианты выбора в диалоговом окне указывает направление
к заключительному действию. Последовательность 
File»Page Setup»Options направляет к разделу File в выпадающем меню, выбору в меню пункта Page Setup и выбору 
Options в открывшемся диалоговом окне

Это пиктограмма подсказки, рекомендации

Эта пиктограмма обращает внимание на важное примечание

bold
Полужирным шрифтом выделены такие элементы, как пункты меню или варианты в диалоговом окне программы, которые необходимо выбрать или по которым нужно щелкнуть. 
Таким же шрифтом выделены наименования параметров и 
важные термины

italic
Курсивом обозначены переменные, выражения или перекрестные ссылки, а также указатели для слов или значений, которые необходимо подтвердить

monospace
Пропорциональный шрифт используется для текста или 
символов, которые необходимо ввести с клавиатуры,
для фрагмента программного кода, примеров программирования и синтаксических конструкций.
Этот шрифт используется также для имен дисководов, путей, 
каталогов, программ, подпрограмм, имен устройств, функций, операций, переменных, имен и расширений файлов

Platform
Текст, набранный таким шрифтом, относится к специфической платформе и означает, что последующий текст применим только к ней

ПРЕДИСЛОВИЕ

При проведении научных исследований в процессе производства и 

эксплуатации любых промышленных изделий важную роль играют 
измерения, которые позволяют получить достоверную информацию об 
исследуемых явлениях или испытуемых объектах. 

Современные средства измерений представляют собой достаточно 

сложные многокомпонентные приборы и системы, реализующие, в 
общем случае, функции: а) первичного преобразования физических 
величин в электрические; б) предварительной обработки электрических сигналов; в) аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования; г) цифровой обработки данных; д) регистрации данных; 
е) представления (визуализации) информации; ж) сетевых коммуникаций; з) управления процессом измерения.

Некоторые из этих функций могут быть реализованы только аппа
ратно, в то же время функции обработки, визуализации и регистрации 
данных, управления и коммуникаций могут выполняться как чисто 
техническими, так и программно-техническими средствами – специализированными контроллерами или компьютерами общего назначения. При этом программное обеспечение становится весьма важным 
компонентом измерительной системы, поскольку именно с его помощью организуется взаимодействие разнородных узлов системы, достигаются требуемая функциональность, гибкость и ряд других важных 
пользовательских качеств.

Большинство технических средств могут быть скомпонованы из 

доступных на рынке элементов и устройств, поэтому нередко разработка прикладного программного обеспечения становится наиболее 
трудоемким этапом проектирования измерительных систем. Значительно упростить выполнение этого этапа позволяет использование 
системы графического программирования LabVIEW (Laboratory Virtual
Instrument Engineering Workbench – автоматизированная лаборатория 
проектирования виртуальных измерительных приборов). Система 

LabVIEW – широко распространенный инструментальный комплекс, 
предназначенный для создания средств автоматизации измерений и 
управления, обладает рядом уникальных свойств, отличающих ее от 
традиционных языков программирования. Приведем только главные из 
этих свойств: 

1. Алгоритм представляется в виде совокупности графических объ
ектов, поэтому исходный код не пишется, а «рисуется».

2. Алгоритм выполняется под управлением потока данных, а не ин
струкций.

3. В LabVIEW естественным образом реализуются принципы па
раллельных вычислений.

4. LabVIEW – система, работающая на компьютерах различной ар
хитектуры и под управлением разных операционных систем, в том 
числе операционных систем реального времени.

В LabVIEW имеются средства интеграции с аппаратурой разного 

класса многих ведущих производителей, а обширные библиотеки 
функций высокого уровня позволяют быстро и эффективно решать 
прикладные задачи в разных отраслях науки и техники. Именно поэтому система LabVIEW получает все большее распространение в исследовательских и проектных организациях, в промышленности и образовании.

Несколько тысяч университетов во всем мире изучают LabVIEW и 

применяют эту систему в процессе обучения различным дисциплинам. 
Все большую популярность завоевывает LabVIEW и в учебных заведениях России. Этому способствует издание на русском языке ряда 
книг и учебных пособий. В этих книгах основное внимание уделяется 
вопросам программирования, что, безусловно, очень важно для освоения приемов и техники разработки программ в LabVIEW. Однако при 
решении прикладных задач автоматизации экспериментальных исследований, управления технологическими процессами или испытания 
промышленной продукции не менее важно правильно подключать и 
конфигурировать технические средства, корректно организовывать их 
взаимодействие с создаваемым программным обеспечением. Эти вопросы детально освещены в технической документации National 
Instruments (NI), многочисленных учебниках и руководствах для пользователей различным оборудованием и программными продуктами 
этой компании. Но прежде эту информацию необходимо перевести на 
русский язык.