Моделирование измерительных приборов и систем в программной среде LabVIEW

 
 
 
В. Д. Казаков 
 
 
 
 
 
МОДЕЛИРОВАНИЕ 
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ 
В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ LABVIEW 
 
 
Справочник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
К14 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор Ю. Ф. Казаков  
(кафедра транспортно-технологических машин и комплексов,  
Чувашский государственный аграрный университет); 
к. т. н., доцент В. Г. Медведев  
(кафедра радиотехники и радиотехнических систем,  
Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова) 
 
 
 
Казаков, В. Д. 
К14   
Моделирование измерительных приборов и систем 
в программной среде LabVIEW : справочник / В. Д. Казаков. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
128 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1617-7 
 
Приведено описание программы LabVIEW для создания измерительных приборов и систем. Показано применение данной 
программы для графического моделирования информационноизмерительных систем (ИИС) на примере создания виртуального прибора (ВП) для спектрального анализа импульсных сигналов: создание иконки аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 
и соединительной панели. Рассматривается создание и редактирование графических компонентов управления и индикации 
устройств в учебной программе и примеры создания дополнительных различных виртуальных приборов. 
Для студентов факультета радиотехники и электроники. 
 
УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
 
 
ISBN 978-5-9729-1617-7 ” Казаков В. Д., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

Введение 
 
Разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. 
Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их 
трудоемкое исследование. Оно невозможно из-за чрезвычайной 
сложности устройств, например, больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники. 
Моделирование является одним из фундаментальных научных методов познания и исследования процессов, систем и 
устройств. Существует множество определений понятия модели. Модель – это формализованная сущность, отражающая наиболее общие и существенные свойства объекта. Можно выделить три основных вида задач, решаемых с помощью моделирования. 
Анализ – процесс определения параметров и характеристик 
системы по заданным или по известным параметрам элементов 
и устройств, из которых образована изучаемая система.  
Синтез – процесс достижения или получения заданных параметров и характеристик системы путем подбора или вариации параметров элементов и устройств, входящих в систему. 
Синтез является, как правило, итерационным процессом – процессом последовательного приближения характеристик синтезируемой системы к требуемой путем вариации (коррекции) 
параметров элементов или устройств, составляющих систему. 
На каждом итерационном шаге решается задача анализа системы с корректированными параметрами. 
Диагностика – процесс сравнения работы реальной системы и ее модели для определения работоспособности или нахождения неисправности системы. 
Для исследования процесса функционирования системы математическими методами, включая компьютерные, должна быть 
проведена формализация этого процесса, т. е. составлена его математическая модель. По общепринятому определению, мате3 

матическая модель – это приближенное описание объекта, системы, процесса с помощью математических методов. 
Анализ математической модели позволяет проникнуть в сущность изучаемого объекта или явления. Под математическим моделированием обычно понимают процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторого математического 
объекта, называемого математической моделью, и исследование 
этой модели, позволяющее получать характеристики реального 
объекта. Математические модели можно разделить на следующие виды: аналитические, имитационные и комбинированные.  
Аналитические модели – формализация процессов функционирования системы в виде аналитических функциональных соотношений или логических условий.  
Имитационные модели – представление процессов функционирования системы в виде алгоритма, имитирующего процессы, 
протекающие в исследуемой системе. При этом имитируются 
элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением логической структуры и последовательности протекания во времени. Имитационные модели позволяют достаточно просто учитывать дискретный и непрерывный характер процессов, нелинейность характеристик элементов системы, случайные воздействия и помехи и т. д. Имитационное моделирование – наиболее эффективный метод исследования больших (сложных) систем, а часто и единственный практически доступный метод получения информации о поведении системы на этапе ее проектирования. 
Комбинированные модели (аналитико-имитационные) применяются, когда можно использовать преимущества и аналитического и имитационного моделирования. При построении комбинированных моделей проводится предварительная декомпозиция процесса функционирования объекта на составляющие 
процессы. Для части из них, если возможно, используются аналитические модели, а для остальных процессов строятся имитационные модели. 
Имитационное моделирование является весьма эффективным методом исследования сложных систем. Разновидностью 
имитационного моделирования является статистическое моделирование.  
4 

Применение моделирующих программ позволяет решить 
одновременно и такие проблемы, как экономия материальных 
и финансовых затрат на лабораторное оборудование и его обслуживание; сокращение времени на подготовку и проведение 
лабораторных работ; проведение экспериментов, недоступных 
на обычном лабораторном оборудовании; приобретение навыков и приемов автоматизированного проектирования. 
В измерительной технике сформировалось новое направление – компьютерно-измерительная система (КИС), и ее разновидности – виртуальные измерительные приборы (виртуальные 
приборы). Технология виртуальных приборов позволяет создавать системы измерения, управления и диагностики различно- 
го назначения практически любой сложности, включая математическое моделирование и тестирование этих систем. Суть этой 
технологии состоит в компьютерной имитации с помощью программы реальных физических приборов, измерительных и управляющих систем. 
Слово виртуальный не должно вводить в заблуждение читателя, поскольку приборы, реализованные по этой технологии, 
на самом деле являются реальными, работающими с реальны- 
ми физическими входными сигналами. Виртуальность здесь понимается в смысле имитации функций прибора математическими и программными методами. Например, виртуальный осциллограф по функциям эквивалентен реальному осциллографу, 
поскольку имеет физический вход для электрического сигнала. 
Преобразование сигнала в цифровой сигнал осуществляется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения осуществляется программным способом. Такой осциллограф имеет 
виртуальный экран, виртуальные ручки управления (усиление, 
синхронизация, развертка и др.), графически отображаемые на 
экране монитора компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуального прибора управляются с клавиатуры или посредством 
мыши. 
Методика создания виртуальных приборов позволяет организовать лабораторный практикум, учебный, научный и технический эксперимент, включая дистанционный с использовани5 

ем локальных и сетевых технологий. Значительную роль играют виртуальные приборы в дистанционных автоматизированных учебных лабораториях. 
В процессе обучения студент постигает теорию и практи- 
ку инженерных дисциплин. Лекционные и семинарские занятия, соответственно, обеспечивают формирование и развитие 
абстрактного инженерного мышления. Практические знания и 
навыки будущий инженер получает главным образом в лабораторном практикуме, в ходе которого формируется практическое мышление инженера. 
На лабораторные практикумы при подготовке инженера затрачивается около 30–40  от общего времени его обучения. 
Эта составляющая учебного процесса является наиболее дорогостоящей и затратной, поскольку для ее обеспечения требуются специальные лаборатории, помещения, современное оборудование, стенды, приборы и т. д. Для обслуживания, помимо преподавательского состава, также необходимы квалифицированные кадры инженеров и техников. Поэтому продвижение современных информационных и телекоммуникационных технологий 
в лабораторные практикумы и в учебный эксперимент весьма 
важно с целью как повышения эффективности обучения, так и 
снижения материальных затрат и себестоимости учения. 
Современная технология виртуальных приборов позволяет 
экономить значительные финансовые ресурсы, не снижая качества обучения. Мировая вузовская практика подтверждает устойчивую и усиливающуюся тенденцию внедрения виртуальных 
технологий в учебный процесс. Программная среда LabVIEW, 
поддерживающая технологию виртуальных приборов, и соответствующее аппаратное обеспечение позволяют модернизировать 
учебные лаборатории гибким, программно перестраиваемым, измерительным оборудованием или модернизировать имеющие- 
ся средства измерений практически любой сложности, а также 
внедрить автоматизированные измерительные системы и станции для учебного процесса и комплексных исследований в вузовской науке. 
Программа LabVIEW является идеальным программным 
средством для создания систем измерения, а также систем автоматизации управления на основе технологии виртуальных при6 

боров. LabVIEW – программа в комплексе с такими аппарат- 
ными средствами, как встраиваемые в компьютер многоканальные измерительные аналого-цифровые платы, платы захвата и синхронизации видеоизображения для систем машинного 
зрения, платы управления движением и исполнительные механизмы, а также измерительные приборы, подключаемые к компьютеру через стандартные интерфейсы RS-232, RS-485, USB, 
GPIB (КОП), PXI, VXI, позволяет разрабатывать системы измерения, контроля, диагностики и управления практически любой 
сложности.  
LabVIEW имеет собственную мощную математическую поддержку. Кроме того,  LabVIEW может интегрировать в себе программы, написанные в среде MatLab. Большое количество встроенных алгоритмов цифровой обработки одномерных и двумерных 
сигналов позволяет осуществлять весьма сложную обработку сигнала, изображения и экспериментальных данных во временной, 
пространственной и спектральной областях. 
Роль программных сред, подобных LabVIEW, в научных 
исследованиях и технических экспериментах весьма велика. Вызвано это развитием и совершенствованием измерительной техники и появлением нового поколения высокоточных и высокочувствительных измерительных приборов и автоматизированных измерительных систем. Функции моделирования и экспериментирования разделены. Моделирование осуществляется в среде математических программных пакетов, а эксперименты поддерживаются другими программными средствами. Эффективность использования среды LabVIEW состоит в том, что можно 
как разрабатывать математическую модель объекта, так и снабжать эту модель экспериментальными данными с помощью аппаратных средств, сопряженных с реальным обьектом.   
 
 
 
 
7 

Глава 1. Среда графического программирования 
LabVIEW 
 
1.1. Технология создания виртуального прибора 
 
Программу, написанную в среде LabVIEW, принято называть виртуальным прибором (ВП) или виртуальным инструментом (ВИ). Это следует из того, что любая программа, созданная 
в LabVIEW, представляется в виде некоторого прибора, основными составляющими которого являются лицевая панель, блоксхема, иконка и соединительная  панель.  
На лицевой панели (Front Panel) располагаются элементы 
управления (регулирующие ползунки, ручки, кнопки, переключатели), а также элементы отображения (экраны, цифровые табло, индикаторы). Лицевая панель является графическим интерфейсом пользователя для управления программой. 
Иконка (icon) и соединительная панель (connector) ВП служат для того, чтобы другие ВП могли передавать данные на входы ВП. Иконка является графическим изображением ВП. Соединительная панель – это графическое изображение полей ввода и вывода данных в ВП. 
Иконка и соединитель позволяют использовать ВП как основные программы или как подпрограммы внутри других программ или подпрограмм. 
Блок-схема представляет собой графическое изображение 
блоков, входящих в состав прибора, а также терминалы элементов управления, размещенных на лицевой панели. Как и в традиционной блок-схеме, сигнал в процессе обработки проходит 
через блоки от входа к выходу. 
 
1.2. Создание лицевой панели виртуального прибора 
 
Для создания ВП необходимо активизировать лицевую панель ВП, проделав следующие операции: включить компьютер ĺ 
ĺ Пуск ĺ LabVIEW 8.0 ĺ LabVIEW 8 (рис. 1.1) ĺ 
 
8 

 
 
Рис. 1.1. Программа LabVIEW 
 
ĺ окно LabVIEW 8 (Getting Started) (рис. 1.2) ĺ 
 
G
 
Рис. 1.2. Окно LabVIEW 8 
9 

ĺ New ĺ окно New (Create New) (рис. 1.3) ĺ 
 
 
 
Рис. 1.3. Окно «Greate New» 
 
ĺ Blank VI ĺ окно Untitled 1 Front Panel (рис. 1.4) ĺ View ĺ 
 
 
 
Рис. 1.4. Лицевая панель 
 
ĺ контекстное меню Controls Palette (рис. 1.5)Gĺ 
10