LabVIEW 大学实用教程

前言：为什么大学生要学LabVIEW？

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美国国家仪器公司开发的一种图形化编程语言，常被称为“G语言”。

• 直观易学：对于不擅长传统文本编程（如C/C++）的工科生（如电子、自动化、测控、物理等）非常友好,通过拖拽图标和连线即可完成编程。
• 强大高效：内置大量用于数据采集、仪器控制、信号分析和数据可视化的函数库,能让你快速搭建测试测量系统。
• 行业认可：在自动化、测试测量、半导体、航空航天等领域应用广泛，掌握LabVIEW是进入相关行业的“硬通货”。
• 学术必备：是许多大学（尤其是自动化、电子信息类专业）的必修课，也是电子设计竞赛、智能车竞赛等科研竞赛的重要工具。

第一部分：入门基础

第1章：初识LabVIEW

1. LabVIEW的核心思想：虚拟仪器，它将传统仪器的三大功能——数据采集、数据分析、结果显示——用软件模块化实现。

   • 前面板：就是仪器的“用户界面”，包含各种控件（如开关、旋钮、图表）和指示器（如LED、波形图、数值显示）,这是用户与你程序交互的地方。
   • 程序框图：就是仪器的“电路图”或“程序逻辑”，通过连接各种功能函数（节点）来定义控件和指示器之间的数据流,这是程序真正执行的地方。

2. 安装与启动：

   • 获取版本：NI官网提供学生版或试用版，对于学习足够，建议安装LabVIEW和NI-DAQmx驱动（用于数据采集卡）。
   • 启动界面：创建新VI时,会自动生成前面板和程序框图两个窗口。

3. 第一个程序：Hello World!

   • 前面板：从“控件”选板中，拖拽一个“字符串指示器”到前面板。
   • 程序框图：自动切换到程序框图，你会发现出现一个名为“字符串指示器”的端口。
   • 编程：从“函数”选板中，找到“编程 -> 字符串 -> 格式化写入函数”，将其拖入框图，将“Hello, World!”这个常量拖入函数的“格式字符串”输入端，然后将“字符串指示器”的端口连接到函数的输出端。
   • 运行：点击工具栏上的“运行”按钮（绿色箭头），前面板上的指示器就会显示“Hello, World!”，恭喜你,你的第一个LabVIEW程序诞生了！

第二部分：核心概念与编程

第2章：数据类型与数据流

1. 数据类型：LabVIEW中的每个控件都有对应的数据类型。

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 数值：最常用，包括整数、浮点数、复数等。
   • 布尔：代表“真/假”，用于开关、按钮。
   • 字符串：一串字符。
   • 数组：相同类型数据的集合。
   • 簇：不同类型数据的集合,类似C语言的结构体。
   • 波形：专门用于测量数据的数据类型。

2. 数据流：这是LabVIEW编程的灵魂，程序框图中的节点只有在所有输入端口都有数据时才会执行，执行完后将结果送到所有输出端口，数据沿着“连线”流动。

第3章：程序结构

这是编程逻辑的核心，相当于传统语言中的 if-else, for, while 等。

1. While 循环：

   • 作用：只要满足条件,就不断重复执行内部代码。
   • 关键：必须有一个条件终端来决定何时停止，通常是“i < N”或者直接用一个“停止按钮”的布尔值来控制。
   • 技巧：右键点击循环边框，可以添加“移位寄存器”,用于在循环之间传递数据。

2. For 循环：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 作用：执行固定次数的循环。
   • 关键：有一个计数终端 N,表示循环次数。
   • 自动索引：当循环的数组连接到其边框时，可以右键点击隧道，选择“启用索引”,循环会自动逐个取出数组元素。

3. 条件结构：

   • 作用：相当于 if-else 或 switch-case 语句。
   • 使用：它会根据输入的值（通常是布尔值或整数）来选择执行哪一个“分支”,可以拖动分支选择器来查看或编辑不同的代码。

4. 事件结构：

   • 作用：高级结构，用于响应用户在前面板上的操作（如点击按钮、改变数值），比轮询（不断检查按钮状态）更高效。
   • 使用：为不同的事件（如“值改变”、“鼠标按下”）编写不同的处理代码。

第4章：子程序与模块化编程

1. 子VI：相当于传统语言中的函数或子程序,将一段常用代码打包成一个可重用的模块。
2. 创建子VI：
   • 在程序框图中选中你想要封装的代码。
   • 右键 -> 创建 -> 子VI。
   • 系统会自动打开一个新的窗口，让你定义这个子VI的“图标”（前面板左上角的小图）和“连接器”（定义输入输出端口）。
3. 使用子VI：创建后，它就像一个普通的函数节点一样，可以被拖拽和调用，这是编写大型、复杂程序的必备技能。

第三部分：数据采集与仪器控制

这是LabVIEW最强大的应用领域,也是大学科研和竞赛的核心。

第5章：数据采集

1. 硬件准备：你需要一块NI的数据采集卡，如USB-6000系列,或者使用学校实验室的采集设备。
2. 软件配置：安装好 NI-DAQmx 驱动。
3. DAQ Assistant (DAQ助手)：
   • 最简单的方式：在程序框图中右键 -> 测量 I/O -> DAQmx -> DAQ Assistant。
   • 它会弹出一个图形化配置向导，引导你选择物理通道（如AI 0，表示模拟输入通道0）、输入类型（电压、温度等）、采样率、采样数等。
   • 配置完成后，DAQ助手会自动生成一个包含所有配置的复杂节点,非常适合快速上手。
4. DAQmx VIs：
   • 更专业、更灵活的方式：直接使用“函数”选板下的“测量 I/O -> DAQmx”中的函数，如 DAQmx Create Virtual Channel.vi, DAQmx Timing.vi, DAQmx Start Task.vi, DAQmx Read.vi 等。
   • 这种方式代码更清晰，性能更好,是工业界和复杂项目中的标准做法。

示例：采集一个模拟电压信号并在波形图上显示

1. 在程序框图中放置一个While循环。
2. 在循环内放置一个DAQ Assistant节点，配置为“模拟电压输入”。
3. 从函数选板拖入一个“波形图”到前面板，并将它的端口连接到DAQ Assistant的“读取”输出端。
4. 在循环中放置一个“等待（ms）”函数,控制采样率。
5. 运行程序,你就能实时看到电压波形了。

第6章：仪器控制

使用LabVIEW控制各种标准仪器，如示波器、信号发生器、万用表等。

1. 总线接口：仪器通常通过 GPIB (IEEE-488)、VXI、PXI 或更现代的 USB、LAN (LXI) 接口连接到电脑。
2. VISA (Virtual Instrument Software Architecture)：

   NI提供的标准I/O API，用于与各种仪器通信，它是一种统一的接口，不管你用的是GPIB还是USB仪器,都使用相同的VISA函数。

3. VISA函数：
   • VISA配置资源：打开与仪器的连接。
   • VISA写入：向仪器发送命令（如 *IDN? 是让仪器返回其身份识别信息）。
   • VISA读取：从仪器读取返回的数据。
4. IVI (Interchangeable Virtual Instruments)：

   更高级的驱动技术，允许你在不修改程序的情况下，更换同类型的仪器（从Agilent的示波器换成Tektronix的示波器）。

第四部分：高级主题与最佳实践

第7章：文件I/O

如何将数据保存到文件或从文件读取。

• 写入测量文件 (.lvm)：最简单的方式，专为测量数据设计，可以保存时间戳、波形等信息,用Excel或记事本都能打开。
• 电子表格文件 (.txt, .csv)：适合保存简单的二维表格数据。
• 二进制文件：读写速度最快，文件体积小,但可读性差。

第8章：状态机

一种非常强大的程序设计模式，尤其适用于有多个操作步骤或状态的系统（如一个完整的测试流程）。

• 结构：一个While循环 + 一个枚举型变量（用于表示当前状态）+ 一个条件结构（根据枚举值选择执行哪个状态的代码）。
• 优点：逻辑清晰,易于扩展和维护。

第9章：最佳实践

1. 图标与连接器：为每个子VI设计清晰、简洁的图标和连接器，方便他人（和未来的你）理解。
2. 禁用调试：程序开发完成后，点击“工具 -> 选项 -> 性能 -> 允许调试”并取消勾选,可以显著提高程序运行速度。
3. 错误处理：使用“错误输入/输出”函数簇来处理程序中可能出现的错误,使程序更健壮。
4. 善用注释：在复杂的程序框图旁添加“自由标签”作为注释,解释代码的功能。

学习路径与资源推荐

大学生学习路径建议

1. 第一阶段（1-2周）：基础入门
   • 目标：熟练掌握前面板和程序框图的创建,理解数据流。
   • 练习：完成所有内置示例，尝试用While循环和For循环做一些简单的数学计算（如求和、阶乘）。
2. 第二阶段（2-4周）：核心编程
   • 目标：熟练使用各种程序结构,学会创建和使用子VI。
   • 练习：用状态机模式设计一个简单的虚拟仪器，比如一个可以切换“温度计模式”和“信号发生器模式”的程序。
3. 第三阶段（1-2个月）：实践应用
   • 目标：掌握数据采集和仪器控制。
   • 练习：连接学校的采集设备，完成一个完整的实验数据采集与分析项目，采集一个正弦波，进行FFT（快速傅里叶变换）分析,并显示频谱。
4. 第四阶段（长期）：进阶与项目
   • 目标：学习高级主题,参与实际项目或竞赛。
   • 练习：尝试使用FPGA模块、实时模块，或者参加“全国大学生智能汽车竞赛”、“电子设计竞赛”等。

推荐资源

1. 官方资源（首选）：
   • LabVIEW帮助：按 F1 或在菜单栏选择“帮助 -> LabVIEW帮助”，这是最权威、最全面的文档。
   • NI示例查找器：在启动界面或“帮助 -> 查找示例”中，有海量的官方示例,是学习函数用法的最佳途径。
   • NI官网：提供大量教程、白皮书和社区论坛。
2. 在线视频课程：
   • YouTube：搜索 "LabVIEW Tutorial",有很多高质量的免费教程。
   • Bilibili (B站)：国内有很多优秀的UP主分享的LabVIEW入门到精通的视频,非常适合中国学生。
3. 书籍：
   • 《LabVIEW 8.20基础教程》（或更新的版本）：经典的入门教材。
   • 《LabVIEW虚拟仪器程序设计从入门到精通》：内容更全面,适合进阶。
4. 社区与论坛：
   • NI Community (forums.ni.com)：官方国际论坛,高手云集。
   • 中国LabVIEW联盟论坛：国内最大的LabVIEW技术社区,非常活跃。

祝你学习顺利,用LabVIEW创造出属于自己的精彩项目！