NI LabVIEW—NI软件工具

什么是NI LabVIEW?

LabVIEW开发环境提供了图形化编程方法和前所未有的硬件集成,旨在帮助工程师和科学家快速设计和部署测量和控制系统,提高生产力。 借助这一灵活的平台,工程师可以完成从设计到测试等一系列步骤以及开发大中小型系统,同时重用IP和简化流程,实现性能的最优化。

通过图形化编程加速工程开发

通过简化底层复杂性和集成构建各种测量或控制系统所需的工具,LabVIEW图形化系统设计软件为工程师提供了一个平台来加快流程和更快速实现所需结果。 它内置了多个工程专用的软件函数库以及硬件接口、数据分析、可视化和特性共享库。

确保成功搭建系统的生态网络

借助LabVIEW系统设计软件,让设计思路展现在眼前。 NI提供了由众多合作伙伴和技术联盟组成的一流生态系统、充满活力的全球用户社区、工程技术支持以及每年一次的产品发布,帮助您自信满满地创新开发。

 


 

NI PXI系统—NI硬件平台

PXI是一种坚固且基于PC的平台,适用于测量和自动化系统。 PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的模块化及Eurocard机械封装的特性,并增加了专门的同步总线和主要软件特性。PXI的高性能、低成本部署平台可用于多种领域,例如制造测试、军事和航空、机器监控、汽车和工业测试。PXI于1997年开发,并在1998年发布,其公开的工业标准由PXI系统联盟(PXISA)所管理。该联盟由70多家公司组成,它们共同推广PXI标准,确保PXI的互通性,并维护PXI规范。

PXI系统各个部分

1、机箱

标准机箱类型

作为PXI系统的核心,机箱为控制器和模块提供了电源、冷却以及PCI和PCI Express通信总线。 PXI机箱在低噪音、高温和低插槽数到高插槽数等多种环境配置下都适用。 此外,它还提供一系列的I/O模块插槽类型、集成外设,如液晶显示器等。

PXI Express机箱

PXI Express机箱具备最新PXI规范的所有高性能特性,并能够灵活兼容PXI和PXI Express模块。

PXI机箱

PXI机箱具备多种配置,能够接受PXI和CompactPCI模块,系统带宽高达132 MB/s。

PXI机箱

PXI机箱具备多种配置,能够接受PXI和CompactPCI模块,系统带宽高达132 MB/s。

机箱特点

PCI和PCI Express通信

PXI机箱为用户的控制器和模块提供了PCI和PCI Express通信总线。 PCI总线共享总线拓扑,132 MB/s的理论峰值带宽在多个设备之间分配,因此总线上的不同的设备能够相互通信。 PCI Express拥有点对点总线拓扑结构,用共享开关取代了共享总线。 由此,每个设备都能直接访问总线,它们专用的数据流水线称为巷道。 用户可以将这些巷道集合在一起,提高插槽带宽,实现高达4 GB/s的数据处理能力。

定时与同步

PXI基于CompactPCI架构,增加了集成定时和同步功能,用于内部选择同步时钟和触发器路径。 PXI机箱包含专用的10 MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星形触发总线和槽对槽本地总线,而PXI Express机箱增加了一个100 MHz差分系统时钟、差分信号和差分星形触发,来满足高级定时和同步的需要。

电源和冷却

PXI规范要求至少提供给每个外围插槽25W的电源,PXI Express规范则至少需要30W,并且每个插槽会散发同样的热量。 从这些要求可以看出,PXI是针对高性能应用而设计的模块化仪器平台。

2、控制器

控制器

根据PXI硬件规范的定义,所有PXI机箱包含一个插于机箱最左端插槽(插槽1)的系统控制器。 可选的控制器有具备微软Windows操作系统或实时操作系统(NI LabVIEW实时)的高性能嵌入式控制器,以及台式机、工作站、服务器或笔记本电脑控制的远程控制器。

嵌入式控制器

采用嵌入式控制器,用户就无需再使用外部PC。 PXI机箱内部包含了一套完整的系统。 嵌入式控制器配有标准设备,如集成CPU、硬盘、内存、以太网、视频、串口、USB和其他外设。 它们适用于基于PXI或PXI Express的系统,并可自行选择操作系统,包括Windows或LabVIEW实时系统。

远程控制器

借助于PXI远程控制套件,用户可以直接通过台式电脑、笔记本电脑或服务器计算机控制PXI系统。 PXI的PC控制由计算机中的一块PCI Express板卡和PXI系统插槽1中的一个PXI/PXI Express模块构成,通过一根铜质电缆或光纤电缆连接。

机架式控制器

机架式控制器适用于控制PXI系统。 其中的多核处理器可用于密集计算,多个可移动硬盘驱动可用于多数据存储和高速硬盘读写。

3、模块

模块类型

为了满足用户测试或嵌入式应用需求,NI提供了450多个模块,包括:

CAN

控制器区域网络(CAN)接口,满足了基于CAN的车载网络标准在物理和电气上的要求。

计数器/定时器

此类模块提供多种计数和定时测量,包括测量多个与时间相关的量、事件计数或累加,以及借助正交编码器的定位测量。

数字I/O

凭借最高150V的电压、高电流驱动以及隔离,工业数字I/O可以直接连接到各种泵、阀门、电机和其他传感器/激励器。

数字万用表和LCR表

这些设备适用于自动化测试,能够精确地测量电压、电阻、电流、电容、电感和温度。

数字化仪/示波器

这些设备时域和频域应用上,具有非凡的多功能性。 连同标准示波器测量一起,用户可以将它们作为频谱分析仪、瞬态记录器,超声波接收器和其他各种仪器使用。

动态信号采集(DSA)

动态信号采集(DSA)设备专为需要音频、噪音和振动测量的应用而设计。

FlexRay

FlexRay接口能够满足基于FlexRay的车载网络标准在物理和电气上的要求,并支持车辆的冷启动和正常的应用。

帧接收器

帧接收器通过Camera Link、GigE Vision、IEEE 1394以及模拟和并行数字设备获取图像。

GPIB

使用业界最常用的仪器控制标准连接至堆叠式仪器。

高速数字I/O

应对从自定制数字通信分析到行结束功能测试的各种应用挑战。

工业网络接口

各种传感器和激励器能够摆脱环境或距离的束缚,处理远程测量、工业控制和数据记录应用程序。

局域互连网络(LIN)

这些接口用于汽车网络的低成本、低端多路复用通信LIN总线标准。

运动控制

这些模块的应用范围涵盖了从简单的单轴控制到分布式同步多轴控制。

多功能数据采集

这些设备具有模拟I/O、数字I/O和计数器/定时器电路。 它们涵盖了从低价位到高性能的各类款型,物超所值且简单易用。

NI FlexRIO自定义仪器

这些高性能、可重配置的仪器是由NI LabVIEW FPGA模块供电的。 解决方案由针对PXI的NI FlexRIO FPGA模块以及适配器模块组成,可将I/O添加至现场可编程门阵列(FPGA)。

电源和源测量单元(SMU)

这些设备包括高通道数、高速源测量单元(SMU);精确源测量单元(SMU);高功率源测量单元(SMU);通用电源;和快速瞬态电源。

RF

这些快速灵活且精确,最高可达26.5 GHz的射频仪器,包含了射频信号发生器、分析仪和矢量网络分析仪。

串口

1至16端口连接至RS232和RS485标准

信号调理

数据采集和信号调理在单块PXI卡上集成,为应变计、基于电桥的传感器、温度和高电压的模拟输入信号实现最佳精度和吞吐量。

信号发生器

这些设备包括多功能任意波形发生器、函数发生器和时钟及频率发生器。

开关

它包含了矩阵开关和多路复用器,以及通用开关、射频开关和继电器。

定时与同步

这些模块利用并驱动触发总线、星形触发以及PXI的系统参考时钟来实现高级的多设备同步。

 

 

4、软件

软件

 

NI提供全面的软件套件,简化用户对PXI系统开发。 其中的高性能的驱动以及灵活、直观的高级API适用于最常用的应用开发环境(包括,LabVIEW、NI LabWindows™/ CVI和Visual Studio)。 软面板和配置软件还可以用来实现对仪器的设置和交互式控制。

NI LabVIEW

LabVIEW作为直观的图形化编程环境,可帮助用户快速开发功能强大的测试软件。 借助于数千种仪器与技术[如:多核和现场可编程门阵列(FPGA)]的兼容性,用户能够开发高性能自动化测试系统。

NI LabWindows/CVI

LabWindows/CVI是一类久经验证的ANSI C集成开发环境,提供用于创建测试和控制应用的全套编程工具。 LabWindows/CVI兼有ANSI C的耐用性、复用性和特定的工程性能,适用于仪器控制、数据采集、分析和用户界面开发。

NI TestStand

用户可借助NI TestStand这一强大且可立即运行的测试管理环境,更快地开发自动化测试和验证系统。 NI TestStand可对各类编程语言所编写的测试序列进行开发、管理和执行,并促进与企业系统的集成。

NI VeriStand

NI VeriStand是一个运行时可编辑的软件环境,用于配置实时测试应用,包括I/O接口、触发、监控、仿真支持激励生成和报警条件响应。

LabWindows标志由Microsoft公司授权。 Windows是Microsoft公司在美国和其他国家的注册商标。

 


 

CompactRIO—NI硬件平台

NI CompactRIO是一款可重新配置的嵌入式控制和采集系统。 CompactRIO系统坚固的硬件架构中包含:I/O模块、可重新配置现场可编程门阵列(FPGA)机箱、嵌入式控制器。 此外,CompactRIO通过NI LabVIEW图形化编程工具接受编程,并用于各类嵌入式控制和监测应用程序。

了解CompactRIO架构

CompactRIO系统包含:用于通信和处理的嵌入式控制器、容纳可编程FPGA的可重新配置机箱、可热插拔的I/O模块、用于快速实时、Windows与FPGA编程的图形化LabVIEW软件。 阅读以下内容,深入了解所有这些组件。

 

1、控制器/机箱

NI CompactRIO系统包含:嵌入式控制器和可重新配置机箱。 对于确定性的LabVIEW实时(Real-Time)应用程序或灵活的Windows Embedded Standard 7应用程序,嵌入式控制器提供强大的独立嵌入式执行能力。 嵌入式机箱具有可重新配置的I/O FPGA核心,因而是CompactRIO系统的心脏。

NI一系列高性价比的CompactRIO系统不仅成本低而且封装小巧,非常适合OEM与批量部署。

超坚固类别

如果需要将应用部署至全球最恶劣的环境时,则超坚固的CompactRIO系列平台就是您的不二之选。

高性能类别

如果应用程序需要密集式多核处理功能、集成式VGA图像或强力I/O扩展,高性能CompactRIO产品线正是您需要的。

比较机箱/控制器特性

 

 

超坚固类别

高性能类别

处理器性能                  

高达400 MHz

高达800 MHz

高达1.33 GHz的双核处理器

FPGA性能                  

达43,661个逻辑单元达58个乘法器

达110,592个逻辑单元达64个乘法器

达147,443个逻辑单元达180个乘法器

操作系统                  

实时操作系统

实时操作系统

Windows/实时操作系统

坚固性                 

-20°C到55º C,
  被动制冷

-40°C到70º C,被动制冷

0°C到55º C,被动制冷

体积                  

最小17.8x9.3x217.49999999999997px3

最小18x9.3x217.49999999999997px3

最小40.4x13.4x217.49999999999997px3

终端应用程序范例                  

智能电网分析仪环境监测移动机器人医疗诊断设备控制专用机器(SPM)化工流程控制运动控制

车载记录机器状态监控工业机器控制石油与天然气监测自动化焊接控制结构监控电能质量监测

机器视觉 ECU原型 分析仪器 风机控制及仿真 工业机器人 快速控制原型 大物理 & 研究 电能分配/控制

 

 

2、扩展

NI可重配置I/O (RIO)扩展机箱将NI C系列平台的优势扩展至需要数百乃至数千路通道的RIO应用。 C系列模块提供集成式信号调理和连接端子,这使其无需外部自定义电路和连线就能有效建立大型混合型I/O系统。 每款扩展机箱还包含Xilinx现场可编程门阵列(FPGA);用户可借助NI LabVIEW FPGA模块编程,实现高速且可定制的I/O定时、在线处理和控制功能。

MXI-Express RIO扩展机箱

对于需要定制信号处理与控制算法以及混合信号调理I/O的应用,MXI-Express RIO机箱提供了最高性能的扩展RIO解决方案。MXI-Express RIO机箱具备高超的处理能力和同类最佳的FPGA,极适合硬件在环、实时测试和复杂的科研应用。 可借助菊花链(daisy-chain)方式将多个MXI-Express RIO机箱连接至可支持的控制器,其中包括实时或Windows NI CompactRIO、PXI、PC、机架与工业控制器。 每个机箱具有8个或14个C系列I/O插槽,每条菊花链可连接最多六个机箱,每个控制器最多可连接八条菊花链。 借助250 MB/s的总线吞吐率(bus throughput),MXI-Express RIO可处理最高密度的数据读写应用。

以太网RIO扩展机箱

NI以太网RIO机箱可轻松将用户可编程的FPGA和经混合信号调理的I/O添加至任何以太网络,提供了最灵活的RIO扩展解决方案。 这些机箱适用于分布式远程测量系统,并能轻松集成各类实时NI CompactRIO系统、实时PXI系统或使用标准10/100以太网的Windows PC。 以太网RIO机箱均提供4个或8个C系列I/O插槽;用于自定义定时、在线处理和控制的用户可编程集成FPGA;用于提高可靠性的网络故障防护;以及针对LabVIEW FPGA模块与RIO扫描模式的支持。

EtherCAT RIO扩展机箱

NI EtherCAT RIO机箱提供确定性分布式I/O,用于满足时间关键型系统对定时与同步的严格要求。 借助实时以太网,这款用于NI和第三方C系列模块的8槽坚固型机箱能与任何包含2个以太网端口的CompactRIO、实时工业控制器或实时PXI系统进行确定的通信。 通过菊花链(daisy-chain)方式将多个从机箱(slave chassis)连接至控制器既可将时间关键型应用扩展至高通道数应用,又能保持高度确定性。 此外,可将FPGA代码嵌在扩展I/O上,继而减少控制器的处理负载以及缩短响应时间。 NI 9144机箱提供8个C系列I/O插槽,以及用于自定义定时、在线处理和控制的2百万门FPGA。

无线传感器网络

通过NI WSN平台可监测系统状态和运行环境,电池供电的WSN测量节点还提供工业级别的分析和控制功能。 无线网络的节点数从十个到上百个不等,并可无缝集成现有CompactRIO系统。

 

3、模块

NI CompactRIO通过LabVIEW FPGA的基本I/O功能将硬件与每个I/O模块的输入/输出电路直接连接。 每个I/O模块含有内置的信号调理和螺栓端子、BNC或D-Sub连接器。 目前,有适合不同测量的50多款C系列模块,包括:热电偶、电压、电阻温度探测器(RTD)、电流、电阻、应变、数字(TTL和其他)、加速度计和麦克风。 每个模块的通道数从3路到32路不等,可满足多种系统需求。

C系列模块

 

目前,有适合不同测量的50多款C系列模块,包括:热电偶、电压、电阻温度探测器(RTD)、电流、电阻、应变、数字(TTL和其他)、加速度计和麦克风。 每个模块的通道数从3路到32路不等,可满足多种系统需求。

 

4、软件

NI LabVIEW图形化开发环境结合基于配置的工具和强大的编程功能,适于开发配有专业用户界面的测量、分析和控制应用程序。 NI LabVIEW和NI CompactRIO帮助用户轻松使用FPGA技术,因而能够帮助用户自定义控制电路,同时降低了传统自定义硬件中的复杂性和成本。

NI LabVIEW开发系统

数百万工程师和科学家使用NI LabVIEW图形化编程环境,借由类似于流程图的直观图形化图标和连线,开发复杂的测量、测试和控制系统。 它具有无可比拟的集成特性,可集成数千款硬件设备,同时也能通过上百个内置库实现高级分析和数据的可视化——这两个功能均适用于搭建虚拟仪器。 NI LabVIEW平台可在多种终端和操作系统中扩展,并且自1986年推出后便成为行业的领袖。 LabVIEW Real-Time和FPGA模块让用户能够将应用程序开发、调试和部署至CompactRIO上的微处理器和FPGA。

LabVIEW Real-Time模块

NI实时技术为时间要求苛刻的应用系统提供可靠、确定的性能。 采用NI LabVIEW Real-Time模块,快速、高效地将复杂的实时系统开发并部署至CompactRIO的微处理器。

LabVIEW FPGA模块

NI LabVIEW FPGA模块可帮助用户采用图形化编程来创建自定义的测量和控制硬件,而无需拥有底层硬件描述语言或板卡设计的经验。 使用该自定义硬件,可以实现独特的定时和触发例行程序、超高速控制、数字协议连接、数字信号处理(DSP)、RF和通信和其他许多要求具有高速硬件可靠性和高度确定性的应用。 使用LabVIEW FPGA模块,将应用程序开发、编译并部署至CompactRIO的板载FPGA。

 


 

数据采集(DAQ) —NI硬件平台

数据采集是使用计算机测量电压、电流、温度、压力或声音等电子、物理现象的过程。DAQ系统由传感器、DAQ测量硬件和带有可编程软件的计算机组成。与传统的测量系统相比,基于PC的DAQ系统利用行业标准计算机的处理、生产、显示和连通能力,提供更强大、灵活且具有成本效益的测量解决方案。

DAQ系统各个部分

1、传感器

什么是传感器?

例如室内温度、光源强度、或施于物体的压力等物理现象都通过传感器进行测量。传感器,也被称为转换器,能够将一种物理现象转换为可测量的电子信号。根据传感器类型的不同,其输出的可以是电压、电流、电阻,或是随着时间变化的其他电子属性 。一些传感器可能需要额外的组件和电路来正确生成可以由DAQ设备准确和安全读取的信号。

常用传感器

传感器                  

现象                  

热电偶, RTD,热敏电阻

温度

照片传感器

光源

麦克风

声音

应变计,压电传感器

力和压力

电位器, LVDT,光学编码器

位移和位置

加速度计

加速度

pH电极

pH

2、DAQ板卡和设备

什么是DAQ设备?

DAQ硬件是计算机和外部信号之间的接口。它的主要功能是将输入的模拟信号数字化,使计算机可以进行解析。DAQ设备用于测量信号的三个主要组成部分为信号调理电路、模数转换器 (ADC)与计算机总线。很多DAQ设备还拥有实现测量系统和过程自动化的其他功能。例如,数模转换器(DAC)输出模拟信号,数字I/O线输入和输出数字信号,计数器/定时器计量并生成数字脉冲。

DAQ设备的主要测量组件

信号调理

直接测量传感器信号或外部信号可能过于嘈杂或危险。信号调理电路将信号处理成可以输入至ADC一种形式。电路包括放大、衰减、滤波和隔离。一些DAQ设备含有内置信号调理,用于测量特定的传感器类型。

模数转换器(ADC)

在经计算机等数字设备处理之前,传感器的模拟信号必须转换为数字信号。 模数转换器(ADC)是提供瞬时模拟信号的数字显示的一种芯片。实际操作中,模拟信号随着时间不断发生改变,ADC以预定的速率收集信号周期性的“采样”。这些采样通过计算机总线传输到计算机上,在总线上从软件采样重构原始信号。

计算机总线

DAQ设备通过插槽或端口连接至计算机。作为DAQ设备和计算机之间的通信接口,计算机总线用于传输指令和已测量数据。DAQ设备可用于最常用的计算机总线,包括USB、PCI、PCI Express和以太网。最近, DAQ设备已可用于802.11无线网络进行无线通信。总线有多种类型,对于不同类型的应用,各类总线都能提供各自不同的优势。

3、计算机和软件

计算机在DAQ系统的起到什么作用?

安装了可编程软件的计算机控制着DAQ设备的运作,并处理、可视化和存储测量数据。不同类型的应用使用不同类型的计算机。在实验室中,可以利用台式机的处理能力;在实地现场,可以利用笔记本电脑的便携性;或在制造厂中,可以利用工业计算机的耐用性。

DAQ系统中有哪些不同的软件组件?

驱动软件

应用软件凭借驱动软件,与DAQ设备进行交互。它通过提炼底层硬件指令和寄存器级编程,简化了与DAQ设备的通信。通常情况下,DAQ驱动软件引出应用程序接口(API),用于在编程环境下创建应用软件。

应用软件

应用软件促进了计算机和用户之间的交互,进行测量数据的获取、分析和显示。它即可以是带有预定义功能的预设应用,也可以是创建带有自定义功能应用的编程环境。自定义应用程序通常用于实现DAQ设备的多项功能的自动化,执行信号处理算法,并显示自定义用户界面。

 


 

模块化仪器—NI硬件平台

 

什么是模块化仪器?

设备的日趋复杂和技术的渐进融合迫使测试系统必须变得更加灵活,但成本方面的压力要求系统具有更长的使用寿命。 实现这些目标的唯一方式便是采用软件定义的模块化架构。 通过共享的元件、高速总线和用户定义的开放式软件,模块化仪器可用来满足当今和未来自动化测试设备(ATE)的各种需求。

优势

灵活性

模块化仪器由主机上的软件进行定义,可实时定义测量与分析。 将算法部署至FPGA来增强性能,您能进一步扩展灵活性。 与传统箱式仪器的由制造商定义的固定功能相比,该方法具有更高的灵活性和功能性。

集成

模块化仪器系统中的所有仪器共用一个电源、机箱和控制器,而独立式仪器则为每个仪器重复配置这些组件,从而增加了成本和体积,降低了稳定性。 一些共享的技术,如GHz处理器与软件,其测量吞吐量是仅由传统仪器搭建的测试系统的10-100倍。

体积

鉴于所有仪器上共享PC、机箱、电源和显示器,模块化仪器系统的封装相比经过优化,适合平台上独立使用的箱式仪器要小的多。 在与单独箱式仪器相同的封装中,该结构让用户能够部署多达17种仪器。

吞吐量

基于PXI的软件定义系统,充分利用了多核处理器和PCI/PCI Express等商业PC技术。 PCI Express属于带宽最高的(达4 GB/s)数据总线,与LAN相比具有高出10倍的带宽并降低了100倍的时延。 该性能极大缩短了测试时间。

功能

NI PXI模块具有500多种不同款型,能够按照您所需的功能配置您的系统。 模块的操作范围从直流延伸到26.5 GHz,包括:业内分辨率最高并结合24位分辨率的数字化仪和业内最快也最精确的7 ½位数字万用表(DMM)。 如有必要,用户可轻松连接传统箱式仪器,以满足测量需求。

硬件

PXI

PXI是用于测试、测量和控制的一个坚固的平台。 测量硬件安装在工业机箱中,主机嵌入在机箱内,或者通过有线接口连接至PC。 PXI独特的优势包括:更高的通道数量、便携性以及集成定时与同步。

基于PC

模块化仪器包括主机外设端口或外设插槽的外围设备。 在这些系统中,主机提供了用于运行测量软件的处理器以及电源和I/O的机箱。

软件

系统服务和驱动软件

驱动I/O软件和硬件配置工具将软硬件相连,因此对于模块化仪器来说非常重要。 仪器驱动程序为特定的开发环境进行了优化,仪器指令也因此是无缝的。 此外,配置工具包括各种用于配置和测试I/O以及存储缩放、校准和通道混叠信息的资源。

测试开发软件

测试开发软件提供了开发应用代码或流程的工具。 尽管模块化仪器系统并不一定使用图形化编程,但由于图形化工具易于使用、便于快速开发,因而通常应用于这些系统中。 NI LabVIEW提供了行业内应用最为广泛且最完整的图形化开发环境。

测试管理软件

某些应用程序需要软件来实现测试执行或测试数据的可视性。 针对高度自动化的测试系统,测试管理软件提供了一个用于生成序列、分支/循环、报告生成和数据库集成的架构。 其它应用使用软件来管理、分析并记录采集的数据或仿真时生成的数据。

 


NI硬件平台

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