LabVIEW в научных исследованиях

Москва, 2018

Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И.

LabVIEW

в научных исследованиях

УДК 621.38
ББК 32.973.26-108.2

 
Е15
 

 
 
Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И.
Е15 
LabVIEW в научных исследованиях. – М.: ДМК Пресс, 2018. – 400 с.: ил. 

 

ISBN 978-5-97060-630-8

В данной книге возможности LabVIEW как среды программирования демонстрируются 
на примерах в области цифровой обработки сигналов, радиоэлектроники, компьютерных 
измерений и автоматизации эксперимента, электродинамики и распространения 
радиоволн. Большая часть примеров в книге строится по принципу «от простого к 
сложному», показавшему свою эффективность на курсах изучения LabVIEW. Книга 
рекомендуется для студентов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей 
вузов, а также может быть полезна инженерам и научным работникам.

 
 
                    УДК 621.38
ББК 32.973.26-108.2 

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы 
то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев 
авторских прав.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность 
технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную 
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности 
за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

                                                 © Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И.
ISBN 978-5-97060-630-8                       © Оформление, издание, ДМК Пресс

1.3.3. Создание блоксхемы виртуального 

Аппаратные и программные средства вводавывода данных3.2.3. Аналогоцифровые и цифроаналоговые 

3.5. Обзор устройств и систем вводавывода фирмы National
3.5.4. Система распределенного вводавывода и промышленного
3.5.5. Реконфигурируемая контрольноизмерительная система
МонтеКарло МонтеКарло методом МонтеКарло 

4.3. Система дистанционного измерения и сбора измерительнодиагностической информации для научнотехнического

7.3. Система для измерения фликкершума 7.4. Создание исполняемых exeприложений 

Основной целью авторов этой книги являлась подготовка практического руководства по применению среды графического программирования LabVIEW для
широкого круга читателей: студентов, аспирантов, инженеров, преподавателей
и научных работников в области радиоэлектроники и телекоммуникаций.
До недавних пор специалисты при решении задач в собственной предметной
области были вынуждены прибегать к помощи профессиональных программистов,
как правило, не являющихся носителями знаний в этой области. Такое посредничество чаще всего увеличивало материальные и временные издержки, а самое главное,
снижало качество исследований и разработок. Даже использование специализированных программных средств лишь частично снимало эту проблему. Появление
программных продуктов последнего поколения с весьма дружественными интерфейсами, адаптированных к менталитету и профессиональным навыкам специалистов, сделало возможным их использование специалистами напрямую, не прибегая к помощи посредников. К таким новым программным продуктам относится
LabVIEW, имеющий весьма удобный пользовательский интерфейс и мощные средства графического программирования. С каждой последующей версией LabVIEW
возрастает уровень интеллектуализации интерфейса пользователя и удобство его
использования. Новая версия LabVIEW 8.2, которая появилась осенью 2006 г.,
является подтверждением этой тенденции.
LabVIEW является идеальным программным средством для создания систем
измерения, а также систем автоматизации управления на основе технологии виртуальных приборов. LabVIEWпрограмма в комплексе с такими аппаратными
средствами, как встраиваемые в компьютер многоканальные измерительные аналогоцифровые 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 RS232, RS485, 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 себя программы, написанные в среде
MatLab. Большое количество встроенных алгоритмов цифровой обработки одно

мерных и двумерных сигналов позволяет осуществлять весьма сложную обработку
сигнала, изображения и экспериментальных данных во временной, пространственной и спектральной областях. Программная среда LabVIEW постоянно расширяется новыми средствами обработки сигналов на основе вейвлетанализа, алгоритмов нечеткой логики, сетевых технологий и т. д.
Роль программных сред, подобных LabVIEW, в научных исследованиях и технических экспериментах весьма велика. В настоящее время в науке наблюдается
своего рода «ренессанс» эксперимента. Вызвано это развитием и совершенствованием измерительной техники и появлением нового поколения высокоточных и
высокочувствительных измерительных приборов и автоматизированных измерительных систем, с помощью которых регистрируются тонкие эффекты 3–4го порядка малости. Несмотря на свою «малость», эти эффекты часто играют ключевую
роль в формировании основного явления, влияния на качество конечной продукции и т. д. Анализ подобных эффектов, как правило, оказывается вне досягаемости теоретических моделей. Поэтому в большинстве случаев эксперимент является единственным источником качественно новой и надежной информации. При
этом результат достигается гораздо быстрее, чем методами «чистой» теории. Зачастую это выгодно и экономически, так как рядовой экспериментатор, вооруженный современным инструментарием, подобным LabVIEW, может достаточно
скоро получить нужную информацию.
Традиционно для исследователя функции моделирования и экспериментирования разделены. Моделирование осуществляется в среде математических программных пакетов, а эксперименты поддерживаются другими программными
средствами, что отнюдь не повышает эффективность исследований. Эффективность использования среды LabVIEW в научных исследованиях состоит в том,
что, оставаясь в ее рамках, можно разрабатывать как математическую модель
объекта, так и снабжать эту модель экспериментальными данными с помощью
аппаратных средств вводавывода, сопряженных с реальным объектом.
В последние годы в России издан ряд книг по LabVIEW, написанных В. К. Батовриным, В. В. Каратаевым, П. А. Бутыриным и их коллегами [1–4]. Следует
здесь также отметить весьма содержательную книгусправочник по функциям
LabVIEW 7 А. Я. Суранова [5]. Большую популярность в среде пользователей
LabVIEW имеет книга Л. И. Пейч, Д. А. Точилина, Б. П. Поллака [6]. Хорошим
стартовым руководством может послужить книга Джеффри Тревиса [7].
По содержанию основная часть известных книг по LabVIEW предназначена
для пользователей, желающих использовать LabVIEW главным образом как
средство программирования. Другая часть книг посвящена применению LabVIEW
в рамках инструментария, используемого в лабораторном практикуме или для
автоматизации физических исследований.
Нам представляется, что можно выстроить содержание книги по LabVIEW
так, что методика и ход изложения материала в книге будут связаны с получением
или повышением профессиональных знаний в конкретной предметной области.
При таком подходе LabVIEW является общим фоном, на котором читатель изучает какойлибо академический курс или предметную область.

Эта книга в своей методической основе является попыткой реализации именно такого подхода. Особенность книги состоит в том, что возможности LabVIEW
как среды программирования демонстрируются на примерах в конкретной предметной области. Эта предметная область – цифровая обработка сигналов, радиоэлектроника, компьютерные измерения и автоматизация эксперимента, электродинамика и распространение радиоволн. Мы полагаем, что в этом случае
мотивация изучения LabVIEW у читателя будет значительно выше. Большая
часть примеров в книге строится по известным методическим принципам «шаг за
шагом», «от простого к сложному» или «делай как я», показавшим свою эффективность на курсах изучения LabVIEW.

Описанная в книге методика создания виртуальных приборов позволяет организовать лабораторный практикум, учебный, научный и технический эксперимент, включая дистанционный эксперимент с использованием локальных и глобальных сетевых технологий.

Авторы надеются, что выбранный подход в изложении материала и описании

LabVIEW повысит интерес специалистов к этому весьма дружественному и эффективному инструменту. Для большей части читателей книга является методическим руководством для освоения работы на LabVIEW и одновременно может
служить учебным пособием для изучения цифровой обработки сигналов, радиоэлектроники, электромагнитных полей и волн. Для другой части читателей, работающих профессионально в области радиоэлектроники, книга знакомит с технологией создания виртуальных приборов. Для работы с книгой достаточно знаний
по математике, физике и радиоэлектронике на уровне второго курса технического
университета. Дополнительные теоретические сведения по изучаемым процессам
и явлениям содержатся в тексте книги.

Материал книги может быть использован студентами всех специальностей направления «Телекоммуникации» при изучении дисциплин: ЕН.Ф.08 «Электромагнитные поля и волны», ОПД.Ф.02.01 «Основы теории цепей», ОПД.Ф.02.03 «Основы схемотехники», ОПД.Ф.03 «Метрология, стандартизация и сертификация»
и преподавателями указанных дисциплин при организации лабораторных практикумов. Книга рекомендуется также студентам специальности 210402 «Средства связи с подвижными объектами». Пособие будет полезно при изучении дисциплины «Распространение радиоволн и антеннофидерные устройства систем
подвижной радиосвязи» и выполнении соответствующего курсового проекта. Пособие может быть использовано студентами специальностей 210405 «Радиосвязь,
радиовещание и телевидение» и 210403 «Защищенные системы связи» при изучении дисциплины «Распространение радиоволн и антеннофидерные устройства».

Настоящее издание подготовлено коллективом сотрудников кафедры радиоэлектроники и информационноизмерительной техники (РИИТ), кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем (РТС) Института радиоэлектроники и телекоммуникаций и Центра дистанционных автоматизированных
учебных лабораторий Казанского государственного технического университета
им. А. Н. Туполева. Изложенный материал в значительной степени опирается на

многолетний опыт преподавания и НИР, проводимых на этих кафедрах с использованием технологии LabVIEW.
Авторы выражают благодарность доценту Р. К. Сагдиеву, аспирантам А. Ю. Кирсанову, А. Е. Едельскову, а также магистрантам Е. С. Денисову, Д. В. Шахтурину.
Авторы весьма признательны менеджеру по развитию представительства
National Instruments в РФ А. В. Спиридонову за поддержку работы над этой книгой и многолетнее плодотворное сотрудничество. Авторы выражают глубокую
благодарность также менеджеру National Instruments П. Р. Сепояну за постоянное
внимание и решение организационных проблем в процессе написания книги.
Авторы благодарны Р. А. Замиловой за ее большую и неустанную помощь при
подготовке рукописи и оформлении книги.

В этой главе изложены основные принципы организации среды LabVIEW и методика работы в ней.

Наше время характеризуется стремительным появлением новых технологий, кардинально меняющих образ деятельности и жизнь многих людей. Особенно ярко
это проявляется в области высоких информационных технологий. Из большого
множества технологических новшеств специалисту для своей успешной практической деятельности весьма важно опираться или же суметь ориентировать себя
на технологии, имеющие устойчивые мировые тенденции развития. Освоив такую технологию, специалист способен надолго и гарантированно «оседлать» новые методы и соответствующий инструментарий, которые обеспечат ему современное профессиональное качество технических разработок при минимальных
временных и материальных затратах.
Одной из таких новых и революционных технологий является , позволяющая создавать системы измерения, управления и диагностики различного назначения практически любой произвольной
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. Программная среда LabVIEW является именно таким инструментарием технологии
виртуальных приборов [1–8].
Слово «виртуальный» не должно вводить в заблуждение читателя, поскольку
приборы, реализованные по этой технологии, на самом деле являются реальными,

работающими с реальными физическими входными сигналами. Виртуальность
здесь понимается в смысле виртуальной 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 аналогоцифровым преобразователем (АЦП). Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения осуществляются
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.
Другим простым пояснительным примером может служить виртуальный генератор сигналов. Такой виртуальный генератор имеет реальный электрический
выход, реальные входы для синхронизации, а также виртуальные ручки управления по функциям, аналогичным обычному генератору. Выходные электрические
сигналы (гармонический, пилообразный, прямоугольный, случайный и т. д.) формируются цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). Генерация сигналов различной формы осуществляется программноматематическими методами. Например, если для генерации синусоидального сигнала в реальном генераторе
используется колебательный контур, включенный в цепь обратной связи усилителя, то в виртуальном генераторе гармонический сигнал получается математически непосредственно по соответствующей тригонометрической формуле для
синусоиды. Ясно, что в этом случае генерируется почти идеальный синусоидальный сигнал без нелинейных искажений, с очень стабильной частотой и амплитудой, а также с известной начальной фазой. В реальном генераторе такие метрологические параметры практически недостижимы.
Преимущество технологии виртуальных приборов состоит в возможности
программным путем, опираясь на мощь современной компьютерной техники, создавать разнообразные приборы, измерительные системы и программноаппаратные комплексы, легко их адаптировать к изменяющимся требованиям, уменьшить затраты и время на разработку.
Общепризнанным мировым лидером технологии виртуальных приборов является компания National Instruments, которая уже более 28 лет производит аппаратное и программное обеспечение, позволяющее создавать системы измерения,
управления и диагностики. Программное обеспечение National Instruments (NI)
включает в себя среды для разработки приложений LabVIEW, LabWindows/CVI
и Measurement Studio, драйверы приборов и различного оборудования, а также
высокоуровневые средства управления тестами и обработкой данных. Программное обеспечение использует последние версии операционных систем Windows,
Mac OS X, Linux и может быть использовано на различных аппаратных платформах: на персональных и промышленных компьютерах, в распределенных системах.
Программная среда LabVIEW представляет собой высокоэффективную среду
графического программирования. Широкие функциональные возможности среды
LabVIEW позволяют использовать ее в практической работе студенту, инженеру

и научному работнику. Интуитивно понятный процесс графического программирования позволяет специалисту уделять больше внимания решению самой проблемы, а не процессу программирования.
Особенности среды LabVIEW состоят в следующем:
функционально полный язык графического программирования, позволяющий создавать программу в форме наглядной графической блоксхемы, которая традиционно используется радиоинженерами;
встроенные программные средства для сбора данных, управления приборами и оборудованием, обработки сигналов и экспериментальных данных, генерации отчетов, передачи и приема данных и т. д.;
мощное математическое обеспечение, возможность интеграции программ,
написанных в среде математического пакета Matlab;
наличие более 2000 программ (драйверов), позволяющих сопрягать разработанную программу с разнообразными приборами и оборудованием различных фирм через стандартные интерфейсы;
наличие большого количества шаблонов приложений, а также свыше
1000 примеров, позволяющих быстро создавать собственные программы,
внося в них небольшие коррекции;
высокая скорость выполнения откомпилированных программ;
возможность работы LabVIEW под управлением операционных систем
Windows 2000/NT/XP, Mac OS X, Linux и Solaris.
Дополнительную и обновляемую информацию о LabVIEW можно найти на
сайтах www.ni.com/labview, www.ni.com/russia.

Широкий спектр потенциальных возможностей программной среды LabVIEW
обеспечивается различными комплектациями, а также набором модулей и инструментов LabVIEW [8].
Пакет LabVIEW поставляется в трех вариантах.
1. LabVIEW Base Package. Представляет собой минимальную
комплектацию LabVIEW. Он используется для создания виртуальных приборов для сбора, анализа и отображения данных, а также управления приборами.
2. LabVIEW Full Development System. Включает в себя все
функции базового пакета LabVIEW Base Package, а также библиотеку анализа и обработки сигналов из более 400 математических функций, событийноуправляемого программирования и дополнительные средства разработки
измерительных систем и пользовательского интерфейса, программные
драйвера GPIB, VISA, VXI, RS232, DAQустройств.
3. LabVIEW Professional Development System.
Включает в себя все функции LabVIEW Full Development System, а также до

полнительные средства для создания сложных приложений группой разработчиков, работающих с большим количеством виртуальных приборов.
В комплект включены пять лицензий на удаленное управление приложениями с помощью стандартного Интернетбраузера.
Дополнительно LabVIEW может снабжаться следующими модулями, расширяющими круг решаемых задач:
LabVIEW RealTime Module. Предназначен для
разработки систем сбора данных и управления, работающих в режиме
жесткого реального времени. Содержит операционную систему реального
времени (ОС РВ), встроенные средства ПИД–регулирования и нечеткой
логики, управления исполнительными механизмами приводами. Обеспечивает работу с распределенными, автономными и встроенными системами
управления;
LabVIEW Vision Development Module. Модуль
предназначен для обработки видеоизображений и высокоуровневых функций машинного зрения, обработки чернобелых, цветных и бинарных изображений, для высокоскоростного поиска изображения по образцу, для измерения расстояний и углов, для потоковой записи на диск с поддержкой
формата AVI;
LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module. Позволяет создавать приложения на SCADAуровне (уровень представления
данных в АСУ ТП). Поддерживает регистрацию данных, мониторинг технологических процессов, обработку тревог и регистрацию событий, встроенные средства безопасности;
LabVIEW FPGA Module. Предназначен для программирования ПЛИС с помощью LabVIEW. Обеспечивает
высокоскоростное, детерминированное (гарантированное) исполнение
программы с периодом исполнения циклов до 25 нс, одновременное исполнение нескольких задач;
LabVIEW
Embedded Development Module. Поддерживает высокоуровневое графическое программирование, интерактивные средства отладки, генерацию
Cкодов для интеграции со средствами разработки приложений производителей микропроцессоров;
LabVIEW PDA Module. Модуль предназначен для разработки программ для КПК (Palm OS, Microsoft Pocket PC 2003) с использованием
LabVIEW. Имеет встроенные эмуляторы для тестирования программ до
загрузки в КПК. Поддерживает CompactFlash или PCMCIA – устройства
сбора данных, цифровых мультиметров и устройств CAN, обмен данными по
протоколам Bluetooth, WiFi, IrDA, RS232. Позволяет создавать портативные измерительные устройства, осциллографы, анализаторы спектра и т. п.
Дополнительные возможности для программирования дает набор инструментов LabVIEW: