《激光光谱仿真与实践》将图形化编程语言LabVIEW和现代激光光谱技术相结合，系统介绍了LabVIEW程序设计的基本概念、程序结构和编程技巧，及其在激光光谱科学研究和工程实践中应用的专门知识，内容分为四大部分，**部分LabVIEW简介，简单介绍了LabVIEW发展历史、编程环境和软件安装过程；第二部分LabVIEW编程基础篇，介绍了图形化编程语言基础知识、VI和子VI程序结构和编程技巧、人机界面交互设计基本操作过程；第三部分LabVIEW编程应用篇，系统介绍了LabVIEW在光谱信号仿真和光谱信号处理、滤波算法、数据采集和通讯、数字锁相、PID控制器设计等方面的应用；第四部分LabVIEW科学研究与工程实践篇，主要介绍了LabVIEW在激光光谱科学研究和工程实践中的典型应用。

第1章LabVIEW简介
　　1.1LabVIEW发展历史
　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）是美国国家仪器公司（National Instruments，NI）开发的一种图形化编程语言，以图形控件代替文本行，通过图形控件拖拽式、流程图或框图编程创建应用程序，LabVIEW是一款面向*终用户的软件工具，内置数千个可用分析函数控件模块，为软件技术人员、科学研究人员、科学家、工程师进行实验研究、模拟设计、嵌入式系统设计和测试并实现仪器系统通讯和控制时，降低了编程的复杂性，可以大大提高工作效率。
　　LabVIEW的发展历史源于20世纪70年代末，从美国应用研究实验室形成VI（VirtualInstrument）概念的雏形，到1986年正式在Macintosh平台开发出LabVIEW1.0版本；1988年LabVIEW2.0版本发布；1994年发布的LabVIEW3.0*次实现了多平台兼容的特性，并开始带有专业附加工具包；1996年发布的LabVIEW4.0增加了自定义界面和应用生成器功能；1998年发布的LabVIEW5.0增加了支持多线程功能，推出了实时（RealTime）模块，运行用户将主机上开发的LabVIEW代码进行自动编译，实现在硬件对象中实时运行；2000年—2001年之间发表了LabVIEW6系列版本集成了因特网和远程控制及事件结构等重要功能；2003年—2004年发布的LabVIEW7系列版本又增加了ExpressVI等全新的功能，尤其是LabVIEW与FPGA（Field Programmable Gate Array）技术的完美结合使其得到进一步升华，除FPGA之外，LabVIEW还能够将代码运行到各种其他嵌入式平台中，例如，DSP（Digital Signal Processor）芯片、ARM（Advanced RISC Machine）微控制器等；2005年发布了LabVIEW8.0版本，直至2006年发布的LabVIEW8.2版本作为20周年的纪念版，*次推出了中文版本的开发环境，在很大程度上提升了中国用户们的开发效率，LabVIEW8系列版本的更新升级一直延续到2009年，通过引入面向对象的程序设计概念，使得LabVIEW编程语言得到更加完善；自2010年8月发布LabVIEW2010版本之后，每隔一年发布新版本一次，并以当年年份为版本号，一直延续到2024年的*高版本LabVIEW2024版。目前，NI官方网站可提供自2009年至今的数十种LabVIEW版本安装程序包，计算机操作系统涵盖Windows、MacOS和Linux操作系统，版本类型分为专业版、基础版和完整版，应用程序位数分为32位和64位两种选项。
　　1.2LabVIEW软件安装
　　LabVIEW软件安装环境可适用于Windows、MacOS和Linux计算机操作系统，本书以Windows操作系统和LabVIEW2014版本为例简单介绍LabVIEW软件的安装过程。*先在LabVIEW官网中找到用户计算机系统和硬件配置匹配的LabVIEW软件Setup程序，并将其下载和保存到计算机中。通过双击启动安装程序，选择中文语言，并按照屏幕的安装步骤提示进行操作，每一步选择必要的安装选项即可，如图1.1为LabVIEW初始化安装过程提示界面，默认情况下无需任何操作，直接单击“下一步”操作按钮即可。
　　图1.1LabVIEW初始化安装过程提示界面
　　然后，进入如图1.2所示的LabVIEW用户安装信息注册界面，依据个人或单位信息自由选择填写相应内容。
　　单击“下一步”操作按钮进入图1.3所示LabVIEW安装路径选择界面，用户可以自定义LabVIEW软件安装的目录。通常LabVIEW默认的安装路径为计算机C盘，用户可以单击“浏览”按钮选择其他安装路径。在此，建议读者安装到C盘以外的磁盘，典型的LabVIEW软件安装文件需要1GB以上存储容量。
　　图1.2LabVIEW用户安装信息注册界面
　　图1.3LabVIEW安装路径选择界面
　　确定安装目录之后，LabVIEW软件开始执行自动安装过程，整个安装过程需要持续一定的时间，等待软件程序安装完成，会出现如图1.4所示的界面，单击“下一步”按钮将弹出“完成”安装提示，则完成LabVIEW2014版软件整个安装过程。
　　程序安装完成之后，需要重新启动计算机并更改计算机配置才能完成安装，因此在使用LabVIEW之前需要重新启动计算机。重新启动计算机之后，可在计算机桌面找到软件快捷运行图标“NI LabVIEW2014（32位或64位，取决于所安装的软件应用程序位数）”，双击即可启动软件，或在计算机左下角“开始”菜单中的“所有程序”中找到“National Instruments”文件夹菜单即可找到“NI LabVIEW 2014”运行程序图标。运行后，将会出现图1.5所示的LabVIEW软件初始化界面。
　　图1.4LabVIEW安装完成界面
　　图1.5LabVIEW软件初始化界面
　　LabVIEW软件初始化界面主要包括“创建项目”和“打开现有文件”左右两个板块。单击“创建项目”按钮，进入如图1.6所示的创建项目界面。此界面**个选项为“项目”模板，以项目方式提供创建项目学习和使用需求，选择单击“项目”模板之后进入如图1.7所示的界面，单击“保存”按钮（或按下Ctrl+S键）将其保存并命名为“演示项目”。
　　图1.6创建项目界面
　　图1.7创建“演示项目”界面创建“演示”项目界面之后，从此窗口界面的左上角“文件”菜单选择**个“新建VI”子菜单（或按下Ctrl+N键）即可完成一个新的空白VI文件的创建，新建的VI文件包括后面板程序框图窗口和前面板显示窗口，在后面板程序窗口单击鼠标右键即可弹出各种“程序代码”图标，而在前面板显示窗口单击鼠标右键即可弹出各种“显示控件”图标，如图1.8所示。LabVIEW软件平台创建的前面板和后面板可通过“Ctrl+E键”快捷方式快速进行切换前后面板的显示方式，更多LabVIEW操作快捷键将在本书附录中给予详细的说明。
　　图1.8新建VI程序后面板（左）和前面板（右）界面
　　实际上，以上所示创建项目界面第二个选项为直接创建空白“VI”模式，通过选择单击“VI”模板亦可以快速创建一个空白VI程序。VI（Virtual Instrument的缩写）称之为虚拟仪器，通俗地理解就是相当于一个满足一定功能的程序包，通过LabVIEW这个平台开发一台虚拟的仪器，在LabVIEW平台中通过后面板代码程序和前面板显示按钮相结合的方式实现仪器的功能。以上两种方式都可以实现创建项目VI程序进行简单的开发和学习任务，但要实现复杂点的功能，通过创建单个VI是不够用的，通常需要选择创建项目的方式进行程序编写。至于创建项目界面中其他的功能，如：简单状态机、队列消息处理器、操作者框架、有限次测量、连续测量和记录、反馈式蒸发冷却器、仪器驱动程序项目、触摸面板项目等高级开发功能，在此不再进行详细介绍，后续相关章节将会适当地展开介绍。

目录
第1章 LabVIEW简介 1
1.1 LabVIEW发展历史 1
1.2 LabVIEW软件安装 2
第2章 LabVIEW编程基础篇 7
2.1 数据类型 7
2.2 LabVIEW程序结构 15
2.2.1 循环结构 15
2.2.2 定时结构 19
2.2.3 条件结构 22
2.2.4 事件结构 23
2.3 数组、矩阵和簇 24
2.4 LabVIEW图形化显示数据—图表和图形 29
2.5 Express VI 33
2.5.1 Express VI“输入” 34
2.5.2 Express VI“信号分析” 36
2.5.3 Express VI“输出” 39
2.5.4 Express VI“信号操作” 40
2.5.5 Express VI“执行过程控制” 46
2.5.6 Express VI“算术与比较” 47
2.6 文件 I/O 50
2.7 VI与子VI 52
2.8 人机界面交互界面设计 58
2.9 LabVIEW信号仿真 60
2.9.1 正弦波形 61
2.9.2 方波波形 63
2.9.3 三角波形 65
2.9.4 锯齿波形 66
2.9.5 仿真信号 67
2.9.6 基本函数发生器 73
2.9.7 混频信号 76
2.9.8 基本混合单频 78
2.9.9 基本带幅值混合单频 79
2.9.10 混合单频信号发生器 79
2.9.11 混合单频与噪声波形 79
2.9.12 公式波形 80
2.9.13 均匀白噪声波形 80
2.9.14 高斯白噪声波形 80
2.9.15 周期性随机噪声波形 81
2.9.16 反幂律噪声波形 81
2.9.17 Gamma噪声波形 81
2.9.18 泊松噪声波形 82
2.9.19 二项分布噪声波形 82
2.9.20 Bernoulli噪声波形 82
2.9.21 MLS序列波形 83
第3章 LabVIEW编程应用篇 84
3.1 LabVIEW光谱信号仿真理论 85
3.1.1 朗伯-比尔定律 85
3.1.2 分子吸收线型函数 86
3.1.3 光谱数据库 89
3.2 LabVIEW光谱仿真程序设计 92
3.3 LabVIEW光谱信号处理 100
3.3.1 数据导入 100
3.3.2 背景归一化处理 106
3.3.3 线型拟合和浓度反演 110
3.3.4 数据保存 112
3.4 LabVIEW信号处理算法 114
3.4.1 概述 114
3.4.2 LabVIEW数字滤波器 116
3.4.3 傅里叶变换 119
3.4.4 信号多次平均 121
3.4.5 Savitzky-Golay滤波 124
3.4.6 小波去噪 126
3.4.7 Allan方差 133
3.5 LabVIEW数据采集和通讯 135
3.5.1 NI-DAQ发展过程 136
3.5.2 数据采集卡和 DAQ助手 136
3.6 LabVIEW串口通讯 145
3.6.1 概述 145
3.6.2 虚拟串口通讯 147
3.6.3 LabVIEW VISA串口助手 149
3.6.4 LabVIEW虚拟串口互通信程序设计153
3.7 LabVIEW数字锁相 156
3.7.1 锁相放大器的基本原理 156
3.7.2 LabVIEW数字锁相放大器设计159
3.8 LabView PID控制算法 161
3.8.1 PID算法理论 161
3.8.2 LabVIEW PID程序设计 162
3.8.3 LabVIEW PID工具包 164
3.8.4 LabVIEW PID在激光光谱中应用 167
第4章 LabVIEW科学研究与工程实践篇 173
4.1 LabVIEW温湿度和压力实时监测系统 173
4.2 LabVIEW声卡与光声光谱数据采集 176
4.2.1 声卡概述 176
4.2.2 LabVIEW声音选板177
4.2.3 LabVIEW声卡语音采集程序设计178
4.2.4 基于LabVIEW和声卡的光声光谱信号采集180
4.3 LabVIEW机器视觉和摄像头调用 184
4.4 LabVIEW在激光吸收光谱中的应用 191
4.4.1 直接吸收光谱 191
4.4.2 半导体激光器特性 192
4.4.3 快速扫描波长调制光谱 197
4.4.4 渐变波长调制光谱 203
4.5 LabVIEW在多频调制球形腔共振光声光谱中的应用 206
4.6 石英音叉多频调制光谱传感技术 217
4.6.1 石英音叉光电探测器 217
4.6.2 石英音叉多频调制光谱技术 221
4.6.3 石英音叉混频调制2F/1F-WMS光谱技术 230
4.7 LabVIEW在深海传感器中的应用 235
4.8 LabVIEW如何制作EXE和SETUP文件 242
参考文献 248
附录 LabVIEW操作快捷键 249