基于虚拟仪器LABVIEW万用表的课程设计.doc

II沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 基于Labview的万用表的设计系 别 自控系 班级 测控本091 学生姓名 学号 指导教师 职称 教授 课程设计进行地点： 实训F430 任 务 下 达 时 间： 2012年 2月27日起止日期：2012年2月27日起至2012年3月2日止教研室主任 年 月 日批准摘 要虚拟仪器技术的实质是利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能，在许多方面具有传统仪器所没有的优越性，在实验教学和工程领域具有极大的应用潜力。实验表明，设计的虚拟函数信号发生器输出信号性能优于普通传统的信号源。虚拟仪器是1986年美国国家仪器公司（NI）提供的一种新型一起概念。它是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类。在虚拟仪器中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点都发生了根本变化。虚拟仪器技术的实质是利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。在这里，硬件仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。当基本硬件确定后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能。使传统仪器的某些硬件甚至整个仪器都被计算机软件所代替。因此从某种意义上说，计算机既是仪器，软件即是仪器。虚拟仪器的软件是其最核心、最关键的部分，其主要功能是对硬件执行通信和控制，对信号进行分析和处理，以及对结果进行恰当的表达和输出等。虚拟仪器的软件开发平台目前主要有两类：第一类是基于传统语言的Turbo C，Microsoft公司的Visual Basic ，Borland公司的Delphi，Sybase公司的PowerBuilder。这类语言具有适应面广、开发灵活的特点，但开发人员需有较多的编程经验和较强的调试能力；第二类用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的VEE,NI公司的LabVIEW和Lab Windows/CVI等。NI公司的LabVIEW软件开发平台是一种专业图形化编程软件，采用图形化编程方式，结构流程清晰，但缺点是对硬件的要求较高，比较依赖NI的专用产品，对信号控制方式不够灵活。而Lab Windows/CVI以ANSI C为核心。将功能强大，使用灵活的C语言平台与数据采集，分析和表达的测控专业工具有机地接合起来。它的集成化开发平台，交互式编程方法，丰富的控件和库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统，自动测量环境，数据采集系统，过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。关键词 函数信号发生器, 数据采集卡,LabVIEW，DAQ卡，示波器目录1设计任务描述41.1 设计题目:41.2 设计要求：51.3 报告要求：51.4 时间进度安排：52设计思路63软件流程图74各部分程序设计84.1 数据采集84.2 程序框图设计84.2.3函数信号输出设计104.2.4 前面板设计104.3 基本波形检验115工作过程分析135.1 设计中的程序结构135.2 切换开关的介绍145.3 程序简化设计及波形参数计算145.3.1 简化设计思路145.3.2 参数计算146元件清单167主要元器件介绍177.1 DAQ数据采集卡177.2 模拟示波器177.3 LabVIEW简介18总 结19致 谢20参考文献21附录22附录231 设计任务描述1.1 设计题目:设计基于Labview 的函数信号发生器的设计。1.2 设计要求：1）掌握NI-DAQ使用方法。 2）了解函数信号产生方法。 3） 输出一路占空比可调的方波信号，一路函数信号（输出信号类型可选择）。1.3 报告要求：（1）.课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。（2）.学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。（3）.论文要求打印，打印时按沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范的要求进行打印。（4）.课程设计论文装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。1.4 时间进度安排：顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12月27日教师讲解题目，学生查阅相关资料22月28日进行方案论证，确定程序流程，熟悉NI-DAQ使用方法32月29日程序设计43月1日调试程序53月2日撰写论文，成果验收2 设计思路本次设计的是虚拟的可以显示正弦波、方波、三角波及锯齿波四种波形的函数信号发生器。创建波形时首先根据题目要求，在LabVIEW函数选版内选择 “编程”到“波形”到“模拟波形”子选板下还提供了“波形生成”子选板。选择不同的波形就产生正弦波波形（Sine Wave）、三角波形(Triangle Wave)、方波波形(Squre Wave)、锯齿波波形(Sawtooth Wave)四种基本类型信号波形。并且要对这些波形的频率、幅值、初始相位进行可调节控制。其中只有方波有占空比，所以在创建方波时需要加入占空比。由于在虚拟仪器LabVIEW内产生的是模拟信号，所以不需要进行D/A转化。直接将转化后的信号接入示波器，即可以观察到这几类基本波形。该函数信号发生器除了可以显示四种基本波形外，还加入了参数计算功能，例如波峰、均值、有效值及波峰因数和波形因数的计算，利用计算公式就可以得出参数数值。其中由于有效值与均值需要积分与微分，所以积分与微分可以在LABVIEW函数选板下的“数学”子选板下的“积分与微分”选板中选择。3 软件流程图开始DAQ初始化生成信号平均值占空比信号选择有效值方波三角波正弦波锯齿波波形参数计算波峰波峰因数波形因数显 示是否停止？否是While循环结 束图3.1 软件流程图4 各部分程序设计4.1 数据采集虚拟仪器获取数据的方法是通过对I/O接口设备的驱动完成的。通过数据采集获取数据是虚拟仪器获取数据的渠道之一，通过数据采集卡获取数据在虚拟仪器中又称为NI-DAQ卡式仪器。此次虚拟函数信号发生器数据的输入输出靠对数据采集卡输出输入口的定义来实现。本设计采用的SC-2075数据采集卡是一块性价比较好的产品, 具备数/模转换的功能,能将产生的数字信号转换成模拟信号且数模转换精度高。同时也可以进行模/数转换。首先要建立DAQ,然后对其进行初始化。操作方法如图4.1.1、图4.1.2所示 （a）初始化前 （b）初始化后图4.1.1 建立DAQ 图4.1.2 DAQ初始化4.2 程序框图设计波形产生是函数信号发生器软件的核心。LABVIEW在函数选板的“编程”“波形”“模拟波形”子选板下还提供了“波形生成”子选板。然后选择正弦信号、三角波信号、锯齿波信号和方波信号。基本函数发生器（Basic Function Generator.vi）可产生4种基本信号波形：正弦波、三角波、方波、锯齿波。对于虚拟信号发生器而言，它的主要功能就是为我们提供激励信号，所以在流程图设计中，我们首先要选择产生信号的图标以及循环控制的While 循环。 在流程图设计窗口中打开“函数”模块, 调入While循环，控制程序的运行。以便程序可以连续流畅的运行。 执行“函数”、“信号处理”、“波形生成”导入几类基本波形。执行“函数”、“编程”、“定时”、“等待”操作, 调入时钟图标。连线接入可调节的“信号类型”、“频率”、“幅值”、“初始相位”、“采样频率及采样点数”形成的函数信号发生器的波形产生模块程序框图如图4.3所示。图4.2.1 波形产生模块程序框图由于方波信号需要占空比，所以在创建方波信号时需要加入占空比。 图4.2.2 占空比可调的方波设计框图4.2.3函数信号输出设计DAQ系统经常需要为被测对象提供激励信号，也就是输出模拟量信号。信号发生器的生成和显示通过模拟输出VI：对DAQ设定信号类型、幅度、频率等；下一步是用DAQ读取采样数据,其中数据波形显示在前面板的信号发生器中, 并可调节方波占空比。创建DAQ在流程图设计窗口中打开【函数】模块,执行【函数】、【express】、【DAQ助手】，调入DAQ。如图2-5在生成信号中选择【模拟输出】、【电压】输出，选择通道ao0,ao1后，创建完成。函数信号输出框图如下图4.2.3所示。 图4.2.3 函数信号输入DAQ初始化4.2.4 前面板设计一台仪器设备首先进入人眼帘的便是它的前面板，通过前面板使用者可以获取很多信息，每个按键上的标签符号可以传达出其功能。所以前面板的设计相当重要。其功能键的设计和美观性都相当重要。4.3 基本波形检验图4.3.1 正弦波波形图图4.3.2 锯齿波波形图图4.3.3 方波波形图图4.3.4 三角波波形图5 工作过程分析5.1 设计中的程序结构程序设计中只运用了一种程序结构：条件结构。条件结构在编程时，将外部控制条件连接至选择端口，程序运行时选择端口会判断送来的控制条件，引导选择结构执行相应框架中的内容。选择条件端口的外部控制条件的数据类型可以是整型、字符型、布尔型等。如果是布尔型，则结构包括真和假分支。图5.1.1 条件结果框图选择框架的个数可以根据实际需要确定，在选择框架的右键弹出菜单中选择【在后面添加分支】或【在前面添加分支】，即可添加选择框架。本设计中用到了两个条件结构，第一个条件结构控制函数信号发生器的开与关。当开关打开后，函数信号发生器开始工作，条件结构为真时，它的里面是对波形参数调整的数据采集DAQ，也就通过幅频切换开关对波形进行调幅和调频切换选择，使采集到的外部数据引入不同的波形参数通道，起到改变波形的目的。第二个条件结构外部控制条件的数据类型是整型，在这个条件结构中共有四个选择框架，在每个选择框架中分别放置个相应函数发生器，并通过外部控制条件的选择产生四种不同波形。图5.1.2 波形切换时程序框图5.2 切换开关的介绍首先，布尔选择按钮有两种状态“开”、“关”，对应条件结构中的“真”、“假”。当按下布尔按钮时，函数信号发生器就开始工作。还有就是在程序框图的右半部分中对波形的选择，这个选择开关为一个下拉列表，其中在编辑项中插入了四种波形，插入的顺序与条件结构中波形发生器放入的顺序一致。通过下拉列表按键控制四种波形的切换输出。对下拉列表编辑项的设置如图4.1所示。图5.2下拉列表设置5.3 程序简化设计及波形参数计算5.3.1 简化设计思路设计过程中使在能完成要求功能以及发挥部分外尽可能简化程序，程序框图中运用了局部变量。整个程序框图看上去就两部分组成：外部数据采集、波形产生输出。这两部分之间就是通过设置的局部变量实现联系的。5.3.2 参数计算设计中，在调节波形频率时如果直接用外部采集得到的信号，产生波形的频率很低，在示波器上不便于观察波形效果。所以在设计中将采集得到数据放大二十倍后再控制波形信号的频率，使得到波形的频率调节范围更加宽阔，也使的在示波器上能清晰观测。参数计算为:信号幅值为：。方波占空比为：。有效值： 平均值： 波峰：波峰因数： 波形因数： 采样频率（也称为采样速度或者采样率）定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔，所以首先设定适当的采样频率和采样点数。规定是采样频率至少大于最大频率的二倍。为了确保波形稳定应使采样频率和采样点数一致。按下“开始”在上面板上选择信号类型，以及频率、幅值、初始相位。即会在面板上显示其相对应波形。利用DAQ电压ao0,ao1通道与数字示波器CH1.CH2通道用导线相连接。即会在数字示波器一通道上显示出相对应的波形。占空比可调波形在CH2通道上显示。在面板上有一个开关控制，不搬开关时，其占空比的调节是在控制面板上实现的。而将开关搬下时，控制面板上占空比调节则不再起作用。其占空比控制是靠远程的数据采集卡上调节来实现的。当将数据采集卡的ao1与数字示波器的CH2通道连接。则可以在示波器上观看到相应的波形显示。6 元件清单名称型号数量备注计算机1模拟示波器GDS-10221数据采集卡SC-20751数据线1LabVIEW8.517 主要元器件介绍7.1 DAQ数据采集卡DAQ，即数据采集仪器是一种典型的虚拟仪器，它的出现和发展与微型计算机紧密相关。DAQ仪器以微型计算机为平台，将计算机硬件和计算机软件结合起来，实现特定的仪器测量和分析。DAQ仪器具有性价比高、设计手段灵活、通用性强等优点，应用前景十分广阔。数据采集(DAQ)是通过DAQ卡采集数据和输出数据。通常一块DAQ卡能实现多种功能，其中包括模数转换(A/D)、数模转换(D/A)、数字输入输出(DI/O)和计算器/定时器功能。数据采集系统追求的目标主要有两个：一是精度，二是速度。对任何量的测试都要有一定的精度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大了数据采集系统的适用范围，便于实现动态测试。由于个人计算机的图形分辨率及图形处理能力已达到相当高的水准，因此利用PC构成的DQA仪器可视化功能强。 图7.1 DAQ7.2 模拟示波器模拟示波器，采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上，屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来。图7.2GDS-1022数字示波器7.3 LabVIEW简介LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW的程序模块。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。LABVIEW的特点有：l 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。l 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。l 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。总 结转眼间短短的一周的虚拟仪器的课程设计已经结束了，回忆这一周，让人感触很深。通过一周的课程设计，使我体会到了理论与实践的差距与区别。在课设期间我通过到图书馆查资料再到实验室实践，将自己的想法一一实现。我所设计的题目是函数信号发生器，是实验室里常见的仪器。在设计中可以参考的例子也很多。虽然我所见的成品是很完美的，但那不是我的。虽然我设计出来的函数信号发生器其实要做成现实成品是根本不可行的。因为它的很多功能存在着很大的偏差，运行起来也不是很稳定。很多时候我认为自己的想法和思路都没有问题，但就怎么也运行不起来。我怀疑是不是机器出了什么问题。当然现在回头想想其实是我设计的不够完善才导致运行不出来的。当经过一遍遍修改、运行，最终运行成功。通过这次设计，我了解了虚拟仪器强大作用和它巨大的发展潜力。通过对该信号发生器所产生的信号进行测试，结果表明该信号源输出正弦信号性能优于普通传统信号源产生的信号。可以相信，随着虚拟仪器技术向纵深发展和各项高新技术的进步，人们完全可以实现将电子实验室装入电脑的设想。虚拟仪器不是计算机功能简单的扩展，也不单纯是传统智能仪器的替代品，虚拟仪器的概念代表了当今测试仪器领域发展的重要方向之一，有着广阔的发展前景。同时这次课设也使我明白了我们课设主要目的是让我们通过不断的使用它来解决实际的问题，才能更好的掌握所学技能。实践出真理，即“理论与实践相结合的桥梁”。实践是检验真理的最佳途径，也是将理论记在脑子里的最好办法。通过这周的课设和学习，我知道了自己的不足，那就是缺乏相应的知识与经验，对所学的专业知识不能够很好地运用于实践操作。在接下来的日子里，我会严格