基于LabVIEW积分器的研究

长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 摘摘 要要 随着社会的不断发展 人们对仪器的要求也越来越高 由于虚拟仪器具有性价比高 标准化 模 块化 仪器系统小巧紧凑 远程测试 可有用户定义仪器等优点 所以虚拟仪器近几年得到了飞速的 发展 基于 LabVIE 的积分器是对输入仿真信号进行仿真和积分 然后输出结果 通过波形图观察其虚拟 波形 与此同时 你还可以对其幅值 频率 偏移量 相位 重置信号等参数进行设置 改 变其参数观察其波形的变化 最后将得到的结果与理论一起分析 看其是否相一致 本 论文是通过验证三角波 正弦波 锯齿波 方波积分后的波形 来推导出虚拟仪器的可 靠性 进而推广到加入滤波器和干扰信号后积分的波形图 关键词关键词 虚拟仪器 LabVIEW 积分器 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 AbstractAbstract With the continuous development of society people to the instrument demands more and more is also high Because virtual instrument has cost effective standardization modular instrument system small compact remote testing can have the user to define instrument advantages so the virtual instrument in recent years have developed rapidly Based on the integrator of LabVIE simulation signal is input of simulation and integral then input results through the waveform figure observe its virtual waveform figure Meanwhile you change its on the amplitude frequency offset phase reset signal parameters such as setting observation of the waveform changes Finally will get together to analyze the result with the theoretical consistent to see if it This thesis is verified through triangular wave sine wave sawtooth wave and square wave integral to get the waveform the reliability of virtual instrument Then spread to join filter and jamming signal waveform after integral figure KeyKey word word Hypothesized instrument LabVIEW integrator 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 目目 录录 1 1 绪论绪论 4 1 1 课题的提出及研究意义 4 1 1 1 课题的提出 4 1 1 2 课题的研究意义 4 1 2 国内外研究现状 4 1 3 本文的研究目的和研究内容 5 1 3 1 本文的研究目的 5 1 3 2 本文的研究内容 5 1 3 3 本文采用的研究方法 5 1 3 4 本文的章节安排 6 2 2 虚拟仪器及虚拟仪器及 LABVIEWLABVIEW 简介简介 6 2 1 虚拟仪器的有关背景 6 2 2 LABVIEW 的背景及应用介绍 6 3 3 积分器器的介绍积分器器的介绍 7 3 1 研究积分器的意义 7 3 2 积分器在各个领域的应用简介 8 3 3 积分运算及积分器的特点 9 3 3 1 积分运算的意义 9 3 3 2 积分器电路原理 9 4 虚拟积分器的发展及设计虚拟积分器的发展及设计 10 4 1 虚拟积分器的设计步骤 10 4 2 本课题整体电路图 11 4 2 1 程序框图的设计 11 4 2 2 程序框图中主要模快的设计 12 4 2 3 前面板设计 13 4 3 运行结果 16 4 3 1 正弦波积分结果 16 4 3 2 方波信号积分结果 17 4 3 3 三角波信号积分结果 17 4 3 4 锯齿波信号积分结果 18 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 4 4 本章总结 20 5 结论 结论 21 21 参考文献 参考文献 2222 致谢 致谢 2323 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 5 页 共 25 页 1 1 绪论绪论 1 11 1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 1 1 11 1 1 课题的提出课题的提出 计算机的出现 彻底改变了人们的工作和生活方式 如今计算机已经无处不在 进入了每个人的 生活之中 在工程技术人员看来 计算机不仅仅是人们常见的 PC 也包括各种微处理器 从这个角度 看 我们无时无刻不在使用计算机 例如 电视 洗衣机 自动提款机等都依赖计算机来实现各种便 捷的功能 相同的计算机可以完成不同的工作 在于它们使用不同的程序 而程序是由计算机编程 语言创建的 短短几十年中 出现了众多的编程语言 这些编程语言的共同特点是采用文本方式创建 程序 文本方式编程对编程人员要求很高 这使得计算机编程只能是少数人才可以从事的职业 美国国家仪器公司 National Instruments 简称 NI 的创新软件产品 LabVIEW 允许通过人们 最为熟悉的图形方式编程 摒弃了晦涩难懂的文本代码 使得计算机编程不再是少数人的专利 LabVIEW 的最早版本诞生于 1986 年 几乎和 Windows 的最早版本同步 这注定了 LabVIEW 是多平台的 编程语言 适合于不同的操作系统 1 1 1 2 1 2 课题的研究意义课题的研究意义 虚拟仪器与传统仪器相比 其主要优点是可以由性价比高 标准化 模块化 仪器系统小巧紧凑 远程测试 可有用户定义仪器功能等优点 虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量 同时 由于信号的传送和数据的处理几乎都是 靠数字信号或软件来实现的 大大降低了环境干扰和系统误差的影响 此外 用户也可以随时根据需 要调整虚拟仪器的功能 大大缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期 采用虚拟仪器还可以降低测 试系统的硬件环节 从而降低系统的开发成本和维护成本 虚拟仪器采用标准的接口总线技术和模块化的仪器硬件 这符合军用装备研制的通用化和小型化 需求 有利于装备成系列发展 有利于装备的技术保障 1 21 2国内外研究现状国内外研究现状 作为现代仪器代表发展的方向 虚拟仪器已迅速发展成为一种新的产业 美国是虚拟仪器的诞生 地也是全球最大的虚拟仪器制造国 到 1994 年底 虚拟仪器制造厂已达 95 家 共生产 1000 多种虚拟 仪器产品 销售额达 2 93 亿美元 占整个仪器销售额 73 亿美元的 4 到 1996 年 虚拟仪器已在一 起表市场占邮件 10 的份额 生产虚拟仪器的主要厂家 NI HP 等公司 目前都产生数百个型号的虚拟 仪器产品 这些产品在国际市场上有较强的竞争力 已经入中国市场 国内虚拟仪器研究的起步较晚 最早的研究是从引进消化 NI 的产品开始 但经过多年研究 我 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 6 页 共 25 页 国已经在虚拟仪器开发方面成形了自己的特色 国家自然科学基金委员会已经虚拟仪器研究作为现代 机械工程科学前沿学科之一 并被列为十五期间优先资助领域 我国国民经济的持续快速发展 加快 了企业的技术升级步伐 先进仪器设备的需求更加强劲 虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以 极高的迅速在中国发展 这些都为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础 因此 我国的虚拟仪器 存在巨大的发展潜力 据专家预测到 2015 年末我国虚拟仪器行业的产值将达到仪器仪表行业总产值的 50 然而 经过对这些设计的分析了解后发现 利用这些方法设计的积分器在运用起来比较麻烦 运算起来也很复杂 在了解了 LabVIEW 的特性及优点之后 所以我选择了利用这个软件来设计积分器 1 31 3 本文的研究目的和研究内容本文的研究目的和研究内容 1 3 11 3 1 本文的研究目的本文的研究目的 虚拟仪器 实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统 虚拟仪器通过软件将计算机硬件 资源与仪器硬件有机的融合为一体 从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量 控制能力 结合在一起 大大缩小了仪器硬件的成本和体积 并通过软件实现对数据的显示 存储以及分析处理 从发展史看 电子测量仪器经历了由模拟仪器 智能仪器到虚拟仪器 由于计算机性能以摩尔定律 每半年提高一倍 飞速发展 已把传统仪器远远抛到后面 并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的 技术更新速率 1 3 21 3 2 本文的研究内容本文的研究内容 根据本文的研究方向以及研究目的 本文的研究内容主要有以下几个方面 1 掌握积分器工作原理 2 熟悉 LabVIEW 编程语言 3 运用 LabVIEW 设计一个虚拟积分器 积分器是电路分析设计中常用到的元件 设计分为前面板 设计和流程图设计两个部分 1 3 31 3 3 本文采用的研究方法本文采用的研究方法 1 首先查阅课题相关的资料 对资料进行整理和研究 结合实际需要提出设计方案 设计方案包 括 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 7 页 共 25 页 1 确定虚拟积分器的设计思路 2 设计出总体框图 3 设计出程序流程图 4 按照程序的流程图进行程序的模块化设计 5 采用 LabVIEW 软件设计各部分程序 6 验证设计的正确性并进行调试 2 理论计算与虚拟仿真相结合法 1 3 41 3 4 本文的章节安排本文的章节安排 第 1 章 绪论部分 介绍本文的研究背景 研究意义和研究内容 概述了当前国内外在 LabVIEW 积分器的研究现状 第 2 章 介绍虚拟仪器和 LabVIEW 的有关背景 第 3 章 介绍积分器的功能 特点 应用以及基本组成理 第 4 章 介绍用其他软件设计的虚拟积分器的方法 以及对本文的设计方法及步骤的介绍 第 5 章 全文总结 2 2 虚拟仪器及虚拟仪器及 LabVIEWLabVIEW 简介简介 2 12 1 虚拟仪器的有关背景虚拟仪器的有关背景 20 世纪 80 年代初 NI 公司是 GPIB 总线设备的主要供货商 丰富的硬件经验和强大的软件开发需 求 促使 NI 公司的工程师们寻找一种代替传统编程语言的开发工具 这导致了 1986 年 LabVIEW 的横 空出世 LabVIEW 是由测试工程师开发的专用编程语言 因此 LabVIEW 具有鲜明的行业特点 最早主 要用于测试测量领域 NI 公司独创了虚拟仪器的理念 提出了软件就是仪器的理念 并逐步成为业界 的标准 随着 LabVIEW 的不断发展 几乎每隔一两年 都要推出新的版本 LabVIEW 的应用范围已经覆盖 了工业自动化 测试测量 嵌入式应用 运动控制 图像处理 计算机仿真 FPGA 等众多领域 以 LabVIEW 为核心 采用不同的专用工具包 统一的图形编程方式 可以实现不同技术领域的需求 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 8 页 共 25 页 2 22 2 LabVIEWLabVIEW 的背景及应用介绍的背景及应用介绍 虚拟仪器技术 Virtual Instrumentation 的概念由美国国家仪器公司 NI 首先提出 所谓虚拟仪 器是在以计算机为核心的硬件平台上 由用户设计定义的 具有虚拟仪器面板的 测试功能由测试软 件实现的一种计算机仪器系统 虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板 以多种形式表达输出检测结果 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算 分析 处理 由 I O 接口设备完成信号的采集 测量与调理 虚拟仪器是测控技术和计算机技术深层次相结合的产物 它使测量仪器与计算机的界线模糊了 虚拟仪器本质上是虚拟现实技术在仪器领域的应用结果 采用虚拟仪器技术 通过把各种硬软件以及 附备件进行合理搭配 就可以将计算机变成一台综合的测试仪器 在各种测试和工业自动化领域中得 以应用 虚拟仪器通常由硬件设备与接口 设备驱动软件和虚拟仪器面板组成 虚拟仪器中的 虚拟 主要包括以下两方面的含义 一 面板虚拟 虚拟仪器面板上的各种 控件 与传统仪器面板上的各种 部件 所完成的功能是相同的 使用 者用鼠标操作虚拟仪器面板 看起来就如同使用一台专用测量仪器 二 功能由软件编程实现 在以计算机为核心组成的硬件平台支持上 通过软件编程设计来实现仪器的测试功能 而且可以 通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能 于是在硬件平台确定后 出现了 软件就 是仪器 的概念 软件就是仪器 体现了测试技术与计算机深层次的结合 测试系统与仪器演变过程 三 越来越复杂的测试条件 高度自动化的工业化大生产 现代航空航天 军事装备和武器系 统试验迫切需要功能更强大 成本更低廉 系统更灵活的新一代测试仪器与系统 从模拟技术向数字 技术过渡 从单台仪器向多种功能仪器组合过渡 从简单的功能组合向以计算机为核心的通用虚拟测 试平台过渡 测试系统与仪器的功能从过去完全由硬件实现 向部分功能由软件实现过渡 上述这些 变化代表了当今电子测试系统与仪器的发展方向 3 3 积分器器的介绍积分器器的介绍 3 13 1 研究积分器的意义研究积分器的意义 积分器就是能将输入信号进行积分运算的元件 设输入信号为 x t 那么通过积分器后 输 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 9 页 共 25 页 出信号为 y t x t dt 设系统初始状态为 0 将输出信号进行 laplace 变换 Y s X s s 因此在复频域内 积分器的单位冲激响应为 H s 1 s 在物理实现过程中 用到了积分电路来实 现 其中反馈回路里包含积分元件电容 它是对流经它的电流进行积分 而积分器是电路实验中常用 的器件 常用来对正弦波 方波 三角波 锯齿波等波形进行转换 本课题主要研究虚拟积分器的 LabVIEW 的实现 积分器广泛应用于模拟和数字系统中对信号积分 因此 研究虚拟积分器具有十分 重要的实际意义 通过本课题也可以掌握应用 LabVIEW 软件编程设计虚拟积分器的方法与步骤 有利 于更好地把握积分器的工作原理和使用方法 并进一步熟悉采用 LabVIEW 方法实现数字系统设计的流 程 提高专业知识水平 3 23 2 积分器在各个领域的应用积分器在各个领域的应用简介简介 运算放大器的积分器运算放大器的积分器 1 cI iR inV 3 1 I dt outdV fCcI 3 2 outdVdtinV fiCR 1 3 3 dtinV iiCR outV 1 3 4 同相和反相开关电容积分器同相和反相开关电容积分器 2 2 开关电容积分器电路如图 3 2 a 所示 由图 a 可知 当 1为高电平 T1 T3 导通 vI对C充电 当vI为正 在图示vC1的假定正向下 充电结果vC1有一负电压 当 2为高电平时 vC1将加到运放的反相端 使vO为正 与vI同相 因此 图 3 2 a 是 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 10 页 共 25 页 同相积分电路 如果将 T3 T4的时钟相位反相 如图 3 2 b 所示 读者不难证明 图 1b 具有反相积分器的功能 3 2 a 同相积分电路 3 2 b 反相积分电路 3 33 3 积分运算及积分器的特点积分运算及积分器的特点 3 3 13 3 1 积分运算的意义积分运算的意义 积分运算是一种数学运算的一种基本运算 特别是信号处理和电路等得到广泛运用 从信号处理 的角度来看是对信号进行积分 其表达式为 y t x t dt 3 5 3 3 23 3 2积分器电路原理积分器电路原理 对于积分器的电路比较简单 它就是以一个电容 一个电阻和一个三极管组成 在此我们将在这 里以正向积分器为例子介绍下积分器的功能 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 11 页 共 25 页 电路图如下 图 3 3 积分器电路原理 下面推导输出电压与输入电压的关系 输入电压 Vin 经电容 R1 对电容 C1 充电 设 C1 上的电压为 Vc 则 流过 R1 的电流为 Ir1 Vin Vc R1 C1 上的电压为 Vc 1 C1 Ir1dt 1 R1C1 Vin Vc dt 1 R1C1 Vindt 1 R1C1 Vcdt 即 Vc 1 R1C1 Vcdt 1 R1C1 Vindt 3 6 再设 R2 上的电压为 Vr 流过 R2 上的电流为 Ir2 Vr R2 电容 C2 上的电压为 VC2 1 C2 Ir21dt 1 R2C2 Vrdt 输出电压 Vo Vr VC2 Vr 1 R2C2 Vrdt 3 7 根据运放的虚短原理 Vc Vr 当 R1C1 R2C2 时 上式 3 7 的右边等于 3 6 式的左边 即 Vo 1 R1C1 Vindt 结论是 输出电压是输入电压的积分 而且输入输出电压同方向 4 虚拟积分器的发展及设计虚拟积分器的发展及设计 4 1 虚拟积分器的设计步骤 虚拟仪器的设计包括前面板 front panel 流程图 block diagram 以及图标 连接器 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 12 页 共 25 页 icon connector 三部分 而前面板是图形生成板 也就是 VI 的虚拟仪器面板 好比电脑的显示器 一样 能看到出入波形和输出波形 具体表现为 开关 旋扭 图形以及其他控制 control 和显示对 象 indicator 流程图提供 VI 的图形化源程序 就好比电脑的说明书一样 让人可以了解此程序的 一个操作过程 给人一目了然的感觉 它以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能 流程图包 括前面板控件的连线端子 还包括一些前面板上没有但编程必须有的 如函数 结构和连线等 图标 连接器是子 VI 被其它 VI 调用的接口 就像函数的参数 用户必须指定连接器端口与前面板的控制和 显示一一对应 连接器一般情况下隐含不显示 用户也可以选择打开观察它 以下图 4 1 是一个虚拟 积分器的一个设计图 开始 进入信号积分界面 选择信号的类型 波形参数设定 生成信号在波形中显示 是否重置 波形继续扫描 返回 Y N 图 4 1 信号积分模块的流程图 此流程图可以对常见的信号 如正弦波 三角波 方波 锯齿波等 进行积分 它的波形图及结 果会显示在前面板上 也可以修改其参数 跟换不同信号 对积分信号结果进行分析和处理 本软件处可以对信号波形进行处理外还可以在仪器面板上对其采样 幅值 频率 相位等参数进 行修改 前面板上显示积分后的波形 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 13 页 共 25 页 本信号采用 LabVIEW 中的典型信号生产模块 此仿真信号的生成和函数的处理经过必要的链接放入 一个 While 循环结构中就形成了一个积分流程图 如图 4 2 所示 仪器面板图如图 4 3 所示 Waveform Graph 用来显示积分前后的波形 信号类型可以选择波形的 类型 如正弦波 方波 三角波或锯齿波 幅值 频率 相位和偏移量可以用来设定仿真实验信号所 需要的一些参数 4 24 2 本课题整体电路图本课题整体电路图 4 2 14 2 1 程序框图的设计程序框图的设计 基于 LabVIEW 的积分器的框图由采样 幅值 频率 相位输入 重置相位 相位输出 错误报数 输入信号波形图 复位信号开关组成 其框图如 4 2 图 图 4 2 基于 LabVIEW 的积分器的框图 在 While 的条件下 输入正弦信号 锯齿波信号 和噪音信号通过公式把三个信号整合起来并输 入到波形图上 通过波形图可以看到三个信号的合成波形 然后把信号输入到滤波器中 滤波过后再 输入到一个波形图 2 中看起波形 比较两波形图的不同和相同之处 最后将滤过的信号发送到积分器 中 再传输到波形图三中 观察起结果 其运行结果如下图 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 14 页 共 25 页 图 4 2 框图波形图 波形图 1 是没经过滤波的波形 是一条很不稳定的正弦波形 波形图 2 是经过滤波过后 一条相对比 较稳定的正弦波形 波形图 3 是一条经过滤波和积分过后 几乎稳定的余弦波形 4 2 24 2 2 程序框图中主要模快的设计程序框图中主要模快的设计 程序框图中的主要模块包括基本函数发生器和积分函数器模块的设计 其中基本函数发生器函数 信号发生器能产生某些特定的周期性时间函数波形 正弦波 方波 三角波和锯齿波等 信号 频率 范围可从几个微赫兹到几十兆赫兹变换 函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用 途 LabVIEW中的基本函数发生器可以对信号类型 频率 相位 方波占空比 偏移量 幅值 复位信 号开关 采样信息等进行设置 图4 3 基本函数发生器的连线图 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 15 页 共 25 页 图 4 4 积分函数器模块 积分函数器模块 中显示了信号类型 频率 幅度 相位 偏移量 方波占空比 错误输入 采样 信息 采样数 重置信号 信号输出 相位输出等信息 可以对相关信心进行修改来改变其波形观其 波形变化 4 2 34 2 3 前面板设计前面板设计 根据设计的积分器的功能 可以选择输入的信号类型 如 三角波 方波 锯齿波 正弦波 同时也可以根据需要设置所选信号的频率 相位 幅值 方波占空比等参数 由整体设计框图 图 4 1 可知 若积分过后的波形图与实际不相符 则此时可以重置信号 重新设置波形参数 前面板框 图设计如图4 5所示 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 16 页 共 25 页 图 4 5 前面板设计框图 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 17 页 共 25 页 4 34 3 运行结果运行结果 以下积分结果的参数如图 图 4 6 信号参数 4 3 14 3 1 正弦波积分结果正弦波积分结果 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 18 页 共 25 页 图 4 7 正弦积分波形图 在基于 LabVIEW 的积分器的积分下正弦波积分出来后是一个余弦波形 这一点与事实相符合 从 而从一方面证明了虚拟仪器的可靠性 4 3 24 3 2 方波信号积分结果方波信号积分结果 图 4 8 方波积分波形图 在虚拟积分器的积分下方波积分后是一个矩形波 这也进一步证明了虚拟仪器的可靠性 4 3 34 3 3 三角波信号积分结果三角波信号积分结果 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 19 页 共 25 页 图 4 9 三角波积分波形图 三角波在虚拟积分器的积分下得到了一个正弦波 从而更近一步证明了虚拟仪器的可靠性 小结 在虚拟积分器下得出的波形图是完全与事实相符合的 所以在虚拟仪器中积分后的波形图 是正确的 4 3 44 3 4 锯齿波信号积分结果锯齿波信号积分结果 4 10 锯齿波信号积分 由前面的结果可以证明 此锯齿波的积分后的波形图是正确的 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 20 页 共 25 页 4 44 4 本章总结本章总结 从前面正弦波 方波 三角波 锯齿波在基于 LabVIEW 的积分下结果是与实际理论分析和传统 的实验运行结果是相一致的 从而证明了虚拟仪器的可靠性 用 LabVIEW 性能高 灵活性强 软件 开发效率高 可操作性和维护性好等优点 从而注定了它的发展性是可观的 在未来时间里 它的运 用将会更广阔 发展的更好 长江师范学院本科毕业设计 基于 LabVIEW 积分器的研究 第 21 页 共 25 页 5 5 结论 结论 随着计算机和网络技术的高度发展 在研究 工业和医学领域 低成本高性能的虚拟仪器得到飞速 发展 基于 LabVIEW 积分器它能对常见的信号如正弦波 三角波 锯齿波进行积分 其优点有以下方 面 1 性能高 完全 继承 了以现成即用的 PC 技术为主导的最新商业技术的优点 包括功能超卓的 处理器和文件 I O 使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析 2 扩展性强 得益于虚拟仪器灵活性 只需更新您的计算机或测量硬件 3 化编程语言 labVIEW 和面向对象编程技术 软件开发效率高 可操作性和维护性好 4 用户的程序模块 可以扩充数据处理和分析 5 同条件下 可以通过修改软件模块来 设置新的仪器功能 此次设计中遇到了很多问题 但都在通过与老师 同学和网