虚拟仪器数字时钟

西安建筑科技大学课程设计（论文）摘 要 本文从虚拟仪器的起源、发展入手，简单介绍虚拟仪器的功能，比较虚拟仪器与传统仪器的不同之后，全面的介绍了虚拟仪器设计技术,并用软件仿真的方法设计了一台虚拟仪器，实现了从数据采集到数据分析的全过程。虚拟仪器的设计分成两个方面。硬件方面，本文从最基本的传感器、信号调理开始介绍数据采集过程以及DAQ板卡。除此之外，本文还介绍了虚拟仪器总线技术，重点为专用于虚拟仪器的VXI总线系统以及PXI总线系统 。软件方面，主要利用现今最有代表性的图形化编辑软件LabVIEW，并用之模拟从DAQ板卡中采集到一路带有均匀白噪声的正弦信号，显示其波形，并分析、显示其幅频特性曲线以及相频特性曲线。另外本文还根据LabVIEW中的子程序，实现了语音信号的录音与播放。由于LabVIEW轶件的优越性，用它来制作和仿真数码管电子钟是很方便的，是其它轶件不可比拟的。这次制作数码管电子钟，所用的控件不多，主要用到了指示灯、获取日期/时间（秒）、格式化日期/时间字符串、截取字符串、While循环、条件结（Case结构）、常量、局部变量、真常量、假常量等等，通过连接就基本制作好一个数码管电子钟了。在仿真时，通过和计算机时间的对比，完全符合要求，仿真性能很好，达到了这次研究和制作数码管电子钟的目的。 本文还从市场出发对虚拟仪器的配置投资做了具体阐述，指明了构造虚拟仪器平台所需要的投资，为今后的学习工作打下了基础。并对国内外虚拟仪器的部分应用案例作了介绍，指出虚拟仪器是仪器历史的一次革命。关键词：数码管电子钟，控件，前面板，程序框图，获取日期/时间（秒），格式化日期/时间字符串，截取字符串，While循环，条件结（Case结构） 目录第一章 虚拟仪器概述11.1 Labview简介21.2虚拟仪器的应用3第二章 设计思路42.1 时钟显示的结构42.2设计总思路4第三章 软件设计53.1格式化日期/时间字符串53.2 截取字符串63.3 十进制数字符串至数值转换63.4 提取数字的各位73.5 条件结构73.6获取时间的各整型数据83.7 解除捆绑83.8 时间闪烁信号93.9 结构循环9第四章 总程序图104.1程序框图104.2前面板11第五章 运行结果12第六章 心得体会13参考文献14第一章 虚拟仪器概述虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器集成环境）是一种图形化的编程语言（又称G语言），它是由美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的是程序框图。LabVIEW的特点如下：编程简单开发周期短高效性开放性自定义性性价比高，能一机多用1.1 Labview简介LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering wokbench实验室虚拟仪器工程平台)的概念,是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合,是构建虚拟仪器的理想工具。LabVIEW和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作, 是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境。前面板是一个传统的仪器概念,而软件前面板其实是自动化的拓展,因为它们保持了传统直观的视觉和感觉效果。同时,软件前面板创建了一个真正的接口,无论用户使用什么类型的硬件,并且,不像硬件前面板,软件前面板只包含了对于一个应用场合很重要的参数,用户能够很容易地从一个单一前面板控制多台,并把整个系统作为一台虚拟仪器来看待。流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的,而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关,构建和测试程序就可以少费时间。使用流程图方法可以实现内部的自我复制,采用前面板、流程图、图标等,用户就对整个系统实现图形化描述,同时,用户还能够重用虚拟仪器,可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。LabVIEW集成了很多仪器硬件库,如GPIB/VXI/PXI/基于计算机的仪器、RS232/485协议、插入式数据采集、模拟/数字/计数器/、信号调理、分布式数据采集、图像获取和机器视觉、运动控制、PLC/数据日志等。与传统的编程方式相比,使用LabVIEW设计虚拟仪器,可以提高效率410倍。同时,利用其模块化和递归方式,用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。1.2虚拟仪器的应用 虚拟仪器技术经过十几年的发展,而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善,建立在虚拟仪器技术上的各种先进仪器将会层出不穷。虚拟仪器技术在发达国家的推广应用十分普及,在电子测量领域、过程控制领域,以及与人们的生活息息相关的许多其他领域。在国内,近年来也开始有了利用虚拟仪器实现检测、控制等功能的例子。 第2章 设计思路2.1 时钟显示的结构本课题要求设计一个数字时钟显示时、分、秒，并用数码管显示时、分、秒，通过获取电脑的系统时间，并分离出给数字，在通过布尔显示显示。数字的显示主要是7个长条的布尔显示组成，原理与7段数码管相似。7段数码管显示不同的数字主要通过其7个布尔不同的真假值控制，将0-9对应的7段布尔显示值依次存入一个布尔数组里，只需提取此数组的不同段即可让其显示不同的值。2.2设计总思路获取时间的控件可以获取的信息有：时、分、秒、秒小数等，取得的值为整型数据，利用除数取余即可分离个十位。在制作数码管电子钟的过程中，我们用到一个显示控件，四十二个长方形LED组成的数码管，四个圆形LED组成的两个“冒号”，和一个圆形的按钮，其中LED和按钮都是布尔控件，这些控件都是放大前面板的。第3章 软件设计3.1格式化日期/时间字符串 ab图3.1格式化日期/时间字符串：使用时间格式代码指定格式，按照该格式将时间标识的值或数值显示为时间。时间格式代码包括：%a（星期名缩写），%b（月份名缩写），%c（地区日期/时间），%d （日期），%H（时，24小时制），%I（时，12小时制），%m（月份），%M （分钟），%p（am/pm标识），%S（秒），%x（地区日期），%X（地区时间），%y（两位数年份），%Y（四位数年份），%u（小数秒，位精度）。使用时间格式代码指定格式，按照该格式将时间标识的值或数值显示为时间。如图3.1a是钟表时间格式代码，图3.1b是数码管显示的时间格式代码3.2 截取字符串 图3.2截取字符串：返回输入字符串的子字符串，从偏移量位置开始，包含长度个字符。连线板显示了该多态函数的默认数据类型。字符串是输入字符串。偏移量是起始位置并且必须为数值。 字符串中第一个字符的偏移量为0。如没有连线或小于0，则默认值为0。长度必须为数值。如长度没有连线，则默认值为字符串长度减去偏移量。子字符串如偏移量大于字符串的长度，或长度小于等于0，则值为空。如长度大于或等于字符串长度减去偏移量，则子字符串是从偏移量开始的剩余部分。如图3.2：从偏移量3开始，包括1个长度字符。3.3 十进制数字符串至数值转换图3.3因为前面使用的获取系统时间，返回的是字符串格式，但是在后面的布尔型指示灯值接受数值型，使用此器件，进行类型转换。如图3.33.4 提取数字的各位 图3.4通过除60取余便可得到个位，商为十位,。如图3.43.5 条件结构图3.5 使用条件结构，控制某一数位上数字09的显示情况。如图3.5包括一个或多个子程序框图，或分支，当结构执行时，仅有一个子程序框图或分支在执行。连接至选择器接线端的值可以是布尔、字符串、整数，或枚举类型，它决定了执行哪个分支。右键单击结构边框，可添加或删除分支。Us可使用标签工具来输入条件选择器标签的值，并配置每个分支处理的值。单击选择器标签中的递减和递增箭头可滚动浏览已有的条件分支。创建条件结构后，可添加、复制、重排或删除子程序框图。对于每个分支，使用标签工具在调节结构上方的条件选择器标签中输入一个值、值列表或值范围。可为条件结构创建多个输入输出隧道并指定一个默认条件分支。3.6获取时间的各整型数据图3.6为了使时间上4个点闪烁，需要与系统时间秒相同步，依然考虑从系统提供的时间作为改变信号。此器件获取时间秒以后，转换为时间。如图3.63.7 解除捆绑图3.7需要获取时间秒数后的1位小数，使用此解绑。如图3.7因为前面使用的获取系统时间，返回的是字符串格式，但是在后面的布尔型指示灯值接受数值型，使用此器件，进行类型转换。3.8 时间闪烁信号图3.8获取时间秒后一位小数，与0.5进行大小判断，输出0或者1。即让4个布尔指示灯，0.5秒进行闪烁。如图3.83.9 结构循环重复执行内部的子程序框图，直到条件接线端（输入端）接收到特定的布尔值。将布尔值连接至While循环的条件接线端。右键单击条件接线端，从快捷菜单中选择真(T)时停止或真(T)时继续。也可将一个错误簇连线至条件接线端，右键单击条件接线端，从快捷菜单中选择真(T)时停止或真(T)时继续。While循环永远至少执行一次。计数接线端(i)提供了当前的循环总数，首次循环的该值为零。如循环计数超过或231，计数接线端将保持值为，不会改变。如需保存大于的循环次数，可使用表示更大范围整数的移位寄存器。如选择“执行过程控制”Express VI和结构选板上的While循环并将其放置在程序框图上，则程序框图上还将出现一个已与条件接线端相连的停止按钮。如选择的是结构选板上的While循环并将其放置在程序框图上，则不会出现停止按钮。创建While循环后，可使用移位寄存器将值从上一个循环传递到下一个循环。如果将一个数组连接到While循环，则启用自动索引可读取和处理数组中的各个元素。第4章 总程序图4.1程序框图图4.14.2前面板图4.2第5章 运行结果第六章 心得体会程序要实现丰富的内容及完美的界面主要还是要靠扎实的基础，掌握各控件的使用及各类型的模块间的转换。在完成过程中，因为数据类型问题导致器件之间连线无法匹配。还有对每一位显示数字的条件结构使用错误，也在一开始造成无法运行的结果。另外，在使用时间闪烁点的时候，一开始使用延时切换，但是和时间秒不同步，所以重新使用了系统时间作为闪烁信号改变信号。参考文献1. 陈锡辉，张银鸿。LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通。清华大学出版社，2007。2. Lab