计算机仿真和可视化设计

1、计算机仿真和可视化设计计算机仿真和可视化设计基于LabVIEW的工程软件应用 蔡建安 陈洁华 张文艺目录v1LABVIEW概述概述v2LABVIEW模板简介模板简介v3创建创建VI程序程序v4LABVIEW结构结构v5LABVIEW 数据类型数据类型v6图表及图形图表及图形v7字符串和文件字符串和文件I/Ov8数据采集数据采集v9工程仿真和设计常用编程技法工程仿真和设计常用编程技法v10 虚拟设备实例水环境工程仿真软件虚拟设备实例水环境工程仿真软件v11附录附录6图表及图形图表及图形6.1概述概述6.2波形图表（波形图表（Chart）6.3波形图和坐标图（波形图和坐标图（Graph）6.4定制

2、图表及图形定制图表及图形学习指导v图表和图形使数据可视化，表达了大量的信息，在 LabVIEW程序中十分重要。LabVIEW使用了图表（Chart）和图形 （Graph）两个不同的概念。Chart显示一个实时变化的波形或曲线，Graph 是采集数据入数组进行的事后处理。学习要点v三种图表（Chart）形式是条形图表、示波器以及扫描图表。两种图形（Graph）指波形图及坐标图；v图表及图形具有多态性，Chart是标量、波形图是数组，它们在以多元形式显示时须组合成簇，坐标图是XY函数的簇。编程需要使数据连线匹配；v循环结构经常与图表和图形配合使用，设置循环控件要特别注意掌握自动索引功能的应用；v通

3、过设置弹出菜单显示子模板，可以修改定制图表及图形，需要正确理解和认识相关术语。6波形图表（波形图表（Chart）6.3 波形图和坐标图（波形图和坐标图（Graph）虽然波形图与坐标图功能不同，但是虽然波形图与坐标图功能不同，但是在前面板上看起来非常相似。波形图在前面板上看起来非常相似。波形图和坐标图都能一次绘出已生成的一串和坐标图都能一次绘出已生成的一串数据。与它们不同，波形图表可以绘数据。与它们不同，波形图表可以绘制新获得的数据。制新获得的数据。 6.3波波形形图图波波形形图图演演示示波波形形图图演演示示6.4 定制图表及图形定制图表及图形v图表及图形都具有个性化设计的编辑特点。vAutos

4、caling 自动调整坐标刻度区间vLegend (图注);vPlot(曲线);vPalette(选项板) ;vScope Chart (示波器图表) 。vWaveform Chart(波形图表) 。vWaveform Graph(波形图) 。简支梁的剪力、弯矩和桡度图叠加法简支梁的剪力、弯矩和桡度图叠加法v编程要点：编程要点：剪力、弯矩和桡度图选择剪力、弯矩和桡度图选择x-y 函数图。函数图。使用步长使用步长“L/200”逐点描绘剪力、弯矩和桡度。逐点描绘剪力、弯矩和桡度。必须注意必须注意 For Loop循环的自动索引功能，捆绑形成与循环的自动索引功能，捆绑形成与x-y 函数图属性统一的簇

5、。函数图属性统一的簇。快捷菜单定制图形。快捷菜单定制图形。Visible ItemsX Scale 是一个交替选项，使用后将剪是一个交替选项，使用后将剪力和弯矩图的力和弯矩图的x坐标隐去；坐标隐去；X ScaleAutoScale X和和Y ScaleAutoScale Y实现实现x-y坐标的自动定界。坐标的自动定界。Visible ItemsPlot LegendCommon Plot设置曲线的设置曲线的属性，如桡度图；属性，如桡度图；Visible ItemsPlot LegendBar Plots 完成剪力和弯矩完成剪力和弯矩图形式的定制。图形式的定制。7字符串和文件字符串和文件I/O7

6、.1字符串字符串7.2字符串的功能函数字符串的功能函数7.3文件的输入文件的输入/输出输出7.3.1文件格式文件格式7.3.2文件文件I/O功能函数功能函数7.4波形数据的文件波形数据的文件I/O学习指导学习指导v字符串是ASCII字符的集合，LabVIEW常通过字符串传递数字数据，许多信息则使用文件输入和输出到磁盘文件进行存储和再利用。 学习要点v由于字符串在传递数字数据的作用，须认识字符串和数字数据类型的差别，熟悉相互间转换；v使用处理字符串的功能，进行字符串编辑操作，认识字符串和路径数据类型的差别，熟悉相互间转换；vLabVIEW处理文件I/O的文件格式有三种，掌握文件I/O功能函数和V

7、I，能够灵活处置数据，对工程应用十分必要；vLabVIEW提供了波形数据直接进行文件I/O的方法，掌握波形数据构造及多态性操作，文件写入和读出的文件格式是其中关键。7.1 字符串字符串v创建字符串控件和指示器。创建字符串控件和指示器。v打开一个前面板，在打开一个前面板，在Controls模块模块 String & Table的子模块中，选择字符串的子模块中，选择字符串控件和指示器放置在面板的适当部位。控件和指示器放置在面板的适当部位。使用操作工具或者标签工具向其中添加使用操作工具或者标签工具向其中添加对象，输入或者改变字符串对象中的文对象，输入或者改变字符串对象中的文本。本。 不同的Displ

8、ay选择字符串例字符串例7.1 LabVIEW 7.1文件的输入文件的输入/输出输出数据三种文件格式数据三种文件格式vASCII字节流字节流文本文件在是可读的，该文件类型是最易于进行整文本文件在是可读的，该文件类型是最易于进行整体互换。体互换。v数据记录文件数据记录文件LabVIEW数据流格式文件，这种文件形式是一种数据流格式文件，这种文件形式是一种特殊的二进制形式，只有特殊的二进制形式，只有G语言可以访问。自由读语言可以访问。自由读取数据流文件，并且每一个记录都包含时间标记。取数据流文件，并且每一个记录都包含时间标记。v二进制字节流二进制字节流文件的格式最紧凑、最快速地存储文件的格式。是文件

9、的格式最紧凑、最快速地存储文件的格式。是存储于用户计算机内数据的位图像。存储于用户计算机内数据的位图像。 7.3.2文件文件I/O功能函数功能函数最便于使用的最便于使用的5个简单个简单File I/O功能函数功能函数vWrite To Spreadsheet File 节点的连线依次是：节点的连线依次是：vFormat：指定创建字符串格式，默认形式是：指定创建字符串格式，默认形式是 %.3f. 格式字符串规定与格式字符串规定与前述相同。前述相同。vfile path：文件名和路径，缺省时出现对话框。：文件名和路径，缺省时出现对话框。v2D data：1D data为空时写入文件的为空时写入文件

10、的2D 单精度数据。单精度数据。v1D data：该：该VI接受一维数组，在这种情况下它将数据数值单列一行，接受一维数组，在这种情况下它将数据数值单列一行，以便与标签分开，并对最后一行数据进行标记。以便与标签分开，并对最后一行数据进行标记。2D与与1Ddata不能同不能同时工作。时工作。vappend to file：一个布尔选项，用于确定是对一个已有文件进行追：一个布尔选项，用于确定是对一个已有文件进行追加纪录还是进行更新。缺省值加纪录还是进行更新。缺省值FALSE。vtranspose：一个布尔选项，用于进行转置操作，交换行与列。缺省：一个布尔选项，用于进行转置操作，交换行与列。缺省值执行

11、值执行FALSE。vdelimiter：在文件中加入特定的字符串，如：在文件中加入特定的字符串，如Tab, 逗号（逗号（comma）等）等分界符。分界符。vnew file path：新路径和文件名。：新路径和文件名。7.3.2文件文件I/O功能函数功能函数最便于使用的最便于使用的5个简单个简单File I/O功能函数功能函数Write To Spreadsheet File VI用于将由单精度数值组成的一维或者二维数组转换成文本字符串，再将它写入一个新建文件或者已有文件。通常用一维或二维数组的形式来收集数据，将其转换为带分隔符文本。 Read From Spreadsheet File VI

12、用于文件的特定位置开始读取指定个数的行或者列内容，再将数据转换成二维、单精度数组。Write Characters To File 用于将一个字符串写入一个新建文件或者已有文件。 Read Characters From File VI用于从某个文件的特定位置开始读取指定个数的字符。 Read Lines From File VI用于从某个文件的特定位置开始读取指定个数的行内容。7.4 波形数据的文件波形数据的文件I/Ov波形数据的文件I/O位于功能模板的Waveform子模板下，具有Write Waveforms to File 、Read Waveform from File、Export

13、 Waveforms To Spreadsheet File三个子VI操作。vWrite、Read Waveform和导出表单文件节点的连线。vWrite Waveforms to File和Read Waveform from File用于波形数据在文件中的写入和读出数据。Export Waveforms To Spreadsheet File与Write To Spreadsheet File的操作类似. 8数据采集数据采集v8.1概述v8.2数据采集系统的构成v8.3模入信号8.3.1 信号类型8.3.2 模拟输入8.3.3 采样频率和样本数8.3.4 模入信号的连接方式8.3.5 信号

14、调理8数据采集数据采集v8.4 数据采集(DAQ)卡8.4.1数据采集卡的功能8.4.2数据采集卡的软件配置8.4.3即插即用的USB连接测量和控制技术8.4.4多通道采样方式v8.5 数据采集VI程序的调用方法v8.6 数据采集操作实例I/O接口设备PCI-6024E8.6.1PCI-6024E数据采集卡的连接8.6.2I/O接口设备PCI-6024E数据采集卡的软件驱动8.6.3数据采集VI程序的调用方法学习指导v数据采集（Data Acquisition）的完成需要数据采集（DAQ）卡（硬件）和程序（软件）的支持，在当今工程领域具有广泛的应用和重要价值。学习要点模拟或数字信号的基本概念，

15、模/数转换，数/模转换，数字量I/O，计数器/定时器操作；v数字量位数、输入范围、分辩率、增益、采样频率的基本概念和相互关系；v将数据采集（DAQ）卡插入计算机，与外部产生模拟信号的传感器连接，应用LabVIEW构建VI，获得数据。8数据采集数据采集v8.1概述v8.2数据采集系统的构成8.3 模入信号v8.3.1信号类型8.3.1.1数字信号v一、开-关信号。 TTL信号：逻辑低电平，0到0.8V，逻辑高电平2.0到5.0V v二、脉冲信号。 8.3.1.2模拟直流信号v静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。

16、8.3.2模拟输入v测量模拟信号时，必须考虑下列因素：v输入模式（单端输入或者差分输入）v分辨率v输入范围v采样速率v精度和噪声8.3.2模拟输入v输入范围是指A/D能够量化处理的最大、最小输入电压值。v分辨率是模/数转换所使用的数字位数。v增益表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。 v输入范围、分辩率以及增益决定了输入信号可识别的最小模拟变化量。v算式为：输入范围/（增益*2分辩率）。 可识别最小模拟变化量 例v一个12位的DAQ卡，输入范围为0到10伏，增益为1，则可检测到2.4mV的电压变化。而当输入范围为-10到10伏（20伏），可检测的电压变化量则为4.8mV。式中Vu 、Vd模拟变

17、化量测量上下限，G为增益，n 是分辨率数字位数。 312104 . 2210102nduGvve8.3.3采样频率和样本数v对一个模拟信号x(t) 每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/t 被称为采样频率，单位是采样数/每秒。 8.3.4 模入信号的连接方式v一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。测量系统可以分为v差分（Differential）、v参考地单端（RSE）、v无参考地单端（NRSE）。8.3.5信号调理1.放大微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声 2.隔离隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连

18、接。 3.滤波 从所测量的信号中除去不需要的成分。大多用来滤除噪声。 4.激励5.线性化 8.4 数据采集(DAQ)卡v8.4.1数据采集卡的功能典型的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等 8.4.2数据采集卡的软件配置8.4.3即插即用的USB连接测量和控制技术8.4.4多通道采样方式多数通用采集卡有多个模入通道，共用一套A/D,通过多路开关扫描切换实现多通道的采样。一次扫描（scan），对所有用到的通道进行一次采样，扫描速率（scan rate）是每秒扫描次数。8.5 数据采集VI程序的调用方法vdevice设备号。赋予采集卡的设备号vchannels指定数据样本的物理源。在LabVIEW VI中，一个通道或一组通道都用一个字符串来指定。vscan rate(1000 scans/sec)是在多通道采样时，分