虚拟仪器设计与仿真(2016)..

虚拟仪器设计与仿真北航自动化学院宋晓，姚楠[e-mail]实验安排一、时间安排二、实验所用硬件及软件三、实验目的和内容四、设计任务和参考书１.上课、实例演示２.查阅资料、软件学习，设计实验方案3.前面板和软件编程设计4.实验现象分析，解决实验中的问题5.演示实验结果,提交实验报告6.时间地点：新主楼D536室；6～9周，第6～9周周五下午2：00到6：00（4个课时）一、时间安排（16学时）二、实验所用硬件及软件：1）PC机：P42.4G，内存512M，硬盘120G；2）软件：LabVIEW8.0以上版本三、实验目的和内容1.目的结合实验基本要求和专业背景，掌握LabVIEW图形化开发平台的使用，学习虚拟仪器的设计理念和实现方法，并用于解决科研生产中的实际问题。2.内容本实验课内容包括两部分：第一部分是基础实验（自主设计）：学习LabVIEW基本控件和常用功能，基于LabVIEW设计一个虚拟的实验仪器；并实现虚拟仪器的基本功能。第二部分要求学习使用LabVIEW的高级控件使用和复杂功能实现，培养综合开发能力，要求自主设计一个虚拟的实验仪器，并实现虚拟仪器的功能。（键盘、计算器或其他项目需求，可以运用不同软件混合编程）四、设计任务和参考书基础实验（也可以自主设计）虚拟信号发生器设计（示波器）自主开发设计实验：自主设计实验方案，基于Labview和可利用的硬件设计实现，可以结合专业特色和实际科研项目需求。4.1什么是虚拟仪器（VI）仪器的构成元素硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（显示器与旋钮）数据采集信号处理结果表达与仪器控制硬件（电子线路）程序算法显示器与虚拟控件仪器概念的转变传统仪器厂商定义功能虚拟仪器用户定义功能PROCESSORBUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAYANDCONTROL488PORT礟MathMEMORY礟ROMPROCESSORBUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAYANDCONTROL488PORT礟MathMEMORY礟ROMControlPanelFlowPressureAlarmConditionsSTOPTemperature虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突破，改变了传统的仪器观，带来一个全新的仪器观念。虚拟仪器代表着测量仪器发展的最新方向和潮流，是仪器产业发展的一大趋势。虚拟仪器（VirtualInstrumention）是基于计算机的仪器虚拟仪器是由美国NI公司提出的（1986年，pc，虚拟仪器，LabVIEW），在计算机上加入特定的软件并配置一些硬件使计算机能完成许多仪器的功能。虚拟仪器=商业化的PC+虚拟仪器应用软件+能够实现虚拟仪器功能的硬件。将仪器装入计算机—虚拟仪器以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。强大的运行环境，多功能性，强大的分析处理能力，灵活性在教学科研中虚拟仪器的优势方便—对于实验现象的演示不需要带笨重的仪器，只需带上装有程序的U盘即可；廉价—几乎不要什么成本（软件）？仪器的运行平台是PC机，操作环境也兼容（非WINDOWS系统也可以）；直观—一个设计严谨的程序可以等效普通仪器，看到的是面向用户的仪器面板；易扩展—适当修改程序就能增加或修改功能。LabVIEW简介LabVIEW是美国NI公司所推出的一种虚拟仪器开发平台，它的出现给虚拟仪器的设计和开发带来了很大的便利。LabVIEW类似于C和BASIC开发环境，它与其他计算机语言的显著区别是：它使用的是图形化编辑语言编写程序。图形化的程序语言，又称为“G”语言。用这种语言编程时，基本上不写程序代码，而是流程图，产生的程序是框图的形式。LabVIEW编程又称为“数据流编程”。特别对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件技术人员，编程就像设计电路图一样；在很短的时间内就能够学会并应用LabVIEW。图形化开发平台LabVIEW图形化开发平台4.2LabVIEW的特点1）多功能性：LabVIEW提供了大量虚拟仪器和函数库，用户可以根据任务需求定义和设计各种仪器。2）强大的处理和分析能力：可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以设计出功能强大的仪器。3）集成与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485等协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。4）像其他软件一样，LabVIEW提供了Windows，UNIX，Linux等多种版本。5）LabVIEW是一种图形化的编程开发环境，易学易懂，目前广泛用于工业和实验研究，可以快速提高工作效率，是必备工具。优点采集-处理-表达与控制1）JeffK说：不能把LabVIEW当成一种通用编程语言。2）不适用于编写大规模软件。3）入门容易深入难。4）版本更新快，各版本之间的兼容性不好。缺点LabVIEW应用简单的虚拟仪器程序的设计开发过程基于LabVIEW开发平台设计开发的程序称为虚拟仪器程序，简称为VI。VI包括三个部分：程序前面板、框图程序，图标/连接器。a.程序前面板在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面版；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接收鼠标和键盘指令。每一个VI都可以被其他VI调用，功能类似于文本语言的子程序嵌套（函数）；而这种嵌套的层次，是不受任何限制的。前面板前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象：控制（control）——开关，旋钮，文本，数字。。。显示（indicator）——文本，数字，图形。。。下图是一个随机信号发生和显示的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有一个控制对象——开关，可以启动和停止工作。并非简单地画两个控件就可以运行，在程序面板还有一个与之配套的流程图。控制对象(输入)显示对象(输出)随机信号发生器的前面板程序框图提供VI的图形化源程序。在程序框图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。程序框图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。下图程序框图中包括了上图前面板上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作，设置了一个WhileLoop循环，由开关控制这一循环的结束。函数：随机数发生器结构：循环与前面板控件对应的连线端子与前面板控件对应的连线端子随机信号发生器的程序框图如果将VI与标准仪器相比较：前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而程序框图上的东西相当于仪器箱内的东西。使用VI可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个形象逼真的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。图标/连接器VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子程序，这里称为子VI，被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。VI的组成：所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（frontpanel）、程序框图（blockdiagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。1.前面板程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪器的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制，输出量被称为显示。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，使得前面板直观易懂。将前面板中的控制和指示统称为前面板对象或控件。2.程序框图程序框图由端口、节点、图框和连线构成。其中端口：用来同程序前面板的控制和显示传递数据；节点：用来实现函数和功能调用；图框：用来实现结构化程序控制命令；连线：代表程序执行过程中的数据流，定义框图内的数据流动方向。3.图标/连接器实验前面板设计框图程序练习.虚拟温度计设计温度计程序前面板如图前面板温度计程序框图图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口。图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就像函数的参数。所以必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。下图为温度计程序的图标/连接器。连接器一般情况下隐含不显示。比如把前面创建的温度计程序作为一个子程序用在当前新建程序里，当前程序的前面板如下图，先前的温度计子程序用于采集数据，而当前的程序用于显示温度曲线，并在前面板上设定测量次数和每次测量间隔的延时。程序框图该程序的框图把温度计子程序放置在一个FOR循环里，每次循环过程采集一次测量结果，当循环执行了设定的次数后，程序把采集的数据送到前面板的图表上显示。这种创建和调用子程序的方法，使创建的程序结构模块化，更易于调试、理解和维护。基础实验：虚拟信号发生器设计（参考，可自主设计）1．实验目的本实验属于虚拟仪器仿真基础实验。通过查阅相关的资料、学习LabVIEW软件，掌握编程过程、思路和方法。独立设计一个虚拟信号发生器的前面板和软件编程，进行程序的调试，研究实验现象，解决实验过程中的问题，根据信号发生器的工作原理，实现基本功能。2．实验原理说明利用LabVIEW的运算控件、基本波形发生器、任意波形发生器和波形图控件，设计虚拟信号发生器。并能够实现实际信号发生器的主要功能。要求：运行时使用界面简单、易于操作。3、实验要求1）实现功能：要有正弦波、方波、三角波、锯齿波、噪声以及任意波形的发生，并能任意切换产生信号类型。2）实现指标：(1)任意波型可实现公式输入；(2)频率、幅度、相位、偏移量可调可控；(3)方波占空比可控；(4)噪声任意可加、波形与数码同时显示，同时显示输出频谱特性；(5)所有调制都可微调与粗调。1)打开LabVIEW，新建一个VI程序。2)先按照方案设计的内容建立前面板图，分别写好它们的标签，再分别调用显示和输入组件，设计波形图显示界面、停止控件、可调旋钮和输入控件的位置，使界面简单，利于操作，添加必要说明美化操作界面。3)设计后面板，编写信号发生器的程序。首先设计整体的while循环，然后设置基本信号发生器、任意信号函数发生器和噪声发生器的基本参数，采样频率、幅值、偏移量、相位等参量，并配置可调旋钮。4)将两个信号发生器和波形显示器连接，任意波形发生器和噪声信号连接。5)调试程序。通过调试，检查信号发生器的功能是否实现，各项指标是否满足设计要求。4.实验步骤5.软硬件设计（框图参考）1)信号发生器前面板2)信号发生器程序后面板框图1)信号发生器实现了双通道输出信号的要求。可以同时输出基本信号和任意输入波形的信号。2)基本信号发生通道，可以输出正弦波、方波、三角波、锯齿波。可以随时进行切换，并可以通过可调控件来改变信号的幅值、频率、偏移量等。3)任意波形发生通道，可以按任意输入的函数输出信号，同时可调节粗调、精调控件来改变信号的幅值、频率、偏移量等。并且在任意波形输入时加入了均匀白噪声，噪声的幅值可调。4)信号显示。可以通过标尺测量输出信号的幅值和相位。5)各通道之间互不干扰。信号之间切换顺畅，输出信号稳定、可控。6.实验结果及分析自主开发设计实验举例：虚拟键盘控制面板设计仿真（参考，可设计其它的仪器）1．实验目的根据实验题目，学习簇结构的使用，掌握虚拟仪器前面板整体布局设计；学习LabVIEW的高级控件的运用和复杂功能实现；设计键盘控制面板并实现其功能。学习外部程序接口及LabVIEW与其他软件的混合编程。2．实验原理说明原理框图：键盘控制面板设计，程序创建能实现虚拟键盘的录入功能，按CapsLock钮可切换大小写，程序要配合鼠标使用，输入能显示。键盘控制面板前面板设计键盘控制面板程序框图编程关键提示：键盘控件创建利用了簇，本实验的键盘有52个布尔型控件组成的簇构成界面的结构，簇是LabVIEW中比较独特的一个概念，在实际中相当于C语言中的结构体变量，可包括任意数目任意类型的元素，而且簇中的控件的位置可以随便