虛擬相位差測量儀的設計論文（含ppt、中英資料）

1、中文摘要 i 畢畢業(yè)業(yè)設設計計開開題題報報告告（理理工工類類） 設設計計題題 目目 虛虛擬擬相相位位差差測測量量儀儀的的設設計計 學學生生姓姓 名名 學學號號專專業(yè)業(yè)電電氣氣工工程程及及其其自自動動 化化 一一、課課題題的的目目的的意意義義： 現(xiàn)代電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展和普及應用使得電子測量儀器 與自動化測試這個技術領域發(fā)生了根本性的變化。尤其是近年來美國國家 儀器公司 ni 的創(chuàng)新產(chǎn)品 圖形化編程環(huán)境 labview（laboratory virtual instrument engineering）的出現(xiàn),使得“虛擬儀器 ”的思想為工業(yè) 界所接收。 虛擬儀器的本質是利用現(xiàn)有的計算機

2、，加上特殊設計的儀器硬 件和專用軟件形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒有的特殊功 能的高檔低價的新型儀器。 虛擬儀器最重要、最核心的技術是虛擬儀器軟 件開發(fā)環(huán)境。 labview 是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和 研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 labview 集成了與滿足 gpib、vxi、rs-232 和 rs-485 協(xié)議的硬件及 數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用tcp/ip、activex 等 軟件標準的庫函數(shù)。 測量相位差的方法（過零檢測法、相關分析法、頻譜 分析法等）；此次設計的目的仔魚多種方法在虛擬儀器設計平臺的仿真

3、實 現(xiàn)；采用各種方法的虛擬相位差測量儀的分析比較。 通過此次的設計培養(yǎng)了綜合運用所學的c 程序設計、虛擬儀器、電 路原理、電力電子技術和自動控制原理等專業(yè)知識，提高了調查研究、查 閱文獻和檢索資料的能力。 如今虛擬儀器的功能和性能已被不斷地提高， 在許多應用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著pc、半導體和軟 件功能的進一步更新，未來虛擬儀器技術的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設計提供 一個極佳的模式 。因此對本課題的研究有著巨大的現(xiàn)實和長遠意義。 二二、近近年年來來國國內內外外研研究究現(xiàn)現(xiàn)狀狀： 27 年前，美國國家儀器公司 ni（nationalinstruments）提出“軟件 即是儀器 ”的概念

4、，推出了直觀的流程圖編程風格的軟件開發(fā)和運行平臺 labview，引發(fā)了 測控技術 領域的一場重大變革，使得計算機和網(wǎng)絡技術 得以進入儀器領域 ，開啟了虛擬儀器 （vi）的先河。 虛擬儀器 可以充分利用現(xiàn)有計算機資源，配以獨特設計的軟硬件， 實現(xiàn)普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無法實現(xiàn)的功能。它依賴 軟件，通過計算機來控制測試硬件、分析和提供測試數(shù)據(jù)。由于沒有專門 的前面板、顯示器和電源，其硬件通常在pc 或 vxi/cpci 主機中，所有儀 器面板和顯示器都在監(jiān)視器上模擬，所以稱為虛擬儀器 。虛擬儀器技術 中文摘要 ii 的出現(xiàn)徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，給用戶一

5、 個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。用戶可以根據(jù)不同要求，設計自己 的儀器系統(tǒng)，滿足多樣的應用需求。 虛擬儀器 最終要取代大量的傳統(tǒng)儀器 成為儀器領域的主流產(chǎn)品，成為測量、分析、控制、自動化儀表的核心。 三三、設設計計方方案案的的可可行行性性分分析析和和預預期期目目標標： 一一、可可行行性性分分析析： 1、由由于于 labview 提提供供的的圖圖表表功功能能是是有有限限的的，尤尤其其是是當當軟軟件件中中需需要要進進 行行復復雜雜計計算算時時 labview 的的圖圖形形化化編編程程語語言言速速度度不不理理想想等等原原因因，利利用用在在 labview 環(huán)環(huán)境境中中調調用用 c 語語言言以以完

6、完善善其其功功能能 2、根根據(jù)據(jù)相關法、過零檢測法等測量相位差的原理，將其運用在 labview 軟件平臺中。 二二、預預期期目目標標 模模擬擬兩兩個個輸輸入入電電壓壓信信號號在在設設計計成成的的虛虛擬擬儀儀器器界界面面仿仿真真實實現(xiàn)現(xiàn)。 四四、所所需需要要的的儀儀器器設設備備、材材料料： 一一、儀儀器器設設備備。 微微機機一一臺臺（須須裝裝有有 labview7.1 虛虛擬擬儀儀器器開開發(fā)發(fā)軟軟件件平平臺臺）、示示波波器器等等。 二二、主主要要參參考考文文獻獻。 清華版 labview 教程 計算機虛擬儀器圖形編程 labview 實驗教材 基于 labview 的虛擬儀器設計 劉君華 五五

7、、課課題題分分階階段段進進度度計計劃劃： 序序號號起起止止日日 期期 工工 作作 內內 容容階階段段成成果果 1第第 1-2 周周 查找英文資料，并翻譯，熟悉課題。 對本課題有了初步 的了解 2第第 3-4 周周 確定總體方案，撰寫開題報告。完成開題報告，并 順利通過答辯 3第第 5-6 周周 根據(jù)設計任務書，提出系統(tǒng)的整體 方案，寫出概要設計書。 順利設計出系統(tǒng)整 體方案 4第第 7-8 周周 實際調研。對 labview 有了更 深入的了解 5第第 9-10 周周 大量查找資料，并完成各種硬 軟件 的原理分析 。 查找并熟悉了各控 件的基本功能 中文摘要 iii 6第第 11-13 周周

8、現(xiàn)場制作與實驗 。成功設計出各種方 法的程序框圖 7第第 14-16 周周 撰寫畢業(yè)論文，準備答辯 。繪制答辯圖紙， 論 文定稿成功 8第第 17 周周 畢業(yè)答辯準備畢業(yè)答辯 指指導導教教師師意意見見： 簽字： 200 年 月 日 中文摘要 iv 畢畢業(yè)業(yè)設設計計（論論文文） 題題 目目： 虛虛擬擬相相位位差差測測量量 儀儀的的設設計計 學 院： 電氣與電子工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 中文摘要 v 摘摘 要要 本題目屬于應用設計類，設計內容包括：相位差檢測的方法（相關分析法、 頻譜分析法、過零檢測法等）研究；多種方法在虛擬儀器設計平臺上的仿真實 現(xiàn)；采用各種方法的虛擬相位差測量儀的

9、分析比較。 論文采用三種方法中的前兩種，比較兩種方法設計成的仿真儀在測量波形 相位差的精度和程序上的不同，通過相關資料了解它們在實際運用中各自的適 用場所及其優(yōu)缺點。充分了解虛擬儀器特別是 labview 的功能強大性。 論文的第一部分是對虛擬儀器，主要是虛擬儀器的大體介紹和相位差測量 儀的在工業(yè)上的應用；第二部分主要是對 labview 的簡介和其運行的環(huán)境的 概述；第三部分主要講述本次課程設計中要用到 labview 中的功能函數(shù)以及 相關法、頻譜分析法等相位差測量方法原理；第四部分則列出本次課程設計要 用到的 labview 的內容及各種方法在 labview 平臺下的實現(xiàn)。最后是對本

10、次設計的總結。 關關鍵鍵詞詞：相關法、頻譜分析法、過零檢測法、相位計 英文摘要 vi abstract the topic is application design category, design elements include: phase difference detection method (correlation analysis, spectrum analysis, zero-crossing detection, etc.); various methods in the design of virtual instrument platform simulation;

11、using various methods of virtual phase meter analyzed. papers using three methods of the former two. comparing the two methods designed instrument in the simulation waveform measurement accuracy and the phase difference of the different procedures, through the relevant information on the practical a

12、pplication of their respective places of application and their advantages and disadvantages. fully aware of virtual instruments, especially labview powerful nature. among the first part of the virtual instrument, is the main design of this phase difference measuring instrument of industrial applicat

13、ions; the second part was to brief the labview and its operating environment overview; the third part mainly on the current curriculum design, the use of related laws, such as spectrum analysis phase difference measurement principle; part iv sets out the course of the design labview use of the conte

14、nt and methods in labview platform achieved. keywords: correlation, spectrum analysis, zero-crossing detection, phasemeter 目 錄 vii 目 錄 摘 要.i abstract（英文摘要）.vi 目 錄. .ivi 第一章第一章 引引 言言. 1 1.1 高效的軟件.1 1.2 模塊化的 i/o 硬件. 2 1.3 用于集成的軟硬件平臺.2 第二章 相位差測量儀的概述 . 5 2.1 相位差的定義.5 2.2 相位差測量儀的應用.5 第三章 編程軟件 labview 的簡介

15、.5 3.1 labview 的概述 .6 3.2 labview 的應用 .7 3.2.1 labview 應用于測試與測量 .7 3.2.2 labview 應用于過程控制和工業(yè)自動化 .7 3.2.3 labview 應用于實驗室研究與自動化 .7 3.3 labview 的編程環(huán)境 .8 第四章 相位差測量方法原理簡介. 10 4.1 相關法測量相位差原理. 10 4.2 頻譜分析法測量相位差原理. 12 4.3 零點檢測法測量相位差原理. 13 第五章 測量相位差方法在 labview 中的應用. 15 5.1 設計中常用控件功能簡介. 15 5.1.1 數(shù)據(jù)類型 . 15 5.1.

16、2 結構 . 15 目 錄 viii 5.1.3 數(shù)學運算 . 18 5.1.4 比較運算 . 18 5.1.5 簇. 20 5.1.6 波形顯示控件 . 21 5.2 基于相關原理的虛擬相位差的設計. 23 5.2.1 基于相關法虛擬相位差計主程序流程圖. 23 5.2.2 labview 平臺下軟件的實現(xiàn) . 23 5.3 利用 fft 函數(shù)的相位計簡單設計. 25 5.4 基于頻譜分析原理的虛擬相位差的設計. 27 5.4.1 虛擬頻譜分析法測量相位差計的實現(xiàn).27 5.4.2 虛擬頻譜分析法測量相位差存在的問題及解決方法. 30 5.5 各種測量方法的比較. 31 結論.32 參考文獻

17、.34 致謝及聲明.35 附圖（頻譜分析法的程序框圖） 第一章 引言 - 1 - 第第一一章章 引引言言 信號的相位差測量儀在電工技術，工業(yè)自動化，智能控制，通訊及電子技 術等許多領域都有著廣泛的應用。傳統(tǒng)電子模擬式相位差測量采用乘法器法， 二極管鑒相法等，有硬件電路完成。電路的溫漂，噪聲級干擾信號，都會導致 測量結果產(chǎn)生誤差，因此，傳統(tǒng)的相位差檢測方法正逐漸被軟件測量方法所替 代，通過軟件算法來消除溫漂，噪聲及干擾信號的影響，使測量結果更加精確。 1995 年我們開始接觸 ni 公司的產(chǎn)品， 2000 年建立了一個用于教學的 虛擬儀器實驗室。在該實驗室中，使用自己開發(fā)的虛擬儀器開設了幾個實驗

18、， 并融入電路實驗課程，然后又轉向為全校的本科生和研究生開設虛擬儀器設 計課程。 虛擬儀器是以其技術與計算機技術深層次結合的產(chǎn)物，它強調“軟 件就是儀器 ”的概念，用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，更好的組 建自己所需要的測試系統(tǒng)。它是按照 “信號的調整與采集（ adc），數(shù)據(jù) 的分析與處理（ dsp），結果的輸出（ dac）及顯示 ”的結構模式來建立通 用儀器硬件平臺，在這個通用硬件儀器平臺上，調用不同的測量軟件就構成 了不同功能的儀器。 虛擬儀器（ virtual instrumention）是基于計算機的儀器。計算機 和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩

19、種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。 隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越 強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。 以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要 是指這種方式。下面的結構反映了常見的虛擬儀器方案。 被測對象 信號處理 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)處理 虛擬儀器面板 虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完 成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定 義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標準的軟硬 第一章 引言 -

20、2 - 件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是ni 近 30 年來始終引 領測試測量行業(yè)發(fā)展趨勢的原因所在。只有同時擁有高效的軟件、模塊化 i/o 硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器 技術性能高、擴展性強、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢。虛擬儀 器技術的三大組成部分： 1.1 高效的軟件 軟件是虛擬儀器技術中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設計 或調用特定的程序模塊，工程師和科學家們可以高效地創(chuàng)建自己的應用以及 友好的人機交互界面。 ni 公司提供的行業(yè)標準圖形化編程軟件 labview，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后 續(xù)

21、數(shù)據(jù)處理能力，設置數(shù)據(jù)處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶。 此外，ni 提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，例 如連接設計與測試的交互式軟件signalexpress、用于傳統(tǒng) c 語言的 labwindows/cvi、針對微軟 visual studio 的 measurement studio 等等， 均可滿足客戶對高性能應用的需求。 有了功能強大的軟件，您就可以在儀器中創(chuàng)建智能性和決策功能，從而 發(fā)揮虛擬儀器技術在測試應用中的強大優(yōu)勢。 1.2 模塊化的i/o硬件 面對如今日益復雜的測試測量應用， ni 提供了全方位的軟硬件的解決 方案。無論您是使用 pci,

22、pxi, pcmcia, usb 或者是 1394 總線，ni 都能 提供相應的模塊化的硬件產(chǎn)品，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集、信號條理、聲音和振 動測量、視覺、運動、儀器控制、分布式i/o 到 can 接口等工業(yè)通訊，應 有盡有。 ni 高性能的硬件產(chǎn)品結合靈活的開發(fā)軟件，可以為負責測試和設 計工作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測量系統(tǒng)，滿足各種獨特的應用要求。 目前，ni 已經(jīng)達到了每 2 個工作日推出一款硬件產(chǎn)品的速度，大大拓寬了 用戶的選擇面：例如 ni 新近推出的新一代數(shù)據(jù)采集設備 先期推出的 第一章 引言 - 3 - 20 款 m 系列 daq 卡，就為數(shù)據(jù)采集領域設定了全新的標準。 1.3 用

23、于集成的軟硬件平臺 ni 首先提出的專為測試任務設計的pxi 硬件平臺，已經(jīng)成為當今測試、 測量和自動化應用的標準平臺，它的開放式構架、靈活性和pc 技術的成 本優(yōu)勢為測量和自動化行業(yè)帶來了一場翻天覆地的改革。由ni 發(fā)起的 pxi 系統(tǒng)聯(lián)盟現(xiàn)已吸引了 68 家廠商，聯(lián)盟屬下的產(chǎn)品數(shù)量也已激增至近千 種。 pxi 作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動化應用度身定制的模塊化儀器平 臺，內建有高端的定時和觸發(fā)總線，再配以各類模塊化的i/o 硬件和相應 的測試測量開發(fā)軟件，您就可以建立完全自定義的測試測量解決方案。無論 是面對簡單的數(shù)據(jù)采集應用，還是高端的混合信號同步采集，借助pxi 高性能的硬件平臺，您

24、都能應付自如。這就是虛擬儀器技術帶給您的無可比 擬的優(yōu)勢。 虛擬儀器技術的四大優(yōu)勢： 1.性能高： 虛擬儀器技術是在 pc 技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全 “繼承” 了以現(xiàn)成即用的 pc 技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處 理器和文件 i/o，使您在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分 析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡使得虛擬儀器技術展 現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。 2.擴展性強 ni 的軟硬件工具使得工程師和科學家們不再圈囿于當前的技術中。得 益于 ni 軟件的靈活性，只需更新您的計算機或測量硬件，就能以最少的硬 件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進您的

25、整個系統(tǒng)。在利用最 新科技的時候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設備，最終以較少的成本加 速產(chǎn)品上市的時間。 第一章 引言 - 4 - 3.開發(fā)時間少 在驅動和應用兩個層面上， ni 高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表 和通訊方面的最新技術結合在一起。 ni 設計這一軟件構架的初衷就是為了 方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng) 建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。 4.無縫集成 虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上 不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需 求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費

26、大量的時間。ni 的虛擬儀器 軟件平臺為所有的 i/o 設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測 量設備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。 虛擬儀器的主要特點有： 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞职l(fā)揮計 算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。用戶可 以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 目前，美國的 ni 公司和 hp 公司在虛擬儀器的研究方面處于領先地位， 購買其虛擬儀器產(chǎn)品必將有助于我們的科研和教學工作，但價格非常昂貴。 因此，根據(jù)自己的需要自行研究和開發(fā)虛擬儀器顯得尤為重要。利用計算機 的強大功能采用 labview8.2 圖形編程語言

27、，設計了一種方便使用的相位差 計。該儀器的主要特點如下：采用了labview 作為開發(fā)平臺，軟件編程方 便、簡潔、效率高；利用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)可測量兩個同頻信號的相位差； 在現(xiàn)有的基礎上，通過改變軟件的設計，可以實現(xiàn)別的儀器的功能。如虛擬 函數(shù)發(fā)生器、虛擬示波器等。 相信隨著計算機技術和測控技術的不斷發(fā)展，虛擬儀器將成為未來教學 科研的重要方法和手段，將取代傳統(tǒng)一起成為測量儀器的主流。 第二章 相位差測量儀的概述 - 5 - 第第二二章章 相相位位差差測測量量儀儀的的概概述述 2.1 相位差的定義 相位差:兩個頻率相同的交流電相位的差叫做相位差，或者叫做相差。 這兩個頻率相同的交流電，可以是

28、兩個交流電流，可以是兩個交流電壓，可 以是兩個交流電動勢，也可以是這三種量中的任何兩個。 例如研究加在電路上的交流電壓和通過這個電路的交流電流的相位差。 如果電路是純電阻，那么交流電壓和電流電流的相位差等于零。也就是說交 流電壓等于零的時候，交流電流也等于零，交流電壓變到最大值的時候，交 流電流也變到最大值。這種情況叫做同相位，或者叫做同相。如果電路含有 電感和電容，交流電壓和交流電流的相位差一般是不等于零的，也就是說一 般是不同相的，或者電壓超前于電流，或者電流超前于電壓。 加在晶體管放大器基極上的交流電壓和從集電極輸出的交流電壓，這兩 者的相位差正好等于 180。這種情況叫做反相位，或者叫

29、做反相 。 2.2 相位差測量儀的應用 信號的相位差測量儀在電工技術，工業(yè)自動化，智能控制，通訊及電子 技術等許多領域都有著廣泛的應用。隨著計算機和軟，硬件的日益發(fā)展。在 測試系統(tǒng)中越來越得到廣泛的應用。比如：在實際工作中，常常會遇到兩列 頻率相同的信號之間存在相位差，那么就需要測量他們之間的相位差，電力 系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時，要求兩電網(wǎng)的電信號之間的相位相同，這時要精確 測量兩列工頻信號之間的相位差。 相位差測量在動態(tài)測試，如：振動和噪 聲控制，傳感器的校準，以及超聲測距和成像等領域越來越重要。 第三章 編程軟件 labview 的簡介 - 6 - 第第三三章章 編編程程軟軟件件 labvi

30、ew 的的簡簡介介 隨著測試技術及大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的電子測試儀器己從 模擬技術向數(shù)字技術發(fā)展；從單臺儀器向多種功能儀器的組合及系統(tǒng)型發(fā)展； 從完全由硬件實現(xiàn)儀器功能向軟硬結合方向發(fā)展；從功能組合向以個人計算 機為核心構成通用測試平臺、功能模塊及軟件包形式的自動測試系統(tǒng)發(fā)展。 同時，隨著計算機技術的不斷提高，現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)正向儀器的自動化、 智能化、小型化、網(wǎng)絡化和綜合化方向發(fā)展。 虛擬儀器的出現(xiàn)給現(xiàn)代測試技術帶來了一場革命，虛擬儀器技術是測試 技術和計算機技術相結合的產(chǎn)物，是兩門學科的最新技術的結晶，融合了測 試理論、儀器原理和技術、計算機接口技術、高速總線技術以及圖形化軟件

31、編程于一身，實現(xiàn)了測量儀器的智能化、多樣化、模塊化和網(wǎng)絡化，體現(xiàn)出 多功能、低成本、應用靈活、操作方便等優(yōu)點，在很多領域大有取代傳統(tǒng)儀 器的趨勢，成為當代儀器發(fā)展的一個重要方向，并受到各國企業(yè)界的高度重 視。所謂虛擬儀器（ virtual instrument，簡稱 vi），就是在以通用計 算機為核心的硬件平臺上，利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺在計算機的屏幕上虛 擬出儀器的面板以及相應的功能，人們通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板上 的旋鈕、開關和按鍵，去選用儀器功能，設置各種工作參數(shù)，啟動或停止一 臺儀器的工作。在計算機軟件控制下對輸入的信號進行采集、分析、處理， 測量結果（數(shù)據(jù)、波形）和儀器工作狀態(tài)

32、都可從虛擬儀器面板上讀出。用戶 在屏幕上通過虛擬儀器面板對儀器的操作如同在真實儀器上的操作一樣直觀、 方便、靈活。 3.1 labview的概述 labview 是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境（ laboratory virtual instrument engineering workbench） 的簡稱，是美國國家儀器公司 （national instruments,簡稱 ni）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應用最廣、 發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。 第三章 編程軟件 labview 的簡介 - 7 - 數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動測試是實驗室研究和工業(yè)自動化 領域廣泛存在的實際任

33、務。在20 世紀 80 年代初計算機出現(xiàn)之前，幾乎所 有擁有程控儀器的實驗室都采用貴重的儀器控制器來控制測試系統(tǒng)，這些功 能單一、價格昂貴的儀器控制器通過一個集成通訊端口來控制總線儀器。后 來，隨著 pc 機的出現(xiàn)，工程師和科學家找到一種通過性能價格比高的通用 pc 機控制臺式儀器的方法，各種基于pc 機接口的板卡產(chǎn)品便應運而生。 3.2 labview的應用 labview 在包括航天、通訊、生物醫(yī)學、電子、地球物理、機械等各 個領域內得到廣泛的應用，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工 業(yè)自動化，從大學實驗室到工廠，從探索研究到技術集成，都可以發(fā)現(xiàn)應用 labview 的成果和開發(fā)產(chǎn)

34、品。 3.2.1 labview應用于測試與測量 labview 已成為測試與測量領域的工業(yè)標準，通過gpib、vxi、plc 串行設備和插卡數(shù)據(jù)采集板可以構成實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它提供了工業(yè)界 最大的儀器驅動程序庫，同時還支持通過internet 、activex 、dde 和 sql 等交互式通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開發(fā)工具使復雜的 測試與測量任務變得簡單易行。 3.2.2 labview應用于過程控制和工業(yè)自動化 labview 強大的硬件驅動、圖形顯示能力和便捷的快速程序設計為過程 的控制和工業(yè)自動化應用提供了優(yōu)秀的解決方案。對于更為復雜、更專業(yè)的 工業(yè)自動化領域，在 lab

35、view 基礎上發(fā)展起來的 bridge view 是更好的選 擇。 3.2.3 labview應用于實驗室研究與自動化 labview 為科學家和工程師提供功能強大的高級數(shù)學分析庫，包括統(tǒng) 計、估計、回歸分析、線性代數(shù)、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科 第三章 編程軟件 labview 的簡介 - 8 - 學領域，可滿足各種計算機和分析需要。即使在聯(lián)合時域分析、小波和數(shù)字 濾波器設備等高級或特殊分析場合， labview 也為此提供專門的附加軟件 包。 3.3 labview的編程環(huán)境 labview 模板 與一般的程序相比， labview 提供了三個浮動的圖形化工 具模板，分 別是工

36、具模板、控制模板和功能模板。這三個模板 功能強大， 使用方便， 表示直觀，是用戶編程的主要工具。 （1）工具模板 工具模板包括操作工具，定位工具，標注工具，連線工 具，彈出菜 單工具，滾動工具斷點工具探針工具，顏色工具和 顏色拷貝工 具。通過這樣的工具，就用于vi 的創(chuàng)建、修改和 調試。 （2）控件模板 控件模板按功能分類，每個工具圖標雙包含一系列子模板。 控件模板 功能強大，通過這些子模板可以找到創(chuàng)建程序所需的 所有對象工 具。使用控制模板可以給前面板增加輸入控件 和輸出指示器。 子模板包括數(shù)值子模板、布爾子模板、字 符串子模板、列 表和環(huán)子模板、數(shù)組和簇子模板、路徑和 參考名子模板、 圖形

37、子模板、裝 飾子模板、用戶控制子 模板、控制子模板 和 axtivex 子模板。 （3）功能模板 使用功能模板可創(chuàng)建框圖程序模板上每一個頂層圖標 都表示一個子模 板。labview 框圖編程的所有函數(shù)按照功 能分類都分布在 功能模板的子模板里。每個子模板的內容 及操作是 labview 編程最基本、最重要的內容。功能模 板包括下列子模板： 結構子模板、數(shù)值運算子模板、布爾 邏輯子模板、字 符串子模板、數(shù)組子模板、簇子模板、比較子模板、時間 第三章 編程軟件 labview 的簡介 - 9 - 和對話框子模板、文件輸入 /輸出子模板、儀器輸入 /輸出子模板、 通信 子模板、數(shù)據(jù)采集子模板、分 析

38、功能子模板、示教課程子模板、高級 功 能子模板、選擇 vi 子程序子模板、用戶庫子模板、應用控制子模板和儀器 驅動子模板。通過這些功能子模板，可實現(xiàn)所有l(wèi)abview 的應用功能。 第四章 相位差測量方法原理簡介 - 10 - 第第四四章章 相相位位差差測測量量方方法法原原理理簡簡介介 4.1 相關法相位差測量相位差原理 1)根據(jù)互相關函數(shù)特性求出兩信號的初相位 兩信號的互相關函數(shù)不是偶函數(shù)，根據(jù)其定義可證明 ( )r xy ，此式說明，互相關函數(shù)與兩信號的相位差和延遲量 ( )()r xyr xy 有關，當時，就只與兩信號的相位差有關基于此可求 0 (0)r xy 出設。式中 a，b 分別是

39、被測信號 ( )sin; ( )sin()x tat y tbt 的幅值，就是兩信號之間的相位差根據(jù)相關函數(shù)的定義， ( )( )x ty t, 的估計值為： ( )r xy 1 ( )( ) () 0 1 sinsin() 0 0 1 ( )( ) () 0 1 sinsin() 0 1 2 (sincossincossin) 00 2 1 2 ( )sincoscos 02 t r xyx t y t t t atbtdt t t r xyx t y t t t atbtdt t tt abtdtabttdt t t ab r xyabtdt t 當時，有: 上式中第項的積分為零, 所以有

40、: ( ) ( ) arccos ab( ), (t) r xy ab r xy ab x ty 由此可求出兩信號的相位差為: 2 cos = 或 2 式中，可由自相關函數(shù)求出。 第四章 相位差測量方法原理簡介 - 11 - 2)由自相關函數(shù)求出的幅值 ( ), (t)x ty 根據(jù)戶相關函數(shù)的性質，當延遲量時，自相關函數(shù)取得最大值， =0 且唯一與信號的幅值有關。根據(jù)自相關函數(shù)的定義，函數(shù)的自相關函 ( )x t 數(shù)的估計值為： 222 2 1 ( )( ) () 0 1 ( )sin 00 2 2(0) ( ) ab (0) arcc (0)(0) (0),(0),(0)( ), ( )0

41、, t r xx t x tdt t tt xx t dtatdt t a ar x y t r xy os r xr y r xr yr xyx ty t 當=0時，有： 1 r (0)= t 所以得： 同理求出函數(shù)的幅值為： b= 2ry(0) 當求出，后即可求出相位差為： 式中分別是在時的估計值 其函 2 2 : 1 (0)( )(0) 0 1 (0)( )(0) 0 1 (0)( ) ( )(0) 0 t r xx t dt t t r yyt dt t t r xyx t y t dt t 數(shù)表達式可寫為 3）互相關函數(shù)的離散表達式 當用計算機進行處理時，必須對被測信號進行采樣，連續(xù)

42、信號 變?yōu)殡x散時間序列。連續(xù)信號變?yōu)殡x散時間序 ( )x t ( ),0,1,2,.,1x n nk ( )y t 列。計算相關函數(shù)的積分表達式變?yōu)榍蠛褪?，可表示為?( ),0,1,2,.,1y n nk 第四章 相位差測量方法原理簡介 - 12 - 1 2 0 1 2 0 1 0 1 (0)( ) 1 (0)( ) 1 (0)( ) ( ) k n k n k n r xxn n r yyn n r xyx n y n n k 式中為采樣點數(shù). 4.2 頻譜分析法測量相位差原理 該方法是通過對被檢測信號進行頻譜分析，獲得信號的相頻特性，然后 計算兩信號在主頻率處的差值即可測得兩個信號的相位

43、差。 在有限區(qū)間內，絕對可積的任一周期函數(shù)可以展開成傅里葉級 ( ,)t tt( )x t 數(shù)： 0 0 1 0 1 1 1 1 ( )(cossin) (cossin) sin() , 2 ( )cos 2 ( )sin ,: arctan nn n nn n nn n nn n n n x tan tbn t aan tbn t aan t a b ax tn tdt t bx tn tdt t n a b 其中為傅里葉系數(shù) 為次諧波的初相位其中基波的初相位為 以上計算的意義在于：一個周期信號可以用一個直流分量和一系列諧波 的線性疊加來表示，只要求處傅里葉系數(shù)和即可求出任一諧波的初相 n

44、a n b 位，而在相位差測量中只要求出基波的初相位即可。 n 1 在以計算機為核心的虛擬測試儀中，模擬信號在進入計算機前先 ( )x t 第四章 相位差測量方法原理簡介 - 13 - 經(jīng)采樣器將連續(xù)信號變?yōu)殡x散時間信號，而后再經(jīng)過a/d 轉換器變?yōu)殡x散 信號。設在周期函數(shù)的一個周期內 有 n 個采樣點，且每兩個采樣點間 的 時間相同，則有： 1 0 1 1 0 1 1 1 22 ( )cos 22 ( ) n k n k k x k nn k bx k sin nn a arctan b 1 a 對于兩個周期信號函數(shù)和，他們的基波傅里葉系數(shù)分別為： 1( ) x t 2( ) x t 1 1

45、 0 1 111 0 11 11 11 1 212 0 1 212 0 21 21 21 22 ( )cos 22 ( ) 22 ( )cos 22 ( ) n k n k n k n k k x k nn k bx k sin nn a arctan b k x k nn k bx k sin nn a arctan b 11 a a 則的基波分量與的基波分量的相位差為： 1( ) x t 2( ) x t 1121 1121 1121 aa =-= arctan-arctan bb 4.3 零點檢測法測量相位差原理 過零檢測法的基本原理可以有式（ 1）來表示，其中 t 為被測信號的 周期，

46、為被測信號過零點的時間差，相應的相位差為： ta a 第四章 相位差測量方法原理簡介 - 14 - （1） t =360 t a a 這種相位差測量的方法多基于傳統(tǒng)的硬件電路實現(xiàn)。在虛擬儀器系統(tǒng)中， 相位差測量的信號是 a/d 采樣后的離散信號，不能用（ 1）式計算，通常 是采用對 a/d 采樣后的信號進行數(shù)字處理后計算得到（ 2），（3）。設 為被測信號的頻率，為 a/d 的采樣頻率，則一個周期內的采樣點數(shù)f s f ，而相鄰兩個采樣點之間的相位差： s f n = f （2） 360 360 s f tf a 假設用兩個數(shù)組來保存兩列信號的信息，信號u1 的首次過零點對應 數(shù)組的第 i 個

47、元素，數(shù)組 u2 的首次過零點對應數(shù)組的第j 個元素，這樣 式（1）中的就對應為數(shù)組元素的序號差。則式（ 1）就變?yōu)槭剑?3）所 ta 示： (3)()360() s f jiji f aa 第五章 相位差原理在 labview 中的應用 - 15 - 第第五五章章 相相位位差差測測量量方方法法在在 labview 中中的的應應用用 5.1 設計中常用控件功能簡介 5.1.1 數(shù)據(jù)類型 labview 的數(shù)據(jù)類型與傳統(tǒng)編程語言中的數(shù)據(jù)類型基本 相似，除了一 般的數(shù)據(jù)類型之外，還有一些獨特的數(shù)據(jù)類 型。labview 中的數(shù)據(jù)類型包 括數(shù)字型(numeric)、布爾 型(即邏輯型， boolea

48、n)和字符串型 (string)；構造數(shù)據(jù) 類型包括數(shù)組和 簇；其他數(shù)據(jù)類型包括枚舉（ refnum）、 空類型等等。 數(shù)字類型的前面板對象包含在控制模板numeric 子模 板中，傳統(tǒng)的數(shù) 據(jù)類型分為變量和常量兩種，在某種意義 上，labview 的數(shù)據(jù)也可以這么 分，numeric 子模板中的 前面板對象就相 當于傳統(tǒng)編程語言中的數(shù)字變量， 。labview 的子模板包 括多種不同形式的控制和指示，它 們的外觀各不相 同，人數(shù)字量、滾動條、水箱、溫度計、 旋鈕、表頭、刻 度盤以及顏色框 等，但本質是完全相同的， 都是數(shù)字型， 只是外觀不同而已。 在 labview 中布爾型數(shù)據(jù)即邏輯型數(shù)據(jù)

49、，它的值為真 (true)或假 (false)，或者為 1 或 0。布爾型前面板對象包含在控制模板boolean 子 模板中。模板中有不同有布爾前面板對象，如不同形狀的按鈕、指示燈和開 關等，這都是從實際儀器的開關、按鈕演化來的，十分形象。采用布爾按鈕 可以設計出逼真的虛擬儀器前面板。與數(shù)字類型相似，這些不同的布爾控制 也是外觀不同，內涵相同，都是布爾型，只有0 和 1 兩個值。 5.1.2 結構 for 循環(huán)是 labview 最基本的結構之一，它執(zhí)行指定次數(shù)的循環(huán)，相 當于語言中的 for 循環(huán)： 第五章 相位差原理在 labview 中的應用 - 16 - for (i=0; in; i

50、 + ) labview 中的 for 循環(huán)可從框圖功能模板 function structure 子模板中創(chuàng)建。大多數(shù)情況下，用戶使用for 循環(huán)處理數(shù) 組。這是因為 labview 已經(jīng)知道了元素的個數(shù)，而且自動變址功能會為用 戶自動處理迭代：用戶所要做的所有事情是將數(shù)組裝入循環(huán)，迭代次數(shù)會與 數(shù)組中的元素的個數(shù)相等。 移位寄存器（ register）和框架通道（ channel）兩個獨具特色的新 概念。移位寄存器的功能是將第 i-1, i-2, i-3次循環(huán)的計算結果保存 在 for 循環(huán)的緩沖區(qū)內，并在第 i 次循環(huán)時將這些數(shù)據(jù)從循環(huán)框架左側的 移位寄存器中送出，供循環(huán)框架內的節(jié)點使用

51、。在循環(huán)框架上的右鍵彈出菜 單中選擇 add shit register 創(chuàng)建?？蚣芡ǖ朗?for 循環(huán)與循環(huán)外部數(shù)據(jù) 交換的數(shù)據(jù)通道，其功能是在for 循環(huán)開始運行前，將循環(huán)外其他節(jié)點產(chǎn) 生的數(shù)據(jù)送至循環(huán)內，供循環(huán)框架內的節(jié)點使用。還可以在for 循環(huán)運 行結束時將循環(huán)框架內節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送至循環(huán)外，供循環(huán)外的節(jié)點使用。 用連線工具將數(shù)據(jù)連線從循環(huán)框架內直接拖至 循環(huán)框架外， labview 會自動生成一個框架 通道?？蚣芡ǖ烙袃擅嫒斗N 屬性：有索引 (enable indexing)和無索引 (disable indexing). for 循環(huán)執(zhí)行的是包含在循環(huán)框架內的程 序節(jié)點。其重復

52、端口相當于c 語言 for 中的 i，初始值為 0，每次循環(huán)遞 增步長為 1。而 且，重復端口的初始和步長在labview 中是 固定不變的，若要用到不同的 初始值或步長， 可對重復端口產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進 行一定的數(shù)據(jù)運 算，也可用到移位寄存器來實 現(xiàn)。 case 選擇結構，相當于 c 語言中的 switch 語句： 第五章 相位差原理在 labview 中的應用 - 17 - switch(表達式) case 常量表達式 1：語句 1； case 常量表達式 2：語句 2； case 常量表達式 n：語句 n； default ：語句 n+1； 在某種意義上還相當于 c 語言的 if 語句： if

53、(條件判斷表達式 ) else 語句選擇結構可從框圖程序中的功能模板 function structure 中創(chuàng)建。最基本的選擇結構是由選擇框架（case frame）、 選擇端口（ selection terminal）、框架標識符 (diagram identifier) 以及遞增 /遞減按鈕 (increment/decrement button)組成。 在選擇結構中，選擇端口相當于上述c 語言 switch 語句中的 “表達 式”，框圖表示符相當于 “表達式 n”。編程時，將外部控制條件連接至 選擇端口上，程序運行時，選擇端口會判斷送來的控制條件，引導選擇結構 執(zhí)行相應框架中的內容。為

54、與選擇框架外交換數(shù)據(jù)，選擇結構也有框架通道。 選擇結構的邊框通道與 for 循環(huán)相類似，但有其自身特點。當外部數(shù)據(jù)連 接到選擇框架上供其內部節(jié)點使用時，選擇結構的每一個子框架都能從該通 道中獲得輸入的外部數(shù)據(jù)；當選擇結構內部的數(shù)據(jù)需通過框架通道送至外部 時，必需在每一個子框架中都連接一個同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)到同一個框架通道 上。這主要是因為選擇結構執(zhí)行時是根據(jù)外部控制條件從其所有的子框架中 選擇其一執(zhí)行的，子框架選擇非此即彼，所以每一個子框架都必需連接一個 數(shù)據(jù)。對于一個框架通道，一個子框架中如果沒有連接數(shù)據(jù)，那么在根據(jù)控 制執(zhí)行到這個子框架時，框架通道便沒有向外輸出數(shù)據(jù)來源程序就會出錯。 第五章

55、 相位差原理在 labview 中的應用 - 18 - labview 選擇結構與其他語言的選擇結構相比，簡潔明了，結構簡單， 不但相當于 switch 語句，還可以實現(xiàn) ifelse 語句功能。 5.1.3 數(shù)學運算 labview 的數(shù)學運算功能主要由功能模板 numeric 子模板中的節(jié)點完成。 numeric 模板由基本的數(shù)學運算節(jié) 點，類型轉換節(jié)點、三角函數(shù)節(jié)點、 對數(shù)節(jié)點復數(shù)節(jié)點和附加常數(shù)節(jié)點 組成。 基本數(shù)學運算節(jié)點不僅實現(xiàn)加、 減、乘、除等基本運算，還可以實 現(xiàn)求整、開方、求冪、數(shù)組求和、 求積和復合運算等功能?；具\算 節(jié)點支持數(shù)值輸入。但與一般編程 語言提供的運算符相比，

56、labview 的數(shù)學運算節(jié)點功能更強，使用更靈活， 它不僅支持單一的數(shù)值量輸入， 還可以支持處理同類型的復合型數(shù)值量，比如由數(shù)值量構成的數(shù)組、簇和簇 數(shù)組等。數(shù)值類型包括浮點數(shù)、整數(shù)和復數(shù)。 模板中的 trigonometric 子模板可實現(xiàn)各種三 角函數(shù)運算，該模板中 的節(jié)點均心為弧度為單位。 節(jié)點的輸入可以是數(shù)字 標量、數(shù)字量的數(shù)組或 簇、 數(shù)字量的簇的數(shù)組。該 模板包括了大部份常用三角 函節(jié)點，如 sinx、cosx、tanx、arcsinx、arctanx 等。 基本運算模板還可以通過類型轉換節(jié)點在各種 不同的數(shù)據(jù)類型之間進 行轉換，通過對數(shù)節(jié)點和復 數(shù)節(jié)點進行對數(shù)與復數(shù) 的運算。

57、第五章 相位差原理在 labview 中的應用 - 19 - 5.1.4 比較運算 比較運算就是通常所說的關系運算，比較運算節(jié)點包含在 comparison 子模板中。中 labview 中可以進行以下幾種類型的比較：數(shù)字 值的比較、布爾值的比較字符串的比較以用簇的比較。比較節(jié)點在比較兩個 數(shù)字值時，會先將其轉換為同要類型的數(shù)字。兩個布爾值比較時，ture 比 false 值大。字符串的比較是按照字符在ascii 表中的等價數(shù)字進行比 較的。 創(chuàng)建一個數(shù)組，可從控制模板中的array & cluster 子模板中創(chuàng)建。 但這時只不過是一個數(shù)組框架，不包含任何內容， 再根據(jù)需要將相應數(shù)據(jù) 類型的

58、前面板對象放入數(shù) 組框架中，更得所需的數(shù) 組類型。 當有一串數(shù)據(jù)需要處理時，它 們很可能是一 個數(shù)組，大多數(shù)的數(shù) 組是一維數(shù)組，少數(shù)是二維數(shù)組， 極少數(shù)為三維數(shù)組。在 labview 上 可以創(chuàng)建數(shù)字類型、字符串類型、 布爾類型以及其他任何數(shù)據(jù)類型的 數(shù)組。數(shù)組常由 loop 循環(huán)來創(chuàng)建，其 中，其中 for 循環(huán)是最佳的，因為 在循環(huán)開 始時它已 經(jīng)分 配好了內存。數(shù)組是 labview 中常用的數(shù)據(jù)類型之一，與其 他編程語 言 相比，labview 中的數(shù)組更加靈活，獨具特色。數(shù)組由三部份組成：數(shù)據(jù) 類型、數(shù)據(jù)索引和數(shù)據(jù)。另外，數(shù)組在創(chuàng)建之初都是一維數(shù)組，如果要 用到二維以上的數(shù)組，用鼠標

59、在索引顯示的左下角向下拖動，或者在數(shù) 組的右鍵 彈出菜單中選擇 add dimension 即可添加數(shù)組維數(shù)。 對于一個數(shù)組進行操作，無非是求數(shù)組的長度、對數(shù)、對數(shù)據(jù)排序、取 出數(shù)組中的元素、替換數(shù)組中的元素或初始化數(shù)組等各種運算。傳統(tǒng)語言編 程主要依靠各種數(shù)組函數(shù)來實現(xiàn)這些運算，而在labview 中，這些函數(shù)是 以功能函數(shù)節(jié)點形式表現(xiàn)的。下面介紹一下常用的功能： (1). array size 第五章 相位差原理在 labview 中的應用 - 20 - 返回輸入數(shù)組的長度。其輸入為一個n 維數(shù)組，輸出為該數(shù)組各維包 含元素的個數(shù)。 (2)index array 返回輸入數(shù)組中由輸入索引指

60、定的元素。當輸入數(shù)組為一維數(shù)組時，節(jié) 點返回的是數(shù)組中與輸入索引對應的元素。當輸入數(shù)組是n 維數(shù)組時，索 引端口（ index terminals）的個數(shù)必需與數(shù)組的維數(shù)相對應 (3).reshape array 改變數(shù)組的維數(shù)。輸出數(shù)組的維數(shù)由節(jié)點圖標左側demission size 端口的個數(shù)決定。如把一個一維數(shù)組轉換成二維數(shù)組。 (4). initialize array 初始化數(shù)組。節(jié)點的輸入輸出端口與數(shù)組的定義有關。數(shù)組的維數(shù)由節(jié) 點左側 dimension size 端口的個數(shù)決定，數(shù)組中所有元素都相同，均等于 輸入的 element 值。 (5). build array 建立一