虛擬儀器虛擬電壓表課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、第一章 虛擬儀器課程設(shè)計(jì)的目的意義1.1 課程設(shè)計(jì)的目的及要求1.1.1 設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)的目的主要是讓學(xué)生在理解理論知識(shí)的基礎(chǔ)上掌握虛擬儀器技術(shù)的組件的性能、屬性、創(chuàng)建虛擬儀器的方法理論基礎(chǔ)和虛擬儀器的圖形編程方法,掌握虛擬儀器系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工具，綜合利用傳感器技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行虛擬儀器的綜合開(kāi)發(fā)，以及掌握虛擬儀器在測(cè)量?jī)x器、過(guò)程控制、信號(hào)分析、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用技能。1.1.2 設(shè)計(jì)要求本課程要求學(xué)生從理論上掌握虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成及基本設(shè)計(jì)思想,圖形語(yǔ)言有關(guān)知識(shí)，在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中能利用數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的硬件設(shè)施完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)。使學(xué)生掌握虛擬儀器系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法，提高計(jì)算機(jī)技術(shù)綜

2、合應(yīng)用的能力。軟件實(shí)驗(yàn)部分主要學(xué)習(xí)圖形化編程軟件labview的原理及編程方法，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求進(jìn)行操作，循序漸進(jìn)地掌握vi程序及子程序的創(chuàng)建和調(diào)用，編輯和調(diào)試，各種結(jié)構(gòu)、圖表、圖形和數(shù)組的使用，以及字符串和文件i/o的操作，熟悉labview的各種函數(shù)以及菜單，選項(xiàng)的作用和功能。硬件實(shí)驗(yàn)部分，主要了解pci-6024e多功能數(shù)據(jù)采集卡的使用方法和采集通道設(shè)置，并創(chuàng)建vi程序控制數(shù)據(jù)采集卡的i/o操作，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)，顯示測(cè)量數(shù)據(jù)及波形，并寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。1.2 課程在教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用虛擬測(cè)試技術(shù)與儀器課程設(shè)計(jì)是為測(cè)控專業(yè)虛擬測(cè)試技術(shù)與儀器課程而開(kāi)設(shè)的課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)

3、節(jié)，其目的在于培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用理論知識(shí)來(lái)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。 通過(guò)課程設(shè)計(jì)能進(jìn)一步鍛煉學(xué)生在虛擬測(cè)試技術(shù)與儀器應(yīng)用方面的實(shí)際工作能力。我們要著重學(xué)會(huì)面對(duì)一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，如何去自己收集資料，如何自己去學(xué)習(xí)新的知識(shí)，如何自己去制定解決問(wèn)題的方案并通過(guò)實(shí)踐不斷地去分析和解決前進(jìn)道路上的一切問(wèn)題。第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)2.1必選題設(shè)計(jì)任務(wù)電子秤是各行業(yè)對(duì)物料進(jìn)行計(jì)量或工礦企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)物料重量進(jìn)行各種控制的新一代重量計(jì)量器具。作為重量測(cè)量?jī)x器，智能電子秤在各行各業(yè)中開(kāi)始顯現(xiàn)其測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控的巨大優(yōu)點(diǎn)，使其已經(jīng)開(kāi)始逐漸取代傳統(tǒng)型的機(jī)械杠桿測(cè)量稱，成為測(cè)重領(lǐng)域的主流產(chǎn)

4、品。結(jié)合傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種基于labview的虛擬電子秤，采用普通pc機(jī)為主機(jī)，利用圖形化可視測(cè)試軟件labview 8.5為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成虛擬儀器電子秤的標(biāo)定程序、測(cè)量程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的低通濾波，應(yīng)用編寫(xiě)的電子秤vi進(jìn)行重量測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)并與實(shí)際值進(jìn)行比較，簡(jiǎn)要分析引起誤差的原因。2.2選作題設(shè)計(jì)任務(wù)電壓是電路中常用的電信號(hào)，通過(guò)電壓測(cè)量，利用基本公式可以導(dǎo)出其它的參數(shù)。因此，電壓測(cè)量是其他許多電參數(shù)和非電參數(shù)量測(cè)量的基礎(chǔ),測(cè)量電壓相當(dāng)普及的一種測(cè)量?jī)x表就是電壓表。結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于labview 8.5的虛擬數(shù)字電壓表，應(yīng)用

5、daq卡獲取電壓信號(hào)，或產(chǎn)生模擬信號(hào)，分別進(jìn)行交直流電壓測(cè)量，實(shí)現(xiàn)電壓數(shù)字顯示（直流檔顯示直流電壓，交流檔顯示有效值，平均值和峰值），通道配置與選擇，交、直流選擇，采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置。第三章 總體設(shè)計(jì)方案3.1虛擬電子秤總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)主要通過(guò)labview8.5編程來(lái)實(shí)現(xiàn)電子秤的功能，采用模塊化設(shè)計(jì)，將不同測(cè)量?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)成單獨(dú)的功能模塊，各子模塊分別完成一定的功能。系統(tǒng)主要由硬件和軟件模塊構(gòu)成，硬件模塊利用dvcc-tes壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和pci-6024e數(shù)據(jù)采集卡采集壓力信號(hào)并進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。軟件模塊細(xì)分為前面板設(shè)計(jì)和框圖程序設(shè)計(jì)，前面板主要由輸入控制器和輸出控制器組成，可通過(guò)控制模板和

6、工具模板構(gòu)建；框圖程序主要由數(shù)據(jù)采集處理模塊、標(biāo)定模塊、重量測(cè)量顯示模塊和價(jià)格計(jì)算顯示構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集處理模塊主要完成模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集測(cè)量并進(jìn)行濾波處理，標(biāo)定模塊主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，重量測(cè)量模塊主要完成測(cè)量結(jié)果的顯示?？傮w設(shè)計(jì)流程圖如圖3.1所示。開(kāi)始數(shù)據(jù)采集卡初始化讀取采樣數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理測(cè)量結(jié)果顯示結(jié)束零點(diǎn)標(biāo)定？斜率標(biāo)定？是是否否標(biāo)定零點(diǎn)標(biāo)定斜率圖3.1 虛擬電子秤總體設(shè)計(jì)流程圖3.2虛擬數(shù)字電壓表總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)虛擬數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)要求，可以知道其組成部分包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理顯示兩部分。數(shù)據(jù)采集部分采用ni公司pci-6024e卡獲取電壓信號(hào)或者產(chǎn)生模擬信號(hào)，

7、數(shù)據(jù)處理部分軟件基于虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)labview8.5進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要控制數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并顯示。總體設(shè)計(jì)流程圖如圖3.2所示。開(kāi)始設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡顯示交流電壓參數(shù)讀取采樣數(shù)據(jù)對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行處理結(jié)束直流否是對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行處理顯示直流電壓參數(shù)圖3.2 虛擬數(shù)字電壓表總體設(shè)計(jì)流程圖第四章 硬件設(shè)計(jì)4.1 pci-6024e卡及安裝pci-6024e卡將作為本次課程設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡，vi程序通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的輸入輸出功能。pci-6024e卡是基于32位pci總線的高性能、多功能的數(shù)據(jù)采集卡。它有16個(gè)單端輸入或8個(gè)差分模擬輸入，2路獨(dú)立的da輸出通道，24條與

8、ttl兼容的數(shù)字i/o，3個(gè)用于i/o定時(shí)的16 位計(jì)數(shù)/定時(shí)器。將pci6024e 數(shù)據(jù)采集卡插到計(jì)算機(jī)主板上的一個(gè)空閑pci插槽中，接好各種附件，包括一條50芯的數(shù)據(jù)線和一個(gè)轉(zhuǎn)接板。4.2 pci6024e卡i/o配置pci6024e卡同ni公司的絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡一樣是即插即用型的設(shè)備，硬件正確安裝后，如果機(jī)器安裝了labview和nidaq，就會(huì)出現(xiàn)在measurement & automation explorer的configurationmysystem devices and interfaces列表中。在設(shè)備名pci-6024e上單擊右鍵，選擇properties，就會(huì)出現(xiàn)采

9、集卡的配置對(duì)話框配置包括system,ai,ao,accessory,opc和remote access五個(gè)部分的設(shè)置。4.3 pci6024e卡通道配置在使用daq設(shè)備的模擬i/o或數(shù)字i/o功能時(shí)，必須首先配置設(shè)備的通道。在measurement & automation explorer中配置通道步驟如下： 右鍵單擊data neighbourhood圖標(biāo)，選擇彈出菜單中的insert，系統(tǒng)會(huì)彈出insert new對(duì)話框。單擊finish； 在彈出的create new channel對(duì)話框中將通道類型設(shè)置為analog input，單擊下一步； 在enter channel name

10、 and description對(duì)話框中，將通道名稱設(shè)置為scropa，并填上適當(dāng)?shù)耐ǖ烂枋觯瑔螕粝乱徊剑?在channel wizard對(duì)話框中，選擇傳感器或測(cè)量信號(hào)類型，單擊 下一步； 設(shè)置單位為volts，量程為5v5v，單擊下一步； 設(shè)置縮放比例因子為noscaling，單擊下一步； 指定daq硬件為dev1:pci-6024e，通道編號(hào)為0；模擬輸入方式為differential,單擊完成。 4.4 數(shù)據(jù)采集操作labview涉及到的操作類型有模擬輸入，模擬輸出，計(jì)數(shù)操作和數(shù)字i/o等，相應(yīng)的操作函數(shù)在功能模板中的data acquisition子模板。本次實(shí)驗(yàn)中，我們應(yīng)用了以下da

11、q assitant對(duì)pci-6024e卡進(jìn)行操作。雙擊daq assitant，對(duì)daq assitant進(jìn)行初始化操作，設(shè)置合適的采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率，單擊ok完成。dvc-tes3壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用czl-1r型橋路(應(yīng)變片)壓力傳感器(量程500克)實(shí)現(xiàn)r-v物理量變換,將壓力傳感器輸出的小信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和低通濾波后,送至a/d轉(zhuǎn)換器。具體工作原理是當(dāng)橋路中的某臂電阻發(fā)生變化時(shí)，橋路就不平衡，橋路輸出的變化量就反映了壓力的變化量。該變化量通過(guò)二級(jí)放大，將微弱信號(hào)放大送到pci-6024e數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)pci-6024e卡送到pc機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集操作。4.5 虛擬電子秤接線說(shuō)明 dvc-te

12、s3壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的壓力信號(hào)輸出口in0與pci-6024e數(shù)據(jù)采集卡的相應(yīng)的通道通過(guò)數(shù)據(jù)線相連，注意：dvc-tes3壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的接地端與pci-6024e數(shù)據(jù)采集卡的接地端要相連。4.6 虛擬數(shù)字電壓表接線說(shuō)明通過(guò)pci-6024e數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡上的模擬信號(hào)輸出口通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集卡上的相應(yīng)的通道相連（如果通過(guò)波形生成選板里的波形產(chǎn)生函數(shù)產(chǎn)生模擬信號(hào)的，則硬件部分不用接線）。第五章 軟件設(shè)計(jì)5.1 虛擬電子秤軟件設(shè)計(jì)5.1.1 虛擬電子秤框圖程序設(shè)計(jì)虛擬電子秤軟件設(shè)計(jì)框圖程序具體如圖5.1所示。圖5.1虛擬電子秤框圖程序5.1.2 虛擬電子秤框圖程序說(shuō)明虛擬電子秤框圖

13、程序大體分為四個(gè)部分:數(shù)據(jù)采集處理模塊、標(biāo)定模塊、重量測(cè)量顯示模塊和價(jià)格計(jì)算顯示模塊。下面就四個(gè)子模塊對(duì)該框圖程序進(jìn)行介紹。1. 數(shù)據(jù)采集處理模塊數(shù)據(jù)采集處理模塊主要完成模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集測(cè)量并進(jìn)行濾波處理。借助daq assitant 完成數(shù)據(jù)的采集，采用切比雪夫?yàn)V波器和平均值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，具體見(jiàn)圖5.2。圖5.2數(shù)據(jù)采集處理模塊2. 標(biāo)定模塊標(biāo)定模塊主要是對(duì)電子秤進(jìn)行標(biāo)定，找出重量與電壓的關(guān)系。具體原理是電子稱托盤(pán)空載時(shí)輸出電壓v0設(shè)置為重量w0：0克，托盤(pán)上放置重量w1：200克的砝碼，記下這時(shí)的輸出電壓v1。那么1伏輸出電壓對(duì)應(yīng)的重量為：detaw=(w1-

14、w0)/(v1-v0)標(biāo)定模塊如圖5.3所示。圖5.3 標(biāo)定模塊3.重量測(cè)量顯示模塊標(biāo)定后的電子秤基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為了減少設(shè)計(jì)的電子秤測(cè)量誤差，使其測(cè)量更精準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)采集處理之后進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償和校正，然后輸出值乘以標(biāo)定值的局部變量，結(jié)果顯示的是當(dāng)前砝碼的重量。重量測(cè)量顯示模塊如圖5.4所示。圖5.4 重量測(cè)量顯示模塊4.價(jià)格計(jì)算與顯示模塊取重量的局部變量，乘以單價(jià)輸入值，顯示結(jié)果。價(jià)格計(jì)算與顯示模塊如圖5.5所示。圖5.5 價(jià)格計(jì)算與顯示模塊5.2 虛擬數(shù)字電壓表軟件設(shè)計(jì)5.2.1 虛擬數(shù)字電壓表框圖程序設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字電壓表工作狀態(tài)由電源開(kāi)關(guān)決定，框圖程序設(shè)計(jì)如圖5.6所示。圖5.6 虛擬數(shù)字

15、電壓表框圖程序5.2.2 虛擬數(shù)字電壓表框圖程序說(shuō)明虛擬數(shù)字電壓表框圖程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為數(shù)據(jù)采集模塊（或軟件生成模擬信號(hào)模塊）和數(shù)據(jù)處理模塊，其中數(shù)據(jù)處理顯示模塊里細(xì)分為交直流數(shù)據(jù)處理顯示兩個(gè)子模塊。下面對(duì)虛擬數(shù)字電壓表框圖程序進(jìn)行說(shuō)明。1. 數(shù)據(jù)采集模塊（或軟件生成模擬信號(hào)模塊）通過(guò)pci-6024e數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生模擬信號(hào)并通過(guò)通道0采集，daq assitant輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)butterworth濾波器進(jìn)行濾波處理。數(shù)據(jù)采集模塊如圖5.7所示。圖5.7 數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)波形生成選板里波形基本函數(shù)發(fā)生器直接產(chǎn)生模擬信號(hào)，信號(hào)輸出通過(guò)butterworth濾波器進(jìn)行濾波處理。軟件

16、產(chǎn)生模擬信號(hào)模塊如圖5.8所示。圖5.8 軟件產(chǎn)生模擬信號(hào)模塊2. 數(shù)據(jù)處理顯示模塊交流電壓處理顯示模塊應(yīng)用了波形測(cè)量選板里的幅值和電平測(cè)量函數(shù)，選取此函數(shù)，雙擊后在配置幅值和電平窗口選擇均方根（有效值）、最大峰、最小峰和周期平均（平均值），點(diǎn)擊確定即可。交流電壓處理顯示模塊如圖5.10所示圖5.10 交流電壓處理顯示模塊直流電壓處理顯示模塊應(yīng)用了幅值和電平測(cè)量函數(shù)，在配置幅值和電平測(cè)量窗口選取直流，點(diǎn)擊確定即可，直流電壓處理顯示模塊如圖5.11所示。圖5.11 直流電壓處理顯示模塊第六章 系統(tǒng)調(diào)試及使用操作說(shuō)明6.1 虛擬電子秤系統(tǒng)調(diào)試及使用操作說(shuō)明6.1.1 系統(tǒng)調(diào)試按正確連線操作把dvc

17、c-tes3壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、pci-6024e數(shù)據(jù)采集卡和pc機(jī)連成一個(gè)系統(tǒng)。空載時(shí)，按零點(diǎn)標(biāo)定，放200g砝碼，按第二次標(biāo)定，標(biāo)定完成進(jìn)入稱重狀態(tài)。系統(tǒng)調(diào)試中碰到下面兩個(gè)問(wèn)題：1）重量顯示屏幕數(shù)字顯示不穩(wěn)定；2)測(cè)量結(jié)果誤差較大。經(jīng)過(guò)老師的指導(dǎo)和與同學(xué)探討，找到了解決問(wèn)題的方法，重新設(shè)置daq assitant的采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率，修改顯示格式，重量顯示保留兩位小數(shù)，單價(jià)輸入和總價(jià)顯示保留一位小數(shù)。6.1.2 系統(tǒng)使用操作說(shuō)明虛擬電子秤前面板如圖6.1所示。圖6.1 虛擬電子秤前面板運(yùn)行程序，進(jìn)入標(biāo)定界面?？蛰d時(shí)，按零點(diǎn)標(biāo)定按鈕；放200g砝碼后，按第二次標(biāo)定，完成電子秤標(biāo)定，進(jìn)入稱重界面，放

18、上砝碼，輸入單價(jià)，即時(shí)顯示重量和總價(jià)。6.2 虛擬數(shù)字電壓表系統(tǒng)調(diào)試及使用操作說(shuō)明虛擬數(shù)字電壓表前面板如圖6.2所示。圖6.2 虛擬數(shù)字電壓表前面板運(yùn)行程序，按下開(kāi)關(guān)按鈕，將交直流開(kāi)關(guān)打到交流檔，測(cè)量交流電壓，并在交流顯示欄顯示電壓有效值、平均值、最大峰值和最小峰值，如圖6.3所示。圖6.3 交流電壓測(cè)量運(yùn)行程序，按下開(kāi)關(guān)按鈕，將交直流選擇開(kāi)關(guān)打到直流檔，測(cè)量直流電壓并在直流顯示欄顯示直流電壓，運(yùn)行結(jié)果如圖6.4所示。圖6.4 直流電壓測(cè)量第七章 收獲、體會(huì)本學(xué)期我們專業(yè)開(kāi)設(shè)了虛擬儀器課，這門(mén)課主要學(xué)習(xí)圖形化編程軟件labview的原理及編程方法，理論知識(shí)比較強(qiáng)。學(xué)習(xí)任何知識(shí)，僅從理論上去求知，而沒(méi)有實(shí)踐，探索是不行的，所以在學(xué)期末給我們安排一次虛擬儀器的課程設(shè)計(jì)是很及時(shí)的也很有必要的，這樣不僅能加深我們平時(shí)所學(xué)的知識(shí)，而且還及時(shí)真正的做到學(xué)以致用。本次課程設(shè)計(jì)中，我的設(shè)計(jì)內(nèi)容是虛擬電子秤和虛擬數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)。這兩個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目注重軟硬件結(jié)合，虛擬電子秤的硬件部分應(yīng)用pci-6024e數(shù)據(jù)采集卡和dvcc-tes3壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，虛擬數(shù)字電壓表硬件部分應(yīng)用pci-6024e數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生模擬信號(hào)并通過(guò)采集通道采集數(shù)據(jù)信號(hào)，軟件部分主要學(xué)習(xí)圖形化編程軟件labview的原理及編程方法，并應(yīng)用labview的各種函數(shù)以及菜單，選項(xiàng)的作用和功能，創(chuàng)