虛擬儀器數(shù)字時鐘

1、摘 要 本文從虛擬儀器的起源、發(fā)展入手，簡單介紹虛擬儀器的功能，比較虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的不同之后，全面的介紹了虛擬儀器設(shè)計技術(shù),并用軟件仿真的方法設(shè)計了一臺虛擬儀器，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析的全過程。虛擬儀器的設(shè)計分成兩個方面。硬件方面，本文從最基本的傳感器、信號調(diào)理開始介紹數(shù)據(jù)采集過程以及DAQ板卡。除此之外，本文還介紹了虛擬儀器總線技術(shù)，重點(diǎn)為專用于虛擬儀器的VXI總線系統(tǒng)以及PXI總線系統(tǒng) 。軟件方面，主要利用現(xiàn)今最有代表性的圖形化編輯軟件LabVIEW，并用之模擬從DAQ板卡中采集到一路帶有均勻白噪聲的正弦信號，顯示其波形，并分析、顯示其幅頻特性曲線以及相頻特性曲線。另外本文還根據(jù)L

2、abVIEW中的子程序，實現(xiàn)了語音信號的錄音與播放。由于LabVIEW軼件的優(yōu)越性，用它來制作和仿真數(shù)碼管電子鐘是很方便的，是其它軼件不可比擬的。這次制作數(shù)碼管電子鐘，所用的控件不多，主要用到了指示燈、獲取日期/時間（秒）、格式化日期/時間字符串、截取字符串、While循環(huán)、條件結(jié)（Case結(jié)構(gòu)）、常量、局部變量、真常量、假常量等等，通過連接就基本制作好一個數(shù)碼管電子鐘了。在仿真時，通過和計算機(jī)時間的對比，完全符合要求，仿真性能很好，達(dá)到了這次研究和制作數(shù)碼管電子鐘的目的。 本文還從市場出發(fā)對虛擬儀器的配置投資做了具體闡述，指明了構(gòu)造虛擬儀器平臺所需要的投資，為今后的學(xué)習(xí)工作打下了基礎(chǔ)。并對國

3、內(nèi)外虛擬儀器的部分應(yīng)用案例作了介紹，指出虛擬儀器是儀器歷史的一次革命。關(guān)鍵詞：數(shù)碼管電子鐘，控件，前面板，程序框圖，獲取日期/時間（秒），格式化日期/時間字符串，截取字符串，While循環(huán)，條件結(jié)（Case結(jié)構(gòu)） 目錄第一章 虛擬儀器概述11.1 Labview簡介21.2虛擬儀器的應(yīng)用3第二章 設(shè)計思路42.1 時鐘顯示的結(jié)構(gòu)42.2設(shè)計總思路4第三章 軟件設(shè)計53.1格式化日期/時間字符串53.2 截取字符串63.3 十進(jìn)制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換63.4 提取數(shù)字的各位73.5 條件結(jié)構(gòu)73.6獲取時間的各整型數(shù)據(jù)83.7 解除捆綁83.8 時間閃爍信號93.9 結(jié)構(gòu)循環(huán)9第四章 總程序圖10

4、4.1程序框圖104.2前面板11第五章 運(yùn)行結(jié)果12第六章 心得體會13參考文獻(xiàn)14第一章 虛擬儀器概述虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求。這也正是NI近30年來始終引領(lǐng)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(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢。LabVIEW（Laboratory Vir

5、tual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器集成環(huán)境）是一種圖形化的編程語言（又稱G語言），它是由美國NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。使用這種語言編程時，基本上不用寫程序代碼，取而代之的是程序框圖。LabVIEW的特點(diǎn)如下：編程簡單開發(fā)周期短高效性開放性自定義性性價比高，能一機(jī)多用1.1 Labview簡介LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering wokbench實驗室虛擬儀器工程平臺)的概念,是直觀的前面板與流程圖式的編程方法

6、的結(jié)合,是構(gòu)建虛擬儀器的理想工具。LabVIEW和儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示部分一起協(xié)調(diào)工作, 是簡化了而又更易于使用的基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境。前面板是一個傳統(tǒng)的儀器概念,而軟件前面板其實是自動化的拓展,因為它們保持了傳統(tǒng)直觀的視覺和感覺效果。同時,軟件前面板創(chuàng)建了一個真正的接口,無論用戶使用什么類型的硬件,并且,不像硬件前面板,軟件前面板只包含了對于一個應(yīng)用場合很重要的參數(shù),用戶能夠很容易地從一個單一前面板控制多臺,并把整個系統(tǒng)作為一臺虛擬儀器來看待。流程圖式的程序設(shè)計與科技工程人員較為熟悉的數(shù)據(jù)流和方塊圖的概念是一致的,而且由于流程圖與傳統(tǒng)程序設(shè)計語言的語法細(xì)節(jié)無關(guān),構(gòu)建和測試

7、程序就可以少費(fèi)時間。使用流程圖方法可以實現(xiàn)內(nèi)部的自我復(fù)制,采用前面板、流程圖、圖標(biāo)等,用戶就對整個系統(tǒng)實現(xiàn)圖形化描述,同時,用戶還能夠重用虛擬儀器,可以隨時改變虛擬儀器來滿足自己的需要。LabVIEW集成了很多儀器硬件庫,如GPIB/VXI/PXI/基于計算機(jī)的儀器、RS232/485協(xié)議、插入式數(shù)據(jù)采集、模擬/數(shù)字/計數(shù)器/、信號調(diào)理、分布式數(shù)據(jù)采集、圖像獲取和機(jī)器視覺、運(yùn)動控制、PLC/數(shù)據(jù)日志等。與傳統(tǒng)的編程方式相比,使用LabVIEW設(shè)計虛擬儀器,可以提高效率410倍。同時,利用其模塊化和遞歸方式,用戶可以在很短的時間內(nèi)構(gòu)建、設(shè)計和更改自己的虛擬儀器系統(tǒng)。1.2虛擬儀器的應(yīng)用 虛擬儀器

8、技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展,而今正沿著總線與驅(qū)動程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺的圖形化和硬件模塊的即插即用方向進(jìn)步。以開放式模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)正日趨完善,建立在虛擬儀器技術(shù)上的各種先進(jìn)儀器將會層出不窮。虛擬儀器技術(shù)在發(fā)達(dá)國家的推廣應(yīng)用十分普及,在電子測量領(lǐng)域、過程控制領(lǐng)域,以及與人們的生活息息相關(guān)的許多其他領(lǐng)域。在國內(nèi),近年來也開始有了利用虛擬儀器實現(xiàn)檢測、控制等功能的例子。 第2章 設(shè)計思路2.1 時鐘顯示的結(jié)構(gòu)本課題要求設(shè)計一個數(shù)字時鐘顯示時、分、秒，并用數(shù)碼管顯示時、分、秒，通過獲取電腦的系統(tǒng)時間，并分離出給數(shù)字，在通過布爾顯示顯示。數(shù)字的顯示主要是7個長條的布爾顯示組成

9、，原理與7段數(shù)碼管相似。7段數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字主要通過其7個布爾不同的真假值控制，將0-9對應(yīng)的7段布爾顯示值依次存入一個布爾數(shù)組里，只需提取此數(shù)組的不同段即可讓其顯示不同的值。2.2設(shè)計總思路獲取時間的控件可以獲取的信息有：時、分、秒、秒小數(shù)等，取得的值為整型數(shù)據(jù)，利用除數(shù)取余即可分離個十位。在制作數(shù)碼管電子鐘的過程中，我們用到一個顯示控件，四十二個長方形LED組成的數(shù)碼管，四個圓形LED組成的兩個“冒號”，和一個圓形的按鈕，其中LED和按鈕都是布爾控件，這些控件都是放大前面板的。第3章 軟件設(shè)計3.1格式化日期/時間字符串 ab圖3.1格式化日期/時間字符串：使用時間格式代碼指定格式，按

10、照該格式將時間標(biāo)識的值或數(shù)值顯示為時間。時間格式代碼包括：%a（星期名縮寫），%b（月份名縮寫），%c（地區(qū)日期/時間），%d （日期），%H（時，24小時制），%I（時，12小時制），%m（月份），%M （分鐘），%p（am/pm標(biāo)識），%S（秒），%x（地區(qū)日期），%X（地區(qū)時間），%y（兩位數(shù)年份），%Y（四位數(shù)年份），%<digit>u（小數(shù)秒，<digit>位精度）。使用時間格式代碼指定格式，按照該格式將時間標(biāo)識的值或數(shù)值顯示為時間。如圖3.1a是鐘表時間格式代碼，圖3.1b是數(shù)碼管顯示的時間格式代碼3.2 截取字符串 圖3.2截取字符串：返回輸入字符串的子字

11、符串，從偏移量位置開始，包含長度個字符。連線板顯示了該多態(tài)函數(shù)的默認(rèn)數(shù)據(jù)類型。字符串是輸入字符串。偏移量是起始位置并且必須為數(shù)值。 字符串中第一個字符的偏移量為0。如沒有連線或小于0，則默認(rèn)值為0。長度必須為數(shù)值。如長度沒有連線，則默認(rèn)值為字符串長度減去偏移量。子字符串如偏移量大于字符串的長度，或長度小于等于0，則值為空。如長度大于或等于字符串長度減去偏移量，則子字符串是從偏移量開始的剩余部分。如圖3.2：從偏移量3開始，包括1個長度字符。3.3 十進(jìn)制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換圖3.3因為前面使用的獲取系統(tǒng)時間，返回的是字符串格式，但是在后面的布爾型指示燈值接受數(shù)值型，使用此器件，進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換。如圖

12、3.33.4 提取數(shù)字的各位 圖3.4通過除60取余便可得到個位，商為十位,。如圖3.43.5 條件結(jié)構(gòu)圖3.5 使用條件結(jié)構(gòu)，控制某一數(shù)位上數(shù)字09的顯示情況。如圖3.5包括一個或多個子程序框圖，或分支，當(dāng)結(jié)構(gòu)執(zhí)行時，僅有一個子程序框圖或分支在執(zhí)行。連接至選擇器接線端的值可以是布爾、字符串、整數(shù)，或枚舉類型，它決定了執(zhí)行哪個分支。右鍵單擊結(jié)構(gòu)邊框，可添加或刪除分支。Us可使用標(biāo)簽工具來輸入條件選擇器標(biāo)簽的值，并配置每個分支處理的值。單擊選擇器標(biāo)簽中的遞減和遞增箭頭可滾動瀏覽已有的條件分支。創(chuàng)建條件結(jié)構(gòu)后，可添加、復(fù)制、重排或刪除子程序框圖。對于每個分支，使用標(biāo)簽工具在調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)上方的條件選擇器

13、標(biāo)簽中輸入一個值、值列表或值范圍。可為條件結(jié)構(gòu)創(chuàng)建多個輸入輸出隧道并指定一個默認(rèn)條件分支。3.6獲取時間的各整型數(shù)據(jù)圖3.6為了使時間上4個點(diǎn)閃爍，需要與系統(tǒng)時間秒相同步，依然考慮從系統(tǒng)提供的時間作為改變信號。此器件獲取時間秒以后，轉(zhuǎn)換為時間。如圖3.63.7 解除捆綁圖3.7需要獲取時間秒數(shù)后的1位小數(shù)，使用此解綁。如圖3.7因為前面使用的獲取系統(tǒng)時間，返回的是字符串格式，但是在后面的布爾型指示燈值接受數(shù)值型，使用此器件，進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換。3.8 時間閃爍信號圖3.8獲取時間秒后一位小數(shù)，與0.5進(jìn)行大小判斷，輸出0或者1。即讓4個布爾指示燈，0.5秒進(jìn)行閃爍。如圖3.83.9 結(jié)構(gòu)循環(huán)重復(fù)執(zhí)行

14、內(nèi)部的子程序框圖，直到條件接線端（輸入端）接收到特定的布爾值。將布爾值連接至While循環(huán)的條件接線端。右鍵單擊條件接線端，從快捷菜單中選擇真(T)時停止或真(T)時繼續(xù)。也可將一個錯誤簇連線至條件接線端，右鍵單擊條件接線端，從快捷菜單中選擇真(T)時停止或真(T)時繼續(xù)。While循環(huán)永遠(yuǎn)至少執(zhí)行一次。計數(shù)接線端(i)提供了當(dāng)前的循環(huán)總數(shù)，首次循環(huán)的該值為零。如循環(huán)計數(shù)超過2147483647或231，計數(shù)接線端將保持值為2147483647，不會改變。如需保存大于2147483647的循環(huán)次數(shù)，可使用表示更大范圍整數(shù)的移位寄存器。如選擇“執(zhí)行過程控制”Express VI和結(jié)構(gòu)選板上的Wh

15、ile循環(huán)并將其放置在程序框圖上，則程序框圖上還將出現(xiàn)一個已與條件接線端相連的停止按鈕。如選擇的是結(jié)構(gòu)選板上的While循環(huán)并將其放置在程序框圖上，則不會出現(xiàn)停止按鈕。創(chuàng)建While循環(huán)后，可使用移位寄存器將值從上一個循環(huán)傳遞到下一個循環(huán)。如果將一個數(shù)組連接到While循環(huán)，則啟用自動索引可讀取和處理數(shù)組中的各個元素。第4章 總程序圖4.1程序框圖圖4.14.2前面板圖4.2第5章 運(yùn)行結(jié)果第六章 心得體會程序要實現(xiàn)豐富的內(nèi)容及完美的界面主要還是要靠扎實的基礎(chǔ)，掌握各控件的使用及各類型的模塊間的轉(zhuǎn)換。在完成過程中，因為數(shù)據(jù)類型問題導(dǎo)致器件之間連線無法匹配。還有對每一位顯示數(shù)字的條件結(jié)構(gòu)使用錯誤，也在一開始造成無法運(yùn)行的結(jié)果。另外，在使用時間閃爍點(diǎn)的時候，一開始使用延時切換，但是和時間秒不同步，所以重新使用了系統(tǒng)時間作為閃爍信號改變信號。參考文獻(xiàn)1. 陳錫輝，張銀鴻。LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通。清華大學(xué)出