虛擬儀器課設(shè)報告

1、北京工業(yè)大學(xué)虛擬儀器課程設(shè)計報告書學(xué)院：機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院專業(yè):測控技術(shù)與儀器學(xué)號：13013111姓名：唐翊桐指導(dǎo)教師:宋國榮課設(shè)日期：2015年12月21日-2016年1月4日目錄 TOC o 1-5 h z 緒論2 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 第一章圖形化軟件Labview簡介3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1.1、Labview 簡介3 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 1.2、Labview 的優(yōu)點(diǎn)4 HYPERLI

2、NK l bookmark45 o Current Document 第二章函數(shù)發(fā)生器5 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 2.1、函數(shù)發(fā)生器介紹52.2、函數(shù)發(fā)生器設(shè)計62.2.1、界面顯示及介紹.62.2.2、程序設(shè)計內(nèi)容.72.2.3、函數(shù)發(fā)生器使用展示.9 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 第三章交通燈12 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 交通燈介紹123.2、溫度監(jiān)測儀設(shè)計12界面顯示及介紹123.2.2、程序設(shè)計及內(nèi)容133.2.3

3、、信號等使用展示14 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 第四章相位差計16 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 4.1、相位差計介紹164.2、相位差計設(shè)計及內(nèi)容16界面展示及介紹164.2.2、程序設(shè)計及內(nèi)容174.2.3、相位差計使用展示19 HYPERLINK l bookmark111 o Current Document 第五章不確定度計算軟件21 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 5.1、研究背景21 HYPERLINK l book

4、mark118 o Current Document 5.2、不確定度的概念215.3圓柱體測量不確定度的原理225.3.1、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度22 HYPERLINK l bookmark127 o Current Document 5.3.2、自由度22 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 展伸不確定度235.4軟件設(shè)計內(nèi)容及演示235.4.1、軟件內(nèi)容23數(shù)據(jù)輸入模塊24不確定度計算模塊275.4.4、輸出保存模塊28心得體會29參考文獻(xiàn)30緒論隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在當(dāng)前工業(yè)設(shè)計中，虛擬儀器的作用也越來越顯 著，它廣泛的應(yīng)用于航空、航天

5、、教學(xué)、核工業(yè)、軍工、通信測試、鐵道等領(lǐng)域， 成為工業(yè)設(shè)計中必不可少的工具。Labview是一款服務(wù)于虛擬儀器的一種圖形化 軟件平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬儀器的開發(fā)和維修，是一種廣泛應(yīng)用的軟件，此次課程 設(shè)計便是通過Labview來進(jìn)行虛擬儀器的設(shè)計，從而更好地掌握圖形化語言的使 用。關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計、虛擬儀器、圖形化語言、Labview、課程設(shè)計第一章圖形化軟件Labview簡介1.1、Labview 簡介LabVIEW與C和BASIC 一樣，也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的 龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù) 據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等。LabV

6、IEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動 畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。 LabVIEW （Laboratory Virtual nstrument Engineering Workbench）是- 一種用 圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)業(yè)序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和 指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序 框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了 VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW的程序模塊。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表） 類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用

7、戶界面在LabVIEW中被稱為前面 板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進(jìn)行控制。這就是形化源 代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此 又被稱作程序框圖代碼。LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研 究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP. ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個功能強(qiáng)大 且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界

8、面使得編 程及使用過程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程 序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程 師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它 可以增強(qiáng)構(gòu)建科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便 捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工 作效率。1.2、Labview 的優(yōu)點(diǎn)LABVIEW有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其是在某些特殊領(lǐng)域其特點(diǎn)尤其突出。1、測試測量：LABVIEW最初就是為測試測量而設(shè)計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在LABVIEW 最廣泛的

9、應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，LABVIEW在測試測量領(lǐng)域獲得了廣泛的承 認(rèn)。至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動程 序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時，用戶也可以十分方 便地找到各種適用于測試測量領(lǐng)域的LabVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用 戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開發(fā)程序就容易多了。有時甚 至于只需簡單地調(diào)用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應(yīng)用 程序。2、控制：控制與測試是兩個相關(guān)度非常高的領(lǐng)域，從測試領(lǐng)域起家的LabVIEW自然而 然地首先拓展至控制領(lǐng)域。LabVIEW擁有專門用于控制領(lǐng)域的模

10、塊 -LabVIEWDSC。除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有 相應(yīng)的LabVIEW驅(qū)動程序。使用LabVIEW可以非常方便的編制各種控制程序。3、仿真：LabVIEW包含了多種多樣的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，特別適合進(jìn)行模擬、仿真、原型 設(shè)計等工作。在設(shè)計機(jī)電設(shè)備之前，可以現(xiàn)在計算機(jī)上用LabVIEW搭建仿真原型， 驗(yàn)證設(shè)計的合理性，找到潛在的問題。在高等教育領(lǐng)域，有時如果使用LabVIEW 進(jìn)行軟件模擬，就可以達(dá)到同樣的效果，使學(xué)生不致失去實(shí)踐的機(jī)會。4、快速開發(fā)：完成一個功能類似的大型應(yīng)用軟件，熟練的LabVIEW程序員所需的開發(fā)時間， 大概只是熟練的C程序員所需時間的1/5左右

11、。所以，如果項目開發(fā)時間緊張， 應(yīng)該優(yōu)先考慮使用LabVIEW，以縮短開發(fā)時間。5、跨平臺：如果同一個程序需要運(yùn)行于多個硬件設(shè)備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LabVIEW。 LabVIEW具有良好的平臺一致性。LabVIEW的代碼不需任何修改就可以運(yùn)行在常 見的三大臺式機(jī)操作系統(tǒng)上：Windows、Mac OS及Linux。除此之外，LabVIEW 還支持各種實(shí)時操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，比如常見的PDA、FPGA以及運(yùn)行VxWorks 和PharLap系統(tǒng)的RT設(shè)備。第二章函數(shù)發(fā)生器2.1、函數(shù)發(fā)生器介紹函數(shù)發(fā)生器是一種多波形的信號源。它可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸 齒波，甚至任意波形。有的函數(shù)

12、發(fā)生器還具有調(diào)制的功能，可以進(jìn)行調(diào)幅、調(diào)頻、 調(diào)相、脈寬調(diào)制和VCO控制，而此次課程設(shè)計中，設(shè)計的函數(shù)發(fā)生器只需要實(shí)現(xiàn) 基本功能即可。函數(shù)發(fā)生器有很寬的頻率范圍，使用范圍很廣，它是一種不可缺少的通用信 號源?？梢杂糜谏a(chǎn)測試、儀器維修和實(shí)驗(yàn)室，還廣泛使用在其它科技領(lǐng)域，如 醫(yī)學(xué)、教育、化學(xué)、通訊、地球物理學(xué)、工業(yè)控制、軍事和宇航等。2.2、函數(shù)發(fā)生器設(shè)計2.2.1、界面顯示及介紹主界面（用戶界面）的顯示主要分為四個模塊，其中三部分是函數(shù)調(diào)選模塊， 另一部分是波形輸出模塊，四個模塊互相配合，完美的將用戶所需要的波形展現(xiàn) 出來，主界面顯示如圖2.1服渡形相位國吉圖2.1程序框圖界面（后面板）則顯示

13、了整個函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計框圖，通過圖像化 的程序語言，完成函數(shù)發(fā)生器能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波的功能， 并且提供讓用戶自行選擇不同頻率，振幅以及相位的波形。程序框圖界面顯示如 圖2.2圖2.2、程序設(shè)計內(nèi)容(1)函數(shù)信號類型的選擇圖2.3在函數(shù)發(fā)生器中，用戶根據(jù)需要，產(chǎn)生所希望的函數(shù)信號，而設(shè)計的函數(shù)發(fā) 生器提供了這一功能按鈕，如圖2.3。此函數(shù)發(fā)生器中，為用戶提供了正弦波、 方波、三角波、鋸齒波四種形式的函數(shù)信號供用戶選擇，并且將函數(shù)類型選擇設(shè) 計為下拉菜單式，一目了然，方便客戶使用，選擇菜單如圖2.4圖2.4下拉菜單格式的選擇設(shè)計是通過設(shè)置枚舉變量來實(shí)現(xiàn)的，首先設(shè)置一個條件 結(jié)構(gòu)，

14、并且將所需要產(chǎn)生波形的情況分別設(shè)置一種條件分支，然后將枚舉變量與 條件結(jié)構(gòu)相連，使在調(diào)整枚舉變量的值得同時，執(zhí)行對應(yīng)條件分支的內(nèi)容，條件 結(jié)構(gòu)的四種分支如下圖所示圖2.5四種分支分別對應(yīng)于一種函數(shù)信號類型，分別為正弦波、方波、三角波和鋸 齒波，函數(shù)信號VI圖示對應(yīng)如下正弦波方波三角波鋸齒波圖2.6函數(shù)發(fā)生器還要求能夠產(chǎn)生一定頻率、振幅和初相位的波形，因此，設(shè)計中 為用戶提供了三種參數(shù)的選擇界面，用戶可以自己設(shè)置需要的信號參數(shù)，從而得 到所需要的函數(shù)信號。其界面顯示和程序框圖如下圖圖2.7函數(shù)發(fā)生器也設(shè)置了波形圖表來顯示用戶已經(jīng)設(shè)置好的函數(shù)信號，方便用戶觀察和修改，波形顯示界面如下圖：圖2.82

15、.2.3、函數(shù)發(fā)生器使用展示選擇函數(shù)信號類型(2)設(shè)置函數(shù)信號參數(shù)(3)觀察輸出波形正弦波方波三角波鋸齒波第三章交通燈交通燈介紹交通信號燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準(zhǔn)許通行， 黃燈表示警示。交通信號燈分為：機(jī)動車信號燈、非機(jī)動車信號燈、人行橫道信 號燈、方向指示指示燈（箭頭信號燈）、車道信號燈、閃光警告信號燈、道路與 鐵路平面交叉道口信號燈。3.2、溫度監(jiān)測儀設(shè)計界面顯示及介紹主界面由四部分組成，分別是東西南北四個方向的紅黃綠等。每個燈下面都 有一個顯示空間用來顯示剩余時間B7日同ew聞國H明時更E：l巳用甘司由.3.-DC4XX匪時聆J *：己月H向位1 1。己用II

16、聞同3.心.已用時甲0D圖3.1整個程序的框圖設(shè)計由一個大循環(huán)結(jié)構(gòu)，六個小循環(huán)結(jié)構(gòu)，兩個順序結(jié)構(gòu)， 其中循環(huán)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)各個信號燈的持續(xù)變換，而順序結(jié)構(gòu)分別控制南北和東西 兩個方向的信號燈同時進(jìn)行運(yùn)行。圖3.23.2.2、程序設(shè)計及內(nèi)容(1)時間的輸入時間是事先設(shè)置好的，運(yùn)行時不可以更改，所以需要謹(jǐn)慎設(shè)置。司已用時曰已m寸mm前日尊口的可圖3.3圖3.4信號燈的顯示 信號燈的顯示時間公式如下 紅燈二綠燈+黃燈 界面顯示及程序框圖設(shè)置如下圖圖3.53.2.3、信號等使用展示411&用4同國3.-MXXJ可回已用時如喪阿間瞄口己異用詢國.5.00W：RJFH的司同.。己局州用國洋3泓已用町同.10

17、&00；E2已用可1日國. %*12(1)南北通圖3.8(2)南北警告虹1已用時間引至a已月君間k).46,00454.0已用時間國.0J已用時聞國已巨時可已用時間成145.-DD420Q圖3.9東西通行爭S1幻bW = )r45.岫7 J. 6695盤誠回g嘩婦m三用響s切.6 言1i5.6T明時西時at：g8 r育-甘4mffi時間聞 cf.-爵9 歸11 Q.gggsi蠕2聲2g2巳目町可引已同甘同瓦)已田JH取引45.004；79.66950.9996(圖 3.10章相位差計4.1、相位差計介紹所謂相位差計，就是兩同周期信號對應(yīng)點(diǎn)間角度差值的測量。兩信號可以同 為電壓、電流，或一為電壓

18、、一為電流等。對應(yīng)點(diǎn)常取正弦信號由負(fù)到正的過零 點(diǎn)，相當(dāng)于電量函數(shù)的初相角。相位差的單位是度或孤度，正、負(fù)號表示領(lǐng)先或 滯后關(guān)系。待測相位差的正弦電量的頻率范圍很廣，因此采用的測量方法和儀器一般隨 頻率的高低來選擇。常用的方法是直接法和間接法。此處所設(shè)計的相位差計采取 直接法測量。4.2、相位差計設(shè)計及內(nèi)容界面展示及介紹圖4.1整個界面由三部分構(gòu)成，兩種波形信號的選擇模塊、相位差顯示模塊以及兩種波形顯示模塊程序框圖設(shè)計如下圖4.24.2.2、程序設(shè)計及內(nèi)容(1)波形信號的選擇需要得到兩種信號的相位差，用戶需要將兩種波形信號的參數(shù)輸入相位差計， 通過相位差計的計算，最后得出兩種信號的相位差。1Q

19、0E圖4.3.4.5 5 553.5! 1 / &5政波亍相位差通常指正弦信號之間的相位差，但同時也會有其他波形的相位差， 為了為用戶提供方便，此相位差計設(shè)置了四種信號可供選擇，并且設(shè)置了波形信號相應(yīng)參數(shù)的選擇欄，使用戶能夠得到希望的波形信號圖4.4三角波17110.00函教類型1(2)相位差的計算相位差即兩種波形信號在同一點(diǎn)處所對應(yīng)相位的差值，此相位差計通過“提相位差取單頻信號” VI來獲取兩種信號的相位，再通過兩個相位差相減得到相位差。波形圖相位差-MF：圖4.5、相位差計使用展示(1)波形信號選擇圖4.7(2)輸入波形參數(shù)圖4.8(3)觀察兩種波形圖示圖4.9(4)獲得相位差圖 4.10

20、第五章不確定度計算軟件5.1、研究背景在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)與生活中，總會出現(xiàn)或大或小的誤差，而傳統(tǒng)的誤差概念和誤差分 析在用于評定測量結(jié)果時，有時顯得既不完備，也難于操作。所以，一種更為完 備合理、可操作性強(qiáng)的評定測量結(jié)果的方法便應(yīng)運(yùn)而生，那便是一一測量不確定 度。工業(yè)生產(chǎn)如此發(fā)達(dá)的今天，對測量的精度要求更是嚴(yán)格。要知道，在這個以 細(xì)節(jié)決定成敗的時代，更精準(zhǔn)的測量就意味著許多產(chǎn)品安全性的提高與成本的降 低。因此，本組組員在經(jīng)過討論之后，決定以測量不確定度中最為經(jīng)典的部分一 一體積測量的不確定度來進(jìn)行研究。利用LabVIEW編程軟件，設(shè)計出一個可以簡 便、快捷地計算一組物體體積不確定度的軟件。5.2、不

21、確定度的概念測量不確定度的定義為：表征合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結(jié)果 相聯(lián)系的參數(shù)。不確定度的含義是指由于測量誤差的存在，對被測量值的不能肯定的程度。 反過來，也表明該結(jié)果的可信賴程度。它是測量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)。不確定度愈小， 所述結(jié)果與被測量的真值愈接近，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價值越高；不確 定度越大，測量結(jié)果的質(zhì)量越低，水平越低，其使用價值也越低。在報告物理量測量的結(jié)果時，必須給出相應(yīng)的不確定度，一方面便于使用它 的人評定其可靠性，另一方面也增強(qiáng)了測量結(jié)果之間的可比性。5.3圓柱體測量不確定度的原理5.3.1、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度當(dāng)測量結(jié)果是由若干個其他量的值求得時，按其他各量的方

22、差和協(xié)方差算得的標(biāo) 準(zhǔn)不確定度，稱為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。它是測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計值，用符號Uc表示。氣=聲u 2 + 2 工 p u uiij i ji=1其中，Ui為第i個標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，m為不確定度分量的個數(shù)，pj為第i 和第j個標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量之間的相關(guān)系數(shù)，氣為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度仍然是標(biāo)準(zhǔn)偏差，它表征了測量結(jié)果的分散性。5.3.2、自由度計算總和中獨(dú)立項個數(shù)，即總和的項數(shù)減去其中受約束的項數(shù)。由于不確定度是用標(biāo)準(zhǔn)差來表征，因此，不確定度的評定質(zhì)量就取決于標(biāo)準(zhǔn) 差的可信賴程度。而標(biāo)準(zhǔn)差的信賴程度與自由度密切相關(guān)，自由度愈大，標(biāo)準(zhǔn)差 愈可信賴。所以，自由度的大小就直接反映了

23、不確定度的評定質(zhì)量。對于不同計算標(biāo)準(zhǔn)差的方法，其自由度是不同的。對于A類不確定度來說v = n -1對于B類不確定度來說bU其中，b U為評定不確定度u的標(biāo)準(zhǔn)差，U為評定u的相對標(biāo)準(zhǔn)差合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的自由度稱為有效自由度，一般用Veff來表示。V - u 4eff yn U 4Vi-1 i展伸不確定度在傳統(tǒng)場合多用合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度來表示測量結(jié)果的分散性，但在許多領(lǐng)域，常要求用擴(kuò)展不確定度來表示。（1）擴(kuò)展不確定度的兩種表示方法合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子U - kuC給定的置信概率或置信水平pU - k u（2）包含因子的確定方法自由度法可取包含因子為kp -V eff其中，p為置信水平，常

24、取95%或99%。當(dāng)Veff足夠大時，k% - 2 k99 - 3超越系數(shù)法簡易法5.4軟件設(shè)計內(nèi)容及演示5.4.1、軟件內(nèi)容基于labview的圓柱體體積測量不確定度的計算數(shù)據(jù)輸入模塊數(shù)據(jù)輸入是軟件的重要部分，而數(shù)據(jù)的輸入在實(shí)際運(yùn)用中有兩種情況，一種 是在現(xiàn)場檢測后直接輸入軟件進(jìn)行評估，而另一種情況則是根據(jù)已有的測量數(shù)據(jù)，通過調(diào)用導(dǎo)入軟件中進(jìn)行評估，因此，該軟件也對于兩種情況設(shè)置了兩 種數(shù)據(jù)輸入方式。圖5.1圖5.3b、程序框圖為了處理較多的數(shù)據(jù)，因此我們采用數(shù)據(jù)輸入欄縱向排列，從而在有限的界面空間輸入較多的數(shù)據(jù)。(2)調(diào)用數(shù)據(jù)方式 程序框圖a、圖5.4b、前面板顯示圖5.5不確定度計算模塊(1)計算程序框圖計算不確定度是整個程序的核心部分，程序通過手動以及自動方式把數(shù)據(jù)輸入后，導(dǎo)入計算程序中，計