虛擬儀器技術(shù)與應(yīng)用-項目6交通燈控制系統(tǒng)

項目6交通燈控制系統(tǒng)2024/1/3121:19第2篇基于LabVIEW的測控系統(tǒng)目錄6.1項目描述 6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能6.4任務(wù)3設(shè)計交通燈倒計時功能6.5任務(wù)4系統(tǒng)調(diào)試測量6.6思考題

6.1項目描述知識目標能力目標素養(yǎng)目標1. 了解虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)。2. 掌握應(yīng)用LabVIEW進行DO程序設(shè)計。3. 掌握應(yīng)用虛擬儀器應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化硬件結(jié)合起來，實現(xiàn)對被控對象的簡單控制等。能夠使用給定虛擬儀器硬件設(shè)備和計算機搭建交通燈控制系統(tǒng)。能夠根據(jù)系統(tǒng)功能要求編寫交通燈控制程序。能夠正確進行系統(tǒng)調(diào)試測試。能夠?qū)ο到y(tǒng)功能完整描述，并規(guī)范撰寫項目報告。具有良好的工程意識，嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，自覺遵守工程規(guī)范和職業(yè)道德。具有分析問題、解決問題的能力。具有良好自我學習能力，具有勇于創(chuàng)新、敬業(yè)樂業(yè)的工作作風。具有良好的責任心、環(huán)保意識。6.1.1項目目標

城市道路的交叉路口通常設(shè)置有綠燈、黃燈和紅燈三種狀態(tài)的交通燈，它們的作用是：當綠燈亮時，表示車輛可通行；當黃燈亮時，提醒正在交叉路口中行駛的車輛趕快離開；當紅燈亮，車輛要在停車線后停駛。交通燈的控制看似簡單，其中涉及到兩個方向車流的控制，何時亮何種顏色的燈，時長多久。這些都需要做邏輯分析和運算?，F(xiàn)在更復雜的交通燈還帶有左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)提示燈。6.1項目描述6.1.2任務(wù)要求交通燈是城市交通中不可缺少的重要工具，是城市交通秩序的重要保障。本系統(tǒng)就是實現(xiàn)常見十字路交通燈功能。通過編程，實現(xiàn)配置各種燈的時間，控制各個燈的狀態(tài)等。一個十字路口的交通一般分為兩個方向，每個方向具有紅燈、綠燈和黃燈3種交通燈兩個方向的燈的狀態(tài)是相關(guān)的，現(xiàn)給出如下設(shè)定：

6.1項目描述

方向和狀態(tài)時間長度1東向紅燈亮，北向綠燈亮9s2東向紅燈亮，北向黃燈亮3s3東向綠燈亮，北向紅燈亮9s4東向黃燈亮，北向紅燈亮3s6.1.3實踐環(huán)境硬件設(shè)備：計算機、計算機、ELVISⅢ、多功能I/O板卡、導線若干軟件環(huán)境：LabVIEW6.1項目描述6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板6.2.1前面板布置在前面板設(shè)計用戶界面，一般可把系統(tǒng)運行監(jiān)控界面與參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)介紹等分開放置，使得系統(tǒng)運行監(jiān)控界面更加簡潔、清晰。在設(shè)計中，可使用選項卡空間來實現(xiàn)上述要求。在控件選板中選擇“新式→容器→選項卡控件”，放置在前面板上。選項卡只是把前面板上內(nèi)容進行了分類，并不會對程序造成任何影響。在選項卡控件上右擊，在顯示項中去掉標簽選項。把“選項卡1”修改為“系統(tǒng)描述”、“選項卡2”修改為“通道設(shè)置”。在選項卡控件上右擊，選擇“在后面添加選項卡”選項，并把該選項修改為“交通燈控制”。6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板放置選項卡控件6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板在“系統(tǒng)描述”選項卡中，對系統(tǒng)進行簡單的描述；“交通燈控制”選項卡中，放置該系統(tǒng)所需要的輸入和顯示控件，在VI運行中，該選項卡界面是人機交互界面；“通道設(shè)置”選項卡放置通道號輸入控件前面板布置如圖所示。6.3.2設(shè)計交通燈控件控件的屬性設(shè)置1）在前面板上，打開控件選板，在布爾控件子選板里面找到指示燈，放置在前面板上。在控件上右擊鼠標，在打開的快捷菜單，把“顯示項”里面“標簽”選項的鉤選取掉。2）鼠標移動到該控件上，出現(xiàn)拖拽工具，把它拖拽到合適的大小。3）復制3個控件，可以選中該控件然后按住Ctrl鍵移動鼠標，也可以直接復制粘貼。4）把三個控件從上到下排列整齊。發(fā)光顏色依次設(shè)置為紅、黃、綠，熄滅顏色都設(shè)置為灰色或者是透明。設(shè)置顏色屬性的方法是：在控件上點擊鼠標右鍵，在打開的快捷菜單上選擇“屬性”選項，打開屬性設(shè)置對話框。在右下方的“開”或者“關(guān)”的顏色框中單擊鼠標左鍵，就會彈出顏色選擇窗口，可根據(jù)需要選擇顏色，也可以選擇顏色選擇窗口右上角的“T”，來達到透明效果。設(shè)置好的交通燈，中間的黃顏色為關(guān)閉狀態(tài)。6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板

布爾控件的屬性對話框

三色交通燈

2024/1/3121:196.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板2、修飾為了美觀，還可以對交通燈進行修飾。在控件選板的“修飾”子選板里面選擇“平面圓盒”，拖拽到合適大小，然后移至交通燈的后面，這樣就制作完成了一組交通燈。把燈與修飾同時選中，單擊前面板窗口右上角的“重新排序”鍵，如圖6-10所示，把它們組合起來?？丶M合6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板3、控件組合為簇1）組合為簇：在前面板的控件選板里找到“數(shù)組、矩陣與簇”子選板，把簇放置在前面板上，拖拽到能容納下交通燈布爾控件。選中交通燈，拖進簇的框架里面。2）調(diào)整簇為合適大?。涸诖氐倪吙蛏嫌覔?，從打開的快捷菜單里面選擇“自動調(diào)整大小”→“調(diào)整為匹配大小”。3）美化外觀：為了美觀，可隱藏簇本身的樣子。在前面板的菜單欄中，“查看→工具選板”，點擊顏色選板，將后色板的顏色都選擇為透明，即顏色選板右上角的“T”。使用該色彩，對簇的外框涂色，就可完全隱藏簇的外框。4）編輯文本：在標簽“簇”字的位置上雙擊鼠標左鍵，把簇的標簽修改為“東西方向”，并對文字進行移動、修改大小、修改顏色等。調(diào)整簇框架的大小5）按照上述做法，再制作南北方向的交通燈。南北方向交通燈水平排列，從左到右依次是紅、黃、綠。6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板6）簇元素排序：這樣操作之后，每個簇中包含有3個布爾控件。簇元素的邏輯順序與其在簇內(nèi)的位置無關(guān)。右鍵單擊簇外框，從快捷菜單選擇“重新排序簇中控件”，查看菜單欄下方所顯示的數(shù)值。需要將哪一個簇元素設(shè)置為當前的數(shù)值順序，就用鼠標點擊那個簇元素，就可將其設(shè)定為所指定的邏輯順序。完成后，點選；若要需要設(shè)定，點選。包含簇中元素的順序，最好與外部硬件資源所對應(yīng)的交通燈相一致：東西方向順序是紅、黃、綠；南北方向順序是綠、黃、紅。6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板簇元素重新排序6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板6.3.3制作表格使用表格控件，來存放顯示每個方向交通燈的邏輯序列及時長信息。選擇前面板的控件選板→系統(tǒng)→列表、表格和樹→系統(tǒng)表格，放置表格控件于前面板上。修改其標簽為“邏輯序列”。右擊表格控件，顯示項中勾選“列首”。

表格控件及右鍵菜單使用6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板在表格的列首中，填寫每一列所代表的信號燈。E代表東西方向、N代表南北方向；R、Y、G分別代表紅、黃、綠；邏輯信息，“1“表示真即燈亮，“0‘’表示假，即燈滅；時長（s）表示每種狀態(tài)所保持的時間。表格中一行表示某一個時刻6個LED燈的狀態(tài)及時長。表格中存放的數(shù)據(jù)類型為字符串型的二維數(shù)組，其在程序框圖中的接線端子的顏色為枚紅色。作為列首的提示信息，不會直接出現(xiàn)在接線端子所傳遞的數(shù)據(jù)中。若想在程序框圖中引用表格列首的信息，需要使用屬性節(jié)點來實現(xiàn)。6.2任務(wù)1設(shè)計控制系統(tǒng)的前面板6.3.1交通燈控制邏輯設(shè)計上一節(jié)中制作了表格文件表格內(nèi)的數(shù)據(jù)為字符串，而字符串數(shù)據(jù)不方便做數(shù)值運算。在LabVIEW中很多數(shù)都可以以多種類型的運算，如加減乘除可以針對標量，也可以針對數(shù)組、簇和波形等數(shù)據(jù)。同樣的，類型的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換函數(shù)既可以針對單個標量。也可以作用于整個數(shù)組。6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能函數(shù)“十進制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”可以完成字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)值。選擇路徑：程序框圖→函數(shù)選板→字符串→字符串/數(shù)值轉(zhuǎn)換→十進制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后得到的整形數(shù)組中，包含有兩組信息：一組為交通燈的邏輯信息，一組為延時信息。需要將這兩組信息分離。前面制作的表格是字符串格式。字符串不方便做數(shù)值運行，需要將表格的字符型數(shù)組轉(zhuǎn)換為數(shù)值類型的數(shù)組。6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能1.字符串數(shù)組轉(zhuǎn)換為數(shù)值數(shù)組如何實現(xiàn)兩組信息的分離？可使用函數(shù)“刪除數(shù)組元素”來完成信息的分離。將二維數(shù)組連接至函數(shù)的“N維數(shù)組”連線端口，列的索引設(shè)定為6，含義為將數(shù)組中第7列數(shù)值刪除（即刪除時長信息）。函數(shù)輸出的兩個數(shù)組：“已刪除元素的數(shù)組子集”為邏輯序列二維數(shù)組；“已刪除的部分”為時長信息一維數(shù)組。時長信息給等待函數(shù)，控制每次循環(huán)執(zhí)行的時長，即每個狀態(tài)保持的時長。6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能邏輯序列二維數(shù)組是數(shù)值型，需要轉(zhuǎn)換成布爾型，原因是，在數(shù)字量輸出（DO過程）時，要求數(shù)據(jù)格式為布爾量。數(shù)值量轉(zhuǎn)換成布爾量可以用比較選板上的函數(shù)來實現(xiàn)：數(shù)值“1”大于0為真，輸出T；數(shù)值“0”大于0為假，輸出F。這樣運算之后，“100000”就變成了“TFFFFF”。6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能2.數(shù)值數(shù)組轉(zhuǎn)換為布爾數(shù)組依次讀取二維數(shù)組中的每一行，可以用For循環(huán)的自動多索引功能來實現(xiàn)，二維數(shù)組有4行，需要進行4次循環(huán)。首次運行時，讀取第0行數(shù)據(jù)為“TFFFFF”的一維數(shù)組，按照邏輯序列第1行到第3行以此類推。用“刪除數(shù)組”函數(shù)，把6個元素的一維數(shù)組拆分成2個，分別表示東西方向和南北方向的交通燈。6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能2.數(shù)值數(shù)組轉(zhuǎn)換為布爾數(shù)組用“數(shù)組至蔟轉(zhuǎn)換”函數(shù)，把它們變成蔟，與事先做好的“三色交通燈”蔟連接。特別要注意的是，“數(shù)組至蔟轉(zhuǎn)換”函數(shù)默認輸出9個元素，需要變成3個才與顯示控件一致。方法是右擊該函數(shù)，彈出菜單中選擇“蔟大小……”，把9改成3即可。通過For循環(huán)的自動索引隧道，把時長信息一維數(shù)組的3個元素也依次讀取，再乘1000，變成毫秒單位，送給等待（ms）函數(shù)。這樣，交通燈控制邏輯程序就設(shè)計好了。6.3.2用For循環(huán)實現(xiàn)倒計時1.普通數(shù)值顯示在十字路口，除了交通燈之外，還有紅綠燈時間倒計時的顯示。從表格控件中發(fā)現(xiàn)，當一個方向綠燈和黃燈時，另一個方向均為紅燈。紅燈亮的時間是綠燈與黃燈亮的時間之和。因此，東西方向燈亮的順序和時間為：紅燈12s、綠燈9s、黃燈3s；南北方向為：綠燈9s、黃燈3s、紅燈12s。可以利用For循環(huán)的索引功能來實現(xiàn)。6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能東西方向：程序功能是先從12開始倒數(shù)，循環(huán)一次減1，減到1之后，再從9開始，依次類推。圖中的“等待（ms）”輸入常量1000，相當于等待1s，如果循環(huán)12次，就實現(xiàn)了等待12s。南北方向：把索引數(shù)組修改為9、3、12即可。還可以在數(shù)值顯示控件的后面加上修飾，并修改顯示文本的大小、字體、顏色等。

東西方向倒計時6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能2.數(shù)碼管數(shù)值顯示繪制數(shù)碼顯示圖片，然后保存為bmp格式，用“讀取bmp圖片”函數(shù)讀取，該函數(shù)在函數(shù)選板的“編程→圖形與聲音→圖形格式”中。然后用函數(shù)選板“編程→圖形與聲音→圖片函數(shù)→繪制平滑像素圖”函數(shù)，繪制圖片。由于數(shù)碼一共有10個，可用For循環(huán)讀取10次，圖片位置數(shù)組用來輸入放置圖片的位置地址。這樣就生成一個圖片數(shù)組。把這個數(shù)組轉(zhuǎn)為常量數(shù)組，就完成了數(shù)碼圖片數(shù)組制作。6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能對應(yīng)的倒計時程序框圖如圖。與前一個方法差別是，不直接顯示個位和十位數(shù)值，而是把個位和十位數(shù)值作為索引，找到對應(yīng)數(shù)碼圖片的位置，然后顯示該圖片。把該圖片捆綁成簇，在前面板進行適當修飾。

用圖片數(shù)組實現(xiàn)倒計時6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能把東西方向、南北方向倒計時和交通燈控制邏輯程序設(shè)計好之后，就完成了無硬件的模擬交通燈控制程序。運行該程序，可以觀察交通燈的變化情況，看看是否實現(xiàn)設(shè)計功能。

用圖片數(shù)組實現(xiàn)倒計時6.3任務(wù)2實現(xiàn)交通燈控制邏輯功能6.4任務(wù)3設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)用戶界面上的交通燈能夠按照要求點亮。那么如何點亮實驗臺上的交通燈？分析交通燈模塊I/O信號類型：需要TTL電平驅(qū)動因此是數(shù)字量輸出（DO）1.虛擬儀器設(shè)備驅(qū)動采用NI-DAQmx驅(qū)動軟件的情況DO過程的流程：創(chuàng)建數(shù)字通道，數(shù)字通道寫操作，停止操作，清除資源，簡單錯誤處理。其中數(shù)字通道寫操作的VI一般放置在for循環(huán)或者while循環(huán)中。數(shù)字信號輸出（DO）6.4任務(wù)3設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)6.5.2交通燈控制系統(tǒng)程序框圖“DAQmx寫入”在循環(huán)框架內(nèi)，其他的節(jié)點都放在循環(huán)框外，因為只需創(chuàng)建一次虛擬通道，而進行多次數(shù)據(jù)寫操作。當循環(huán)結(jié)束，才進行停止、清除任務(wù)等操作。最后把進出循環(huán)體的任務(wù)和錯誤簇隧道替換為移位寄存器，用來存放任務(wù)和錯誤簇信息。交通燈控制程序框圖6.4任務(wù)3設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)步驟：1、將nextwire_20模塊安置在nextboard平臺的數(shù)字信號槽位（DigitalSlot）1或2上，打開nextboard電源。2、根據(jù)模塊放置的槽位，填寫物理通道號DigitalSlot1位置通道號：Dev1/port2/line4,Dev1/port1/line6,Dev1/port2/line6,Dev1/port2/line2,Dev1/port2/line1,Dev1/port2/line0DigitalSlot2位置通道號：Dev1/port2/line5,Dev1/port1/line7,Dev1/port2/line7,Dev1/port2/line3,Dev1/port1/line4,Dev1/port1/line36.4任務(wù)3設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)步驟：3、運行調(diào)試VI，觀察運行結(jié)果。4、進行測試，記錄數(shù)據(jù)、截取圖片。5、完成項目報告。6.4任務(wù)3設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)6.4任務(wù)3設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)2.采用ELVISⅢ硬件設(shè)備和驅(qū)動軟件采用ELVISⅢ實現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)功能時，首先把ELVISⅢ通過USB方式，與計算機連接。用多功能I/O板卡下方自帶的LED作為被控對象—交通燈，LED0、LED1、LED2模擬東西方向交通燈；LED3、LED4、LED5模擬南北方向交通燈。用導線把這6個LED的端子分別與DIO的6個端子相連“比如選擇DIO14～DIO19這6個DIO端子”。數(shù)字信號輸出（DO）6.4任務(wù)3設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)該程序在“無硬件交通燈控制程序”添加DO過程就可以了。如果“無硬件交通燈控制程序”不是在“NIELVISⅢProject模板”下創(chuàng)建的VI，就需要把它導入項目中。方法如圖所示，右擊“NI-ELVISⅢ***（注：后面的編號和地址各不相同）”項彈出快捷菜單，選擇“添加”→“文件”，找到“無硬件交通燈控制程序”，然后添加文件即可。數(shù)字信號輸出（DO）6.4任務(wù)3設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)采用DO一采樣模式（DigitalInput/Output1Sample）。程序如圖所示。圖中，邏輯序列的一維數(shù)組作為“Write”的數(shù)據(jù)輸入，數(shù)組有6個元素，運行程序時，每循環(huán)一次輸出6個布爾量。一般在設(shè)計上，DO過程在For循環(huán)上不用數(shù)據(jù)隧道，而是采用移位寄存器?？梢韵冗B線再右擊數(shù)據(jù)隧道，選擇“替換為移位寄存器”；或者先添加移位寄存器再連線。數(shù)字信號輸出（DO）6.4任務(wù)3設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)工程上，運行有錯誤的時候，要求停止運行程序，可利用For的條件停止。方法是右擊循環(huán)邊框，彈出的菜單中選擇“條件接線端”，然后在