虚拟仪器课程设计报告-虚拟电子秤的设计+虚拟电机转速测控系统设计.doc

目 录第一章虚拟仪器课程设计的意义及任务21.1课程设计的意义21.2 课程设计任务说明2第二章关于虚拟仪器和labview32.1 虚拟仪器简介32.2 labview概述32.2.1 labview的发展历程32.2.2 什么是vi？42.2.3 labview的操作面板4第三章虚拟电子秤的设计基础63.1 虚拟电子秤的设计思想63.2 硬件基础介绍63.2.1传感器原理介绍63.2.2 daq数据采集卡概述73.2.3信号调理电路基础介绍83.2.4数据采集原理介绍10第四章虚拟电子秤硬件和软件设计134.1 虚拟电子秤硬件设计134.2 虚拟电子秤的软件设计134.2.1程序框图设计144.2.2 标定174.2.3 称重174.2.4 查看历史记录184.2.5 系统运行调试19第五章虚拟数字电压表的设计225.1 虚拟电压表的设计思路225.1.1 设计概述225.1.2虚拟电压表设计思想225.2 虚拟电压表软件设计235.2.1 前面板的设计235.2.2 虚拟电压表的程序流程图设计245.3 虚拟电压表设计小结27第六章心得体会29参考文献29第一章 虚拟仪器课程设计的意义及任务1.1课程设计的意义 虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术发展起来的一种新型仪器。在国外，虚拟仪器技术已经比较熟了，由于其很强的灵活性，使得该技术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。近几年，虚拟仪器技术在国内的发展势也越来越受到重视。成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成：高效的软件编程环境、模块化仪器和一个支持模块化i/o集成的开放的硬件构架，该课程设计的目的就是，通过一些功能简单的仪表系统的设计，要在这三个方面上有更深一步的了解。1.2 课程设计任务说明本课程设计分为两部分，其一为一个虚拟电子秤的设计，其二为虚拟电机转速测控系统设计。这两部分的具体要求如下：一、电子秤设计在labview 8.5的软件环境下，应用ni数据采集卡、压力传感器和一些运放电路设计一个电子秤，其功能要求如下：1） 可以现场标定。2） 可以连续称量物品，并对称量结果进行记录，以便以后查看。3） 物品超重时可以报警。二、虚拟数字电压表设计 功能要求如下：1） 实现电压数字显示，通道配置与选择。2） 实现交、直流选择，采样频率，采样点数设置。3） 直流档显示直流电压，交流档显示有效值，平均值和峰值。4） 应用daq卡获取电压信号，或产生模拟信号，分别进行交直流电压测量。第二章 关于虚拟仪器和labview2.1 虚拟仪器简介和传统的实物仪器相比，虚拟仪器是一种全新的概念。它是利用计算机的硬件资源（cpu、存储器、显示器、键盘、鼠标）、标准数字电路（gpib、rs-232接口总线、新型的vxi接口总线、信号调理和转换电路、图像采集电路、现场总线）以及计算机软件资源（数据分析与表达、过程通信。图像用户界面等），经过有针对性的开发测试，使之成为一套相当于使用者自己设计的传统仪器。不管是传统实物仪器还是虚拟仪器，仪器大多由以下三大功能模块组成：对被测信号的采集和控制模块、分析与处理模块，以及测得结果的表达与输出模块。传统仪器的这些功能度是以硬件（或固体化的软件）的形式存在的。将这些功能移植到计算机上完成，在计算机上插上数据采集卡，然后利用软件在屏幕上生成仪器面板，并且用软件来进行信号分析处理，这就构成了一台虚拟仪器。简单的说，虚拟仪器技术就是用户自定义的基于pc技术的测试和测量解决方案。相对于传统仪器，它有四大优势：性能高、扩张性强、开发时间长、完美的集成功能。虚拟仪器的五大特点：1 具有可变性、多层性、自主性的面板。2 强大的信号处理功能。3 虚拟仪器的功能、性能、指标可有用户定义。4 具有标准的、功能强大的接口总线、板卡以及相应软件。5 虚拟仪器具有开发周期短、成本低、维护方便、易于应用的特点。2.2 labview概述2.2.1 labview的发展历程 labview是美国国家仪器公司（national instrument 简称ni公司）推出的一门图形化编程语言，同时也是优秀而著名的虚拟仪器开发平台。labview是laboratory virtual instrument engineering workbench的英文缩写，即实验室虚拟仪器集成环境，是一种图形化的编程语言g语言。综上所示，labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。2.2.2 什么是vi？用labview开发出的应用程序被称为vi（virtual instrument，即虚拟仪器）。vi是由图标、连线以及框图构成的应用程序，由front panel(前面板)和block diagram(两部分构成)。前面板是应用程序的界面，是人机交互的窗口，主要由controls（控制量）和indicators（显示量）构成。后面板是vi的代码部分，也是vi的核心。后面板主要由图标、连线和框图构成，这些图标、连线和框图实际上是一些常量、变量、函数、vis，正是它们构成了vi的主体。2.2.3 labview的操作面板 在labview的用户界面上，应特别注意它提供的操作面板，包括工具（tools)模板控制（controls）模板和函数（functions）模板。如图2-1，这些模板集中反映了改软件的功能与特征。 图2-1 工具模板、控制模板、函数模板（1)工具模板（tools palette） 该模板提供了各种用于创建、修改和调试vi程序的工具。如果模板没有出现，则可以在windows菜单下选择show tools palette命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从windows模板内选择了show help window功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（sub vi）或图表上，就会显示相应的帮助信息。(2）控制模板（control palette）该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。如果控制模板不显示，可以用windows菜单的show controls palette功能打开它，它可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。（3）功能模板（functions palette）只有打开了流程图程序窗口。才能出现功能模板。模板上的每一个顶层图标都表示一个子程序。若功能模板不出现，则可以用windows菜单下的show functions palette功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。第三章 虚拟电子秤的设计基础3.1 虚拟电子秤的设计思想 电子秤的称重原理是，重物放在称重托盘上，压力传感器将重物的压力信号转换秤电压信号，电压信号经过前端放大器、滤波器之后，通过ni数据采集卡采集并转换成数字信号输入到计算机里，称重vi子程序对采集到的信号进行处理，完成电压重量的量程变换，最终在显示控件上将实际重量值显示出来。电压重量的变换关系可用下式表示：其中：y表示物品重量，x表示采集到的压力信号关系式中的a和b可通过标定vi子程序确定，其方法是将采集到的压力信号值和相应的实际重量值通过线性拟合，求出a、b。3.2 硬件基础介绍3.2.1传感器原理介绍传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常有敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。一般讲传感器由敏感原件和转换元件组成。但是由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器组成的一部分。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器等。电阻应变片压力传感器是国内外应用较为广泛的一种，它具有精度高、测量范围广、频响特性好等优点。本系统采用的压力传感器是电阻应变式传感器。1电阻应变式传感器电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，的构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变式将应变或应力转换为电阻的传感器，可以用于测量应变、力、压力、位移、加速度、力矩等参数。具有动态响应快、测量精度高、使用简便等优点。根据敏感元件的材料形状的不同，电阻应变式传感器的应变片可分为金属应变片和半导体应变片两种。金属应变式有金属丝式、金属箔式和金属薄膜式；半导体应变片有扩散型、体型、和薄膜型。电阻应变式传感器主要由电阻应变片和测量电路两部分组成。当电阻应变式传感器在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也相应发生变化，其电阻变化与应变的关系为 r/r=k0， 其中k0为灵敏系数由金属材料决定；为应变，当压力f在一定范围内时，以一个常数正比于f,应变由物体质量产生的荷重而形成,因此可得： m=f+b(a,b为常数)。3.2.2 daq数据采集卡概述 pci6024e 数据采集卡是一块基于32位pci总线的多功能数据采集控制卡，支持dma方式和双缓冲区模式，保证了实时信号的不间断采集和存储。它支持8路单极和4路差动模拟输入，信号为010v和-1010v；2路独立的d/a输出通道；16线ttl数字i/o；3各16位的定时计数器等多种功能。将pci6024e 数据采集卡插到计算机主板上的一个空闲pci插槽中，接好各种附件，包括一条50芯的数据线和一个转接板。 pci6024e卡同ni公司的绝大部分数据采集卡一样是即插即用型的设备，硬件正确安装后，如果机器安装了labview和nidaq，就会出现在measurement & automation explorer的configurationmysystem devices and interfaces列表中。在设备名pci-6024e上单击右键，弹出对话框，选择ni pci6024e：“dev1”，然后进行properties对话框配置、自我配置、test panels、ao测试、di/o测试、counter i/o 测试、复位设备、创建任务。在使用daq设备的模拟i/o或数字i/o功能时，必须首先配置设备的通道。在measurement & automation explorer中配置通道步骤如下： 右键单击data neighbourhood图标，选择弹出菜单中的insert，系统会弹出insert new对话框。单击finish。 在弹出的create new channel对话框中将通道类型设置为analog input，单击下一步。 在enter channel name and description对话框中，将通道名称设置为scropa，并填上适当的通道描述，单击下一步。 在channel wizard对话框中，选择传感器或测量信号类型，单击下一步。 设置单位为volts，量程为5v5v，单击下一步。 设置缩放比例因子为noscaling，单击下一步。 指定daq硬件为dev1:pci-6024e，通道编号为0；模拟输入方式为differential,单击完成。daq设备在不同的系统运用中配置有所不同，但是具体步骤相同。3.2.3信号调理电路基础介绍由于由传感器得到的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励和数字信号调理等。(1)放大放大器提高输入信号电平以更好的匹配adc的输入范围，从而提高测量精度和灵敏度。此外，使用放置在更近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号噪声比。(2) 衰减衰减即与放大相反的过程。它在电压（即将被数字化的）超过数字化仪输入范围时是十分必要的。这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于adc范围内。(3) 隔离 隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无须物理连接即可将信号它的源传输至测量设备。除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而即保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。(4)多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪表，从而提供了一种节省成本的方式来极大的扩大系统通道数量。多路了服用对于任何高通倒数的应用都是十分必要的。(5)滤波 滤波器在一定的频率范围内去除不希望的噪声。几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的50hz或60hz的噪声（来自于电线或机械设备）。大部分信号调理装置度包括了为最大程度上抑制50hz或60hz噪声而专门设计的低通滤波器。(6)激励 激励对于一些转换器时必需的。例如应变计、电热调节器和rtd需要外部电压或电流激励信号。通常rtd和电热调节器测量都是使用一个电流源来完成的，这个电流源将电阻的变化转换成一个可测量的电压。应变计是一种超低电阻的设备，通常利用一个电压激励来用于惠斯登电桥配置。(7)线性化 许多传感器感应的电信号和物理量之间并不是呈线性关系，因而需要对其输出信号进行线性化以补偿传感器带来的误差。(8)数字信号调理数字信号在某些情况下也必须经过调理才能进入daq卡。譬如，不能将工业环境中的数字信号直接接入daq卡，接入之前必须经过隔离来防止可能的高压放电或者经过削减来调整电平以适应daq卡的输入要求。3.2.4数据采集原理介绍在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。数据采集系统的基本任务是物理信号的产生与测量，要使计算机能够测量物理信号，首先需要把被测物理信号通过专用的传感器转换为电压或电流等电信号。通常被测物理信号不能够直接接到数据采集卡上，还需要利用所谓的信号调理电路转换为标准的电压信号或电流信号。信号调理模块具有滤波、放大、同步采样等功能。如采样频率、滤波，假设现在对一个模拟信号x(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=o，t，2t，3t等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0)，x(t)，x(2t)都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示: x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，x(kt)，如果对信号x(t)采集n个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示:x=x0，xl，x2，x3，xn-l这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率(或t)的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50hz)的信号可以被正确采样。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(a/d)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。1.daq技术的介绍(1)总线扩展与接口技术daq仪器离不开总线如:pci，sia，dsb等。与总线的接口技术主要包括端口地址译码与分配技术，通过总线进行数据传输技术等。通常的数据传送方式有同步传送、查询、中断、mda、传送等，仪器接口的选用依据数据传送速率的要求而定。一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字i/0、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。模拟输入是采集最基本的功能。模拟输出通常是为采集系统提供激励。数字i/0通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。(2)a/d与d/a转换技术a/d时间模拟量转换位数字量的专用电路，几乎所有的daq仪器都要用到a/d，因此它是一种非常重要的电路。常用专门的a/d芯片来完成。目前采用的a/d芯片由8位、10位、12位及24位精度不等。d/a是将数字信号转换成模拟信号的专用电路，用以控制外部设备通常由a/d一起构成测控仪器的核心。(3)多路开关和滤波放大技术高质量的多路开关主要用来实现自动调档和通道切换，因此要求寄生电容小，通道间的隔离效果好。滤波放大电路是模拟信号调理的主要电路。这些都是仪器设计中的关键电路，形式千变万化，直接影响仪器的精度，而这些电路有事各种仪器中都要采用的电路。(4)高速缓存电路高速缓存电路主要用于存储ad/转换都的结果，以增强daq仪器本身的实时采样能力。一般来说告诉信息采集的场合均需采用高速缓存技术。(5)实时采样和等效采样技术实时采样技术是只在某一时间内所采集的一族数据与该时间内的己连续点力量在响应时刻点的量值是一一对应的。在总夺得测控系统中均采用实时采样技术，只有在高档的存储示波器和数据采集仪器(频率位数百兆赫或更高)中才使用等效采样技术。(6)可编程逻辑器件与逻辑控制电路逻辑控制电路完成daq仪器的硬件与软件的协调工作，主要有译码器与逻辑控制电路构成。一个好的逻辑控制电路应具有体积小、阻太灵活以及安全的功能，近年来迅速发展的可编程逻辑器件可以较好地实现这些功能。2.数据采集过程将得到的电压送到数据采集卡中进行数据采集，再通过usb线将数据送入计算机，由计算机利用软件平台(labview)进行控制和处理。数据采集卡（daq）主要由多路开关、放大器、采样保持器和a/d转换器等组成，它们与定时/计数器、总线接口电路等做在一块印刷电路板上,完成对被测信号的采集、放大和模/数转换任务。数据采集（daq）是指从传感器和其他待测设备等模拟或数字北侧单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软件硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。一个完整的daq系统包括传感器或交换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等。当然，很多设备制造商已经把传感器、信号调理甚至daq卡即成为标准的设备，这种情况下用户不再需要考虑传感器、信号调理和daq卡，而只需要考虑如何与硬件设备通信以及如何开发上层应用程序。第四章 虚拟电子秤硬件和软件设计4.1 虚拟电子秤硬件设计电子秤的硬件结构包括测量传感器电路、数据采集和数据处理三部分。图4-1为电子秤的硬件结构图。图4-1电子秤硬件结构图在测量电路中使用了电阻应变式传感器，它是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。 电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：（1）电阻丝温度系数引起的。（2）电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。4.2 虚拟电子秤的软件设计 电子秤的软件程序在labview8.5软件环境下，用图形化编程语言进行编辑，程序可以分为三个部分，即：标定、称重和查看历史称重记录。虚拟电子秤的总体流程图设计如下图： 开始 标定查看历史记录 菜单选择 称重 y 标定完成打开历史记录 数据采集 n输入样本值并将样本值存入样本数组 数据滤波 显示称重记录电压值转化 为重量值 数据采集 是否记录 重量 n数据滤波并将平均值存入采样值数组 y 显示称重记录 将样本数组和采样数组存入标定数据电子表格 线性拟合显示拟合直线的斜率和截距 退 出图4-2 电子秤软件流程图4.2.1程序框图设计程序框图相当于程序的源代码,只有创建了程序框图后，该程序才能真正运行。本系统采用模块化设计，所以整个系统软件层次清晰、易于理解、便于修改、利于开发新功能。程序框图大体分为4个模块：主控模块、数据处理模块、数据输入模块及判断保存功能模块。数据处理子vi的主要作用是将超过正常范围的数据用合理的数据代替，最后得出真实值，并与测量值比较，算出误差。源程序如图3-5所示：图4-3 数据处理程序框图图4-4 数据输入通道判断保存子vi的主要作用是采集程序运行的当前时间得出的结论，并将这些和实际重量、测量重量、误差一起写入文件中。如果输入误差大于0.01，则判断为不符合要求，反之合理。图4-5 判断保存子vi的程序框图4.2.2 标定标定程序的主要任务是求出物品重量与测量电路输出电压的关系，即求出等式中的系数a和b，并将物品重量与测量电路输出电压的关系用图形表示出来，实现这部分功能的程序如下图所示。图4-6 标定采集样本4.2.3 称重将daq助手采集到的电压信号滤波、求平均值之后，根据等式计算出实际重量值，结果可以显示并保存。如果有系统误差的话，还可以进行调零。该虚拟电子秤的最大量程为500g，当物品重量超过500g时，程序会弹出对话框提示物品超重。其程序如图4-7。图4-7 称重程序框图 图4-8 称重前面板4.2.4 查看历史记录 查看历史记录程序就是将之前称重时记录下来的称重记录读出来以列表的形式显示出来，供使用者查看。其程序如下图所示。、图4-9 查看历史记录程序4.2.5 系统运行调试系统运行结果有下图可以看出，运行情况良好图4-10 电子秤的标定完成界面 图4-11 电子秤的称重界面图4-12 超重报警界面图4-13 查看历史称重记录至此，虚拟电子秤设计完毕。第五章 虚拟数字电压表的设计5.1 虚拟电压表的设计思路5.1.1 设计概述电压是电路中常用的电信号，通过电压测量，利用基本公式可以导出其他的参数。因此，电压测量是其他许多电参数和非电参数量的基础。测量电压相当普及的一种测量仪表就是电压表，但常用的是模拟电压表。模拟电压表根据检波方式的不同。分为峰值电压表、均值电压表和平均值电压表，它们都各自做成独立的仪表。这样，使用模拟电压表进行交流电压测量时，必须根据测量要求选择仪表。另外，多数电压表的表头是按正弦交流有效值刻度的，而测量非正弦波时，必须经过换算才能得到正确的测量结果，从而给实际工作带来不便。 采用虚拟电压表，可将表征交流电压特征的峰值、平均值和有效值集中显示在一块面板上，测量时可根据波形在面板上选择仪表，用户仅通过面板指示值就能对测量结果进行分析比较，大大简化了测量步骤。5.1.2虚拟电压表设计思想本次课程设计，虚拟电压表和前面的虚拟电子秤原理极其相似，不同之处在于，虚拟电压表的设计采用了模拟输入的方法，而虚拟电子秤采用的是daq数据采集。虚拟电压表是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它由控制模块、仪器模块和软件组成，由软件编程来实现仪器的功能。在虚拟仪器中，计算机显示器是惟一的交互界面，物理的开关、按键、旋钮以及数码管等显示器件均由与实物外观相似的图形控件来代替，操作人员只要通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关、按键等设置各种参数，就能根据自己的需要定义仪器的功能。在虚拟电压表的设计中，考虑到仪器主要用于教学和实验，所以面板操作应当简单明了，又要便于直接对比。虚拟电压表应具备电源开关控制、波形选择，以及显示峰值、有效值和平均值三种结果，且输入信号的大小可调节等功能。虚拟电压表由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口包括仪器接口设备和计算机，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通信，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作相对应的各种控件。在此，用软件虚拟了一个信号发生器。该信号发生器可产生正弦波、方波和三角波，还可以输入公式，产生任意波形。根据需要，可调节面板上的控件来改变信号的频率和幅度等可调参数，然后检测电压表的运行情况。因此，在labview图形语言环境下设计的虚拟电压表主要分为两个部分：第一部分是虚拟电压表前面板的设计；第二部分是虚拟电压表流程图的设汁。为了满足不同测量的要求传统的电压表分别做成独立的仪表，包括峰值电压表、平均值电压表和有效值电压表。5.2 虚拟电压表软件设计5.2.1 前面板的设计前面板模拟真实电压表的前面板，用于设置输入数值和观察输出量。由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟电压表控制软件的核心。设计这部分时，主要考虑界面美观、操作简洁，用户能通过面板上的各种按钮、开关等控件来控制虚拟电压表进行测量工作。根据传统电压表面板控件的功能，利用labview中的控制模板，分别在设计面板上放入模拟实际电压表控件的数据输入控件、显示器、数据输出控件、开关、选择器，显示器用于显示输入的信号波形；数据输入控件主要用于输入被测信号的信号频率、采样频率、采样数、振幅和相位；数据输出控件则用于输出被测信号经过处理后得到的峰值、平均值和有效值及标准频率的有效显示。打开labview前面板的编辑窗口，点击鼠标右键，显示控制模板，选择图形一波形图，作为电压表的显示器。在显示器模板上点击鼠标右键，对其进行属性设置，例如根据示波器的频率与幅度值的变化，利用工具模板中的文字工具，对示波器横(时间)、纵(幅度)坐标的刻度进行重新设置。用graph控件设计的示波器是完全同步的，且波形稳定。 电源开关控件选择经典经典布尔方形按钮，当按下开关时，虚拟电压表开始运行，同时电源开关的指示灯亮。同样，当弹起开关时，虚拟电压表停止运行。前面板如图5-1所示。图5-1 虚拟数字电压表前面板5.2.2 虚拟电压表的程序流程图设计 每一个前面板都对应一个流程图程序。前面板的设计完成后，可对流程图程序进行设计。打开labview设计环境中的窗口显示程序框图，进入流程图编辑窗口，与前面板各控件对应的端口图标自动出现在流程图编辑窗口中。利用labview中的功能模块，根据虚拟示波器前面板各控件的作用和联系，虚拟示波器运作后数据流的控制，分别在流程图设计面板中放置各个功能模块，合理摆放后，在用连线工具依次连接，以实现虚拟示波器的功能。数据流的编辑主要是对端口图标的连接。用连线工具进行连线时，如果端口闪烁，说明相连的数据类型匹配，否则不能连接。1、虚拟信号发生器的实现 由于虚拟电压表主要用于演示，所以为了方便，可直接利用labview软件产生仿真信号。在该设计中，设置了正弦波、方波和三角波以及由公式确定的任意波形。在程序设计框图中，使用一个case(选择)语句对四种波形进行选择。case语句中，每一个数字(0，1，2，3，4)都代表一种波形，与前面板控件中5种状态相对应。至于case语句的制作，只需将4个图标中的一个，例如正弦波发生程序，用case框起来，然后在上面的空白处写上相应的数字，例如1；然后点击箭头，可以设置第二个图标，如果要添加一个case的话，可以点击鼠标右键，直接添加，编辑相应的基本信号发生器vi中相应的节点即可。在添加公式波时，要把基本信号发生器vi换成公式波形vi，0代表默认状态，表示无任何波形输入。本文给出了case结构的一个分支，公式波形的流程图如图2所示。该子可使用指定时间函数的公式字符串生成一个函数波形，它要求公式的自变量必须是t，它所支持的运算符和常用的函数详见参考文献。另外，在模拟状态下，信号频率以赫兹或者每秒周期数为单位。但是在数字系统中，通常使用数字频率，它是信号频率与采样频率的比值，被称为标准频率。所以，在框图程序中，应当在信号频率与采样频率之间加载一个除法器。在波形发生程序按照规定的参数产生波形后，如果将波形直接输入波形显示控件，那将是错误的。因为波形显示控件，并不像数据显示控件那样只需要一个或一组数据，因此波形能否按规定显示出来，取决于输入的几组不同且具有决定性的数据，例如周期、相位等。在该设计中，将z轴起始坐标、周期、波形捆绑成一个数组，同时输入到波形显示控件中。模拟信号发生部分的程序框图如下：图5-2 模拟信号发生部分的程序框图2、数据处理部分 数据处理部分的作用，就是将产生出的信号通过不同形式的检波、计算，得出规定的不同的结果。在该设计中同时显示交流有效值、峰值和平均值。对于一个纯粹的交流电压，正半周期信号与负半周期信号对称，u的平均值等于零，所以一般不直接测量平均值。在设计时，按函数数值绝对值取交流电压的绝对值，然后求平均值，取全波平均值。交流电压中的最大值，即为峰值。可以通过比较数据求出最大值，这需要使用波形最大、最小子虚拟仪器来处理框图。有效值显示：在函数信号处理波形测量中选择基本平均直流均方根。数据处理部分的程序框图如下：图5-3 数据处理部分的程序框图 3、开关部分 用一个while条件语句设计整个框图程序，当模拟电压开关为“1”时，虚拟电压表工作，条件语句中的程序开始运行；当模拟开关为“0”即关时，条件语句中的程序停止运行，虚拟电压表不工作。设计好的程序流程图如图5-4所示。图5