虚拟仪器课设报告

1、北京工业大学虚拟仪器课程设计报告书学院：机械工程与应用电子技术学院专业:测控技术与仪器学号：13013111姓名：唐翊桐指导教师:宋国荣课设日期：2015年12月21日-2016年1月4日目录 TOC o 1-5 h z 绪论2 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 第一章图形化软件Labview简介3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1.1、Labview 简介3 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 1.2、Labview 的优点4 HYPERLI

2、NK l bookmark45 o Current Document 第二章函数发生器5 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 2.1、函数发生器介绍52.2、函数发生器设计62.2.1、界面显示及介绍.62.2.2、程序设计内容.72.2.3、函数发生器使用展示.9 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 第三章交通灯12 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 交通灯介绍123.2、温度监测仪设计12界面显示及介绍123.2.2、程序设计及内容133.2.3

3、、信号等使用展示14 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 第四章相位差计16 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 4.1、相位差计介绍164.2、相位差计设计及内容16界面展示及介绍164.2.2、程序设计及内容174.2.3、相位差计使用展示19 HYPERLINK l bookmark111 o Current Document 第五章不确定度计算软件21 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 5.1、研究背景21 HYPERLINK l book

4、mark118 o Current Document 5.2、不确定度的概念215.3圆柱体测量不确定度的原理225.3.1、合成标准不确定度22 HYPERLINK l bookmark127 o Current Document 5.3.2、自由度22 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 展伸不确定度235.4软件设计内容及演示235.4.1、软件内容23数据输入模块24不确定度计算模块275.4.4、输出保存模块28心得体会29参考文献30绪论随着科学技术的飞速发展，在当前工业设计中，虚拟仪器的作用也越来越显 著，它广泛的应用于航空、航天

5、、教学、核工业、军工、通信测试、铁道等领域， 成为工业设计中必不可少的工具。Labview是一款服务于虚拟仪器的一种图形化 软件平台，能够实现虚拟仪器的开发和维修，是一种广泛应用的软件，此次课程 设计便是通过Labview来进行虚拟仪器的设计，从而更好地掌握图形化语言的使 用。关键词：工业设计、虚拟仪器、图形化语言、Labview、课程设计第一章图形化软件Labview简介1.1、Labview 简介LabVIEW与C和BASIC 一样，也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的 庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数 据显示及数据存储等等。LabV

6、IEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动 画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。 LabVIEW （Laboratory Virtual nstrument Engineering Workbench）是- 一种用 图标代替文本行创建应业序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和 指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序 框图中节点之间的数据流向决定了 VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW的程序模块。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表） 类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用

7、户界面在LabVIEW中被称为前面 板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是形化源 代码，又称G代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此 又被称作程序框图代码。LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研 究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与 满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。 它还内置了便于应用TCP/IP. ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大 且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界

8、面使得编 程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程 序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程 师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它 可以增强构建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。1.2、Labview 的优点LABVIEW有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。1、测试测量：LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW 最广泛的

9、应用领域。经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承 认。至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程 序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方 便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。这些工具包几乎覆盖了用 户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚 至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用 程序。2、控制：控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW自然而 然地首先拓展至控制领域。LabVIEW拥有专门用于控制领域的模

10、块 -LabVIEWDSC。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有 相应的LabVIEW驱动程序。使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。3、仿真：LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型 设计等工作。在设计机电设备之前，可以现在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型， 验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用LabVIEW 进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。4、快速开发：完成一个功能类似的大型应用软件，熟练的LabVIEW程序员所需的开发时间， 大概只是熟练的C程序员所需时间的1/5左右

11、。所以，如果项目开发时间紧张， 应该优先考虑使用LabVIEW，以缩短开发时间。5、跨平台：如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上，也可以优先考虑使用LabVIEW。 LabVIEW具有良好的平台一致性。LabVIEW的代码不需任何修改就可以运行在常 见的三大台式机操作系统上：Windows、Mac OS及Linux。除此之外，LabVIEW 还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的PDA、FPGA以及运行VxWorks 和PharLap系统的RT设备。第二章函数发生器2.1、函数发生器介绍函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯 齿波，甚至任意波形。有的函数

12、发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、 调相、脉宽调制和VCO控制，而此次课程设计中，设计的函数发生器只需要实现 基本功能即可。函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信 号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如 医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。2.2、函数发生器设计2.2.1、界面显示及介绍主界面（用户界面）的显示主要分为四个模块，其中三部分是函数调选模块， 另一部分是波形输出模块，四个模块互相配合，完美的将用户所需要的波形展现 出来，主界面显示如图2.1服渡形相位国吉图2.1程序框图界面（后面板）则显示

13、了整个函数发生器的设计框图，通过图像化 的程序语言，完成函数发生器能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波的功能， 并且提供让用户自行选择不同频率，振幅以及相位的波形。程序框图界面显示如 图2.2图2.2、程序设计内容(1)函数信号类型的选择图2.3在函数发生器中，用户根据需要，产生所希望的函数信号，而设计的函数发 生器提供了这一功能按钮，如图2.3。此函数发生器中，为用户提供了正弦波、 方波、三角波、锯齿波四种形式的函数信号供用户选择，并且将函数类型选择设 计为下拉菜单式，一目了然，方便客户使用，选择菜单如图2.4图2.4下拉菜单格式的选择设计是通过设置枚举变量来实现的，首先设置一个条件 结构，

14、并且将所需要产生波形的情况分别设置一种条件分支，然后将枚举变量与 条件结构相连，使在调整枚举变量的值得同时，执行对应条件分支的内容，条件 结构的四种分支如下图所示图2.5四种分支分别对应于一种函数信号类型，分别为正弦波、方波、三角波和锯 齿波，函数信号VI图示对应如下正弦波方波三角波锯齿波图2.6函数发生器还要求能够产生一定频率、振幅和初相位的波形，因此，设计中 为用户提供了三种参数的选择界面，用户可以自己设置需要的信号参数，从而得 到所需要的函数信号。其界面显示和程序框图如下图图2.7函数发生器也设置了波形图表来显示用户已经设置好的函数信号，方便用户观察和修改，波形显示界面如下图：图2.82

15、.2.3、函数发生器使用展示选择函数信号类型(2)设置函数信号参数(3)观察输出波形正弦波方波三角波锯齿波第三章交通灯交通灯介绍交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行， 黄灯表示警示。交通信号灯分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信 号灯、方向指示指示灯（箭头信号灯）、车道信号灯、闪光警告信号灯、道路与 铁路平面交叉道口信号灯。3.2、温度监测仪设计界面显示及介绍主界面由四部分组成，分别是东西南北四个方向的红黄绿等。每个灯下面都 有一个显示空间用来显示剩余时间B7日同ew闻国H明时更E：l巳用甘司由.3.-DC4XX匪时聆J *：己月H向位1 1。己用II

16、闻同3.心.已用时甲0D图3.1整个程序的框图设计由一个大循环结构，六个小循环结构，两个顺序结构， 其中循环结构能够实现各个信号灯的持续变换，而顺序结构分别控制南北和东西 两个方向的信号灯同时进行运行。图3.23.2.2、程序设计及内容(1)时间的输入时间是事先设置好的，运行时不可以更改，所以需要谨慎设置。司已用时曰已m寸mm前日尊口的可图3.3图3.4信号灯的显示 信号灯的显示时间公式如下 红灯二绿灯+黄灯 界面显示及程序框图设置如下图图3.53.2.3、信号等使用展示411&用4同国3.-MXXJ可回已用时如丧阿间瞄口己异用询国.5.00W：RJFH的司同.。己局州用国洋3泓已用町同.10

17、&00；E2已用可1日国. %*12(1)南北通图3.8(2)南北警告虹1已用时间引至a已月君间k).46,00454.0已用时间国.0J已用时闻国已巨时可已用时间成145.-DD420Q图3.9东西通行争S1幻bW = )r45.岫7 J. 6695盘诚回g哗妇m三用响s切.6 言1i5.6T明时西时at：g8 r育-甘4mffi时间闻 cf.-爵9 归11 Q.gggsi蠕2声2g2巳目町可引已同甘同瓦)已田JH取引45.004；79.66950.9996(图 3.10章相位差计4.1、相位差计介绍所谓相位差计，就是两同周期信号对应点间角度差值的测量。两信号可以同 为电压、电流，或一为电压

18、、一为电流等。对应点常取正弦信号由负到正的过零 点，相当于电量函数的初相角。相位差的单位是度或孤度，正、负号表示领先或 滞后关系。待测相位差的正弦电量的频率范围很广，因此采用的测量方法和仪器一般随 频率的高低来选择。常用的方法是直接法和间接法。此处所设计的相位差计采取 直接法测量。4.2、相位差计设计及内容界面展示及介绍图4.1整个界面由三部分构成，两种波形信号的选择模块、相位差显示模块以及两种波形显示模块程序框图设计如下图4.24.2.2、程序设计及内容(1)波形信号的选择需要得到两种信号的相位差，用户需要将两种波形信号的参数输入相位差计， 通过相位差计的计算，最后得出两种信号的相位差。1Q

19、0E图4.3.4.5 5 553.5! 1 / &5政波亍相位差通常指正弦信号之间的相位差，但同时也会有其他波形的相位差， 为了为用户提供方便，此相位差计设置了四种信号可供选择，并且设置了波形信号相应参数的选择栏，使用户能够得到希望的波形信号图4.4三角波17110.00函教类型1(2)相位差的计算相位差即两种波形信号在同一点处所对应相位的差值，此相位差计通过“提相位差取单频信号” VI来获取两种信号的相位，再通过两个相位差相减得到相位差。波形图相位差-MF：图4.5、相位差计使用展示(1)波形信号选择图4.7(2)输入波形参数图4.8(3)观察两种波形图示图4.9(4)获得相位差图 4.10

20、第五章不确定度计算软件5.1、研究背景在现实的生产与生活中，总会出现或大或小的误差，而传统的误差概念和误差分 析在用于评定测量结果时，有时显得既不完备，也难于操作。所以，一种更为完 备合理、可操作性强的评定测量结果的方法便应运而生，那便是一一测量不确定 度。工业生产如此发达的今天，对测量的精度要求更是严格。要知道，在这个以 细节决定成败的时代，更精准的测量就意味着许多产品安全性的提高与成本的降 低。因此，本组组员在经过讨论之后，决定以测量不确定度中最为经典的部分一 一体积测量的不确定度来进行研究。利用LabVIEW编程软件，设计出一个可以简 便、快捷地计算一组物体体积不确定度的软件。5.2、不

21、确定度的概念测量不确定度的定义为：表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果 相联系的参数。不确定度的含义是指由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度。 反过来，也表明该结果的可信赖程度。它是测量结果质量的指标。不确定度愈小， 所述结果与被测量的真值愈接近，质量越高，水平越高，其使用价值越高；不确 定度越大，测量结果的质量越低，水平越低，其使用价值也越低。在报告物理量测量的结果时，必须给出相应的不确定度，一方面便于使用它 的人评定其可靠性，另一方面也增强了测量结果之间的可比性。5.3圆柱体测量不确定度的原理5.3.1、合成标准不确定度当测量结果是由若干个其他量的值求得时，按其他各量的方

22、差和协方差算得的标 准不确定度，称为合成标准不确定度。它是测量结果标准偏差的估计值，用符号Uc表示。气=声u 2 + 2 工 p u uiij i ji=1其中，Ui为第i个标准不确定度分量，m为不确定度分量的个数，pj为第i 和第j个标准不确定度分量之间的相关系数，气为合成标准不确定度合成标准不确定度仍然是标准偏差，它表征了测量结果的分散性。5.3.2、自由度计算总和中独立项个数，即总和的项数减去其中受约束的项数。由于不确定度是用标准差来表征，因此，不确定度的评定质量就取决于标准 差的可信赖程度。而标准差的信赖程度与自由度密切相关，自由度愈大，标准差 愈可信赖。所以，自由度的大小就直接反映了

23、不确定度的评定质量。对于不同计算标准差的方法，其自由度是不同的。对于A类不确定度来说v = n -1对于B类不确定度来说bU其中，b U为评定不确定度u的标准差，U为评定u的相对标准差合成标准不确定度的自由度称为有效自由度，一般用Veff来表示。V - u 4eff yn U 4Vi-1 i展伸不确定度在传统场合多用合成标准不确定度来表示测量结果的分散性，但在许多领域，常要求用扩展不确定度来表示。（1）扩展不确定度的两种表示方法合成标准不确定度乘以包含因子U - kuC给定的置信概率或置信水平pU - k u（2）包含因子的确定方法自由度法可取包含因子为kp -V eff其中，p为置信水平，常

24、取95%或99%。当Veff足够大时，k% - 2 k99 - 3超越系数法简易法5.4软件设计内容及演示5.4.1、软件内容基于labview的圆柱体体积测量不确定度的计算数据输入模块数据输入是软件的重要部分，而数据的输入在实际运用中有两种情况，一种 是在现场检测后直接输入软件进行评估，而另一种情况则是根据已有的测量数据，通过调用导入软件中进行评估，因此，该软件也对于两种情况设置了两 种数据输入方式。图5.1图5.3b、程序框图为了处理较多的数据，因此我们采用数据输入栏纵向排列，从而在有限的界面空间输入较多的数据。(2)调用数据方式 程序框图a、图5.4b、前面板显示图5.5不确定度计算模块(1)计算程序框图计算不确定度是整个程序的核心部分，程序通过手动以及自动方式把数据输入后，导入计算程序中，计