《虚拟仪器》实验指导书.docx
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《虚拟仪器》实验指导书
《虚拟仪器》实验指导书
电气与信息工程学院实验中心
前言
现代化技术的进步以计算机技术的进步为代表。
不断革新的计算机技术,从各个层面上影响着、引导着各行业的技术更新。
基于计算机技术的虚拟仪器系统技术正以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。
虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造,同时也影响了以数据采集为主的测控系统的传统构造方法的进化。
过去独立分散、互不相干的许多领域,在虚拟仪器系统的概念之下,正在逐渐靠拢、相互影响,并形成新的技术方法和技术规范。
虚拟仪器系统技术的基础是计算机系统,核心是软件技术。
因此,美国国家仪器公司提出其著名的口号:
软件就是仪器。
可以说,组建现代化测控系统的成败很大程度上取决于软件平台和工具以及相关硬件设备的选择。
《虚拟仪器》实验分为软件实验部分和硬件实验部分:
实验一至实验三为软件实验部分,主要学习图形化编程软件LabVIEW的原理及编程方法,按照实验内容和要求进行操作,循序渐进地掌握VI程序及子程序的创建和调用,编辑和调试,各种结构、图表、图形和数组的使用,以及字符串和文件I/O的操作,熟悉LabVIEW的各种函数以及菜单,选项的作用和功能。
实验四至实验十一为硬件实验部分,主要了解NIELVISII平台的使用方法,NIELVISII与全新驱动软件NIELVISmx配合使用更佳。
它具有更轻的重量、更好的控制布局、更多的接口、集成数据采集设备、及高速USB连接性。
我们可在NIELVISII开发板上创建真实电路,并用与设计调试同样的工具进行测试(软面板[SFP]仪器)。
本指导书可供我校自动化、通信工程及电子信息工程等专业的实验指导书,同时也可作为其他电气信息类和相近专业的实验参考书。
目录
实验一LabVIEW软件基本操作
(一)(验证性实验)4
实验二LabVIEW软件基本操作
(二)(设计性实验)9
实验三LabVIEW软件基本操作(三)(设计性实验)11
实验四NIELVISII平台工作环境(验证性实验)14
实验五电子温度计实验(设计性实验)21
实验六AC电路工具实验(验证性实验)23
实验七运放滤波器实验(设计性实验)30
实验八LED营救实验(设计性实验)35
实验九磁场传感器实验(设计性实验)37
实验十数字I/O实验(设计性实验)40
实验十一机械运动实验(综合性实验)43
实验一LabVIEW软件基本操作
(一)(验证性实验)
一、实验目的
1、了解LabVIEW的编程与运行环境;
2、掌握LabVIEW的基本操作方法,并编制简单的程序;
3、掌握使用调试工具调试VI程序;
4、掌握VI子程序的建立和调用过程。
二、实验原理
LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,实验室虚拟仪器集成环境)是一个高效的图形化程序设计环境,也是一个功能强大而又灵活地仪器和分析软件应用开发工具。
它结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言,提供了一个直觉式的环境,与测量紧密结合,能让工程师与科学家们迅速开发出有关数据采集、测量控制、数据分析、存储及显示的解决方案。
现今数以万计的工程师、科学家以及技术人员正在使用LabVIEW来构建测量与自动化系统。
安装LabVIEW软件,认识具体的安装步骤,注意安装细节和注册技巧。
LabVIEW的基本编程环境,包括启动界面,前面板,程序框图,图标/连线板、菜单、工具栏、三大操作选板(工具选板,控件选板,函数选板)等。
在编程环境中可以创建、调试和调用VI,完成虚拟仪器的设计。
三、实验仪器设备与器材
安装有LabVIEW软件的计算机
四、实验内容与步骤
1、LabVIEW的启动
启动LabVIEW8.20Express后,首先出现图1-1所示的对话框。
对话框各按钮的作用如下:
【New】——创建一个新的VI(VirtualInstrument)程序;
【Open】——打开一个已有的VI程序(单击右边的小箭头,弹出的下拉菜单中包含程序示例和最近10次使用的VI程序)。
【Help】——LabVIEW帮助。
【Configure】——设置NI的测量和控制工具,如DAQmax的设置。
图1-1LabVIEW8.20Express启动界面
选择BlankVI时,将出现一个未命名的前面板窗口。
前面板窗口是VI代码的接口,也是组成VI的两种LabVIEW窗口之一。
另一个窗口是框图窗口,其中包含了以图形方式(如图标、连线等)表示的程序代码。
2、虚拟仪器程序的创建
在进行LabVIEW设计中,我们始终需要牢记的是,VI程序具有三个要素:
前面板、框图程序和图标/连接器。
(1)前面板:
使用输入控制和输出显示来构成前面板。
控制是用户输入数据到程序的接口。
而显示是输出程序产生的数据接口。
控制和显示有许多种类,可以从控制模板的各个子模板中选取。
程序框图前面板
图1-2简单的程序框图和前面板
(2)框图程序:
框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。
节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。
端点是只有一路输入/输出,且方向固定的节点。
图框是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示。
如循环控制、条件分支控制和顺序控制等,编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方式。
连线是端口间的数据通道。
它们类似于普通程序中的变量。
数据是单向流动的,从源端口向一个或多个目的端口流动。
不同的线型代表不同的数据类型。
在彩显上,每种数据类型还以不同的颜色予以强调。
(3)从框图程序窗口创建前面板对象:
用选择和连线工具,可以用鼠标右键点击任一节点和端点,然后从弹出菜单中选择“创建常数”,“创建控制”,或“创建显示”等命令。
LabVIEW会自动地在被创建的端点与所点击对象之间接好连线。
图1-3从框图程序窗口创建前面板对象
3、调试VI程序
程序调试是进行任何程序设计过程中所必须的过程。
我们在程序设计过程中不可避免地会有各种逻辑上和语法上的错误,这些都需要通过程序调试找出来加以改正。
LabVIEW给我们提供了几种程序调试的方法,主要有以下几种。
(1)找出语法错误
如果一个VI程序存在语法错误,则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头,表示程序不能被执行。
这时这个按钮被称作错误列表。
点击它,则LabVIEW弹出错误清单窗口,点击其中任何一个所列出的错误,选用Find功能,则出错的对象或端口就会变成高亮。
(2)设置执行程序高亮
在LabVIEW的工具条上有一个画着灯泡的按钮,这个按钮叫做“高亮执行”按钮上。
点击这个按钮使该按钮图标变成高亮形式,再点击运行按钮,VI程序就以较慢的速度运行,没有被执行的代码灰色显示,执行后的代码高亮显示,并显示数据流线上的数据值。
这样,我们就可以在根据数据的流动状态跟踪程序的执行。
(3)断点与单步执行
为了查找程序中的逻辑错误,我们有时希望框图程序一个节点一个节点地执行。
使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行,用探针或者单步方式查看数据。
使用断点工具时,点击希望设置或者清除断点的地方。
断点的显示对于节点或者图框表示为红框,对于连线表示为红点。
当VI程序运行到断点被设置处,程序被暂停在将要执行的节点,以闪烁表示。
按下单步执行按钮,闪烁的节点被执行,下一个将要执行的节点变为闪烁,指示它将被执行。
我们也可以点击暂停按钮,这样程序将连续执行直到下一个断点。
(4)探针
可以用探针工具来查看当框图程序流经某一根连接线时的数据值。
从Tools工具模板选择探针工具,再用鼠标左建点击我们希望放置探针的连接线。
这时显示器上会出现一个探针显示窗口。
该窗口总是被显示在前面板窗口或框图窗口的上面。
在框图中使用选择工具或连线工具,在连线上点击鼠标右键,在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令,同样可以为该连线加上一个探针。
4、创建子程序
在LabVIEW中,每个VI程序都可以将其创建成子程序,以便其他程序调用。
创建如下:
(1)打开VI程序;
(2)创建接线端口。
接线端口是VI程序数据的输入/输出端口,创建过程如下:
右键单击前面板中右上角图标,从弹出的快捷菜单中选择ShowConnector选项。
此时前面板窗口右上角的图标由接线端口
取代,每个小矩形框代表一个连线的端口,这些端口用来将数据输入到VI程序中或将VI程序的数据输出。
LabVIEW将会根据控制器和指示器的数值选择一种连线端口模式。
本例中由3个端口:
两个数字控制器(Numeric1和Numeric2),一个数字指示器(Result)。
如果由必要,还可以在连线端口图标上单击右键,从弹出的快捷菜单中选择Patterns来改变连线端口模式。
默认状态时,输入端口(控制器端口)在连线端口方框左边,输出端口(指示器端口)在连线端口方框右边。
把连线端口分配给相应的控制器和指示器。
使用连线工具,在左边连线端口框内单击鼠标左键,则端口将会变黑,再单击控制器,一个闪烁的虚线框将包围住该控制器。
此时端口的颜色也会根据控制器的类型做相应的变换。
现在单击右边的连线端口,使它变黑,再点击相应的指示器,这样就创建了该指示器同相应端口的连接。
(3)保存此程序,以后我们就可以对其象子程序一样调用了。
(4)打开一个新的VI,在框图程序中选择Functions-AllFunctions-SelectaVI…,再选择上面我们保存的VI程序。
用连线工具可以看到它的连线端口,这样我们就可以创建相应的控制器和指示器。
例如:
创建一个VI,该VI功能:
输入3个参数后,求其和,再开方。
图1-4VI程序的创建
将上述VI创建成一个子VI,再编一个VI调用上述子VI。
图1-5子VI程序的创建与调用
五、实验结果与分析
1、实验VI程序前面板、程序框图;
2、子VI程序创建及调用截图。
六、实验总结与思考
1、熟悉LabVIEW8.20编程环境。
2、VI中的三个模块是什么?
简述其各自功能。
3、在前面板和框图程序中,如何区分控制器和指示器?
4、如何运行和停止程序的运行?
5、心得体会及其它。
实验二LabVIEW软件基本操作
(二)(设计性实验)
一、实验目的
1、熟悉VI的数据类型;
2、掌握顺序结构和循环结构(For循环、While循环)的编程;
3、学习并掌握如何创建、使用数组、簇函数的功能和应用,掌握它们的区别以及相应操作。
二、设计内容
1、编写一个温度监测器的VI程序。
2、利用顺序结构和循环结构写一个跑马灯程序。
3、编写一个利用簇模拟汽车控制的VI程序。
三、设计要求
1、数据操作:
编写一个温度监测器,要求当温度超过报警上限,而且开启报警时,报警灯点亮。
温度值可以由随机数发生器产生,如图2-1所示。
图2-1温度监测器
2、循环结构:
利用顺序结构和循环结构写一个跑马灯,要求5个灯从左到右不停的轮流点亮,闪烁间隔由滑动条调节,如图2-2所示。
图2-2跑马灯
3、字符串、数组、簇和矩阵:
利用簇模拟汽车控制,要求控制面板可以对显示面板中的参量进行控制,油门控制转速,转速=油门*100,档位控制时速,时速=档位*40,油量随VI运行时间减少,如图2-3所示。
图2-3模拟汽车控制
四、实验仪器设备与器材
安装有LabVIEW软件的计算机
五、实验结果与分析
1、实验VI程序前面板、程序框图;
2、温度监测器、跑马灯及利用簇模拟汽车控制截图。
六、实验总结与思考
1、VI的数据类型有哪些?
2、说明For循环与While循环的区别。
3、数组和矩阵有什么异同点?
4、心得体会及其它。
实验三LabVIEW软件基本操作(三)(设计性实验)
一、实验目的
1、学习并掌握图表和图形的使用,理解它们的区别;
2、掌握Express技术来快速简便地搭建专业的测试系统;
3、学习并掌握LabVIEW中的文件I/O操作。
二、设计内容
1、编写一个图形化显示数据的VI程序。
2、利用ExpressVI进行功率谱分析。
3、编写一个文件I/O操作的VI程序。
三、设计要求
1、图形化显示数据:
利用随机数发生器仿真一个0到5V的采样信号,每200ms采一个点,共采集50个点,采集完后一次性显示在WaveformGraph上。
另外在此基础上再增加1路电压信号采集,此路电压信号的范围为5到10V,采样间隔是50ms,共采100个点。
采样完成后,将两路采样信号显示在同一个WaveformGraph中,如图3-1所示。
图3-1图形化显示数据示例
2、ExpressVI快速搭建专业测试系统:
利用ExpressVI产生一个带白噪声的正弦信号,然后用功率谱分析ExpressVI对其进行功率谱分析,并将原信号与分析结果写入测量文件,如图3-2所示。
图3-2ExpressVI功率谱分析
3、文件I/O:
写一个测量程序,采集两路信号,每1s采集一次,要求每采集一次,就将采集结果写入文本文件尾部,即使重新运行程序,仍能保证数据添加到文件尾部,而不会覆盖原有数据。
格式为a保留4位小数,b为整数,如图3-3所示。
图3-3文件I/O操作示例
四、实验仪器设备与器材
安装有LabVIEW软件的计算机
五、实验结果与分析
1、实验VI程序前面板、程序框图;
2、上述三个实验结果截图。
六、实验总结与思考
1、总结Chart和Graph的使用区别。
2、什么是动态数据类型?
3、ExpressVis包括哪几部分?
4、LabVIEW支持哪些文件类型?
5、心得体会及其它。
实验四NIELVISII平台工作环境(验证性实验)
一、实验目的
1、了解NIELVISII平台工作环境;
2、熟悉软前面板(SFP)工具;
3、熟悉LabVIEW应用程序编程接口(API);
4、熟悉Multisim应用程序编程接口(API)。
二、实验原理
NIELVISII环境由以下几部分组成:
硬件工作区用于创建电路及接口实验NIELVISII软件(在NILabVIEW软件中实现),包括以下:
•软前面板(SFP)工具
•LabVIEW应用程序编程接口(API)
•Multisim应用程序编程接口(API)
通过API,用户可使用在Multisim内编写的LabVIEW程序及仿真程序实现NIELVISII工作站的自定义控制及访问。
三、实验仪器设备与器材
1、实验设备
安装有LabVIEW软件的计算机
2、所需要的元件
•1k电阻,R1,(棕,黑,红)
•2.2k电阻,R2,(红,红,红)
•1.0M电阻,R3,(棕,黑,绿)
•1F电容,C
•需用电阻-7.5k,1k,2k,4k及8k标称值
四、实验内容与步骤
1、量器件值
(1)使用提供的USB线将NIELVISII工作站与计算机连接。
USB一端连接于NIELVISII工作站,USB方口端与计算机相连。
打开计算机并启动NIELVISII(接通工作站背面的开关)。
USBACTIVE(橘色)LED显示ON。
稍等一会儿后,ACTIVATELED将显示OFF,USBREADY(橘色)LED显示ON。
(2)在计算机屏幕上点击NIELVISmx仪器启动图标,或点击快捷方式。
NIELVISII仪器条将在屏幕上显示。
现在您已经完成测量的准备了。
图4-1NIELVISmx仪器启动图标条
(3)用双头香蕉型接口连接数字万用表(DMM)输入及工作站左侧的[COM]端。
另一头连接一个电阻器。
(4)点击NIELVISmx仪器启动中的DMM图标,选择数字万用表。
图4-2数字万用表,欧姆计配置
您可以使用DMMSFP实现各类操作,如电压、电流、电阻、电容等的测量。
通过DMM[X]符号来表示X操作。
本次测量的正确连接方法显示在DMM前面板上。
(5)点击Ohm按钮[]来使用数字欧姆表功能,DMM[]。
点击绿色箭头[Run]来开始测量采集。
测量3个电阻R1,R2及R3。
将数据填写到下表:
R1_______(1.0k标称值)
R2_______(2.2k标称值)
R3_______(1.0M标称值)
如果要停止采集,可点击红色方形[Stop]按钮。
注释:
通过点击模式按钮,可将{自动量程}改为{指定量程},并通过点击量程按钮选择最适当的量程。
2、在NIELVISII开发板上创建分压电路
(1)使用R1和R2两个电阻在NIELVISII开发板上搭建以下电路。
图4-3分压电路
(2)将输入电压Vo连接至[+5V]引脚接口。
(3)将共地端连接至[GROUND]引脚接口。
(4)将外部线一端连至DMM电压输入[V]及NIELVIS工作站一侧的[COM],另一端连接2.2k电阻。
(5)检查电路后将上推电源开关至上端[–]使开发板上电。
3个电源LED指示灯,+15V、–15V及+5V此时应均呈绿色并点亮。
图4-4NIELVIS开发板上的电源LED指示灯
注释:
如果这些LED中的任何一个呈黄色,而其它为绿色,电源的可重置保险丝都将跳断。
此时需要关闭开发板电源以重置保险丝。
检查电路可能存在的短路情况。
重新给开发板上电。
此时LED将均呈绿色。
(6)将DMM[V]测试端连至Vo,并通过DMM[V]功能测量输入电压。
按下点击[Run]来采集电压数据。
V0(测量值)_______________
根据电路原理,R2上的输出电压V2应由以下公式得到:
(7)使用上面的测量值R1,R2及Vo来计算V2。
接下来,使用DMM[V]来测量电压V2的真实值。
V2(计算值)________________
V2(测量值)________________
(8)测量值与计算值是否匹配?
3、使用DMM测量电流
根据欧姆定律,以上电路的电流(I)等于V2/R2。
(1)使用V2及R2的测量值计算电流。
(2)将连接至[V]的外部连线连至电流输入端(A),进行电流的直接测量。
将另一端连至电路,如下所示。
图4-5测量电流的修改电路
(3)选择功能DMM[A],并测量电流。
I(计算值)________________
I(测量值)________________
(4)测量值与计算值是否匹配?
4、观察RC瞬态电路的电压变化
采用DMM[]功能来测量1µF的电容。
(1)将电容的导线连接到阻抗分析仪的输入端[DUT+]和[DUT–]上。
你可以在NIELVISII原型板的左下方接线块上找到这两个端口。
(2)要测量电容和电感,必须为原型板供电,需将原型板的电源切换为ON状态。
(3)单击电容按钮[],使用DMM[]功能来测量电容C。
按下Run按钮获取电容值。
(4)建立一个如下图所示的RC瞬态电路。
该电路中采用了分压电路,其中R1由R3(1M电阻)取代,而R2则由1µF的电容C取代。
将DMM的导线移至输入插孔[V]和[COM]。
其它两端则分别接到电容上。
图4-6RC瞬态电路
(5)选择DMM[V]并单击RUN。
(6)给电路上电后电容两端的电压指数将上升。
将DMM的电压范围设置为{指定范围}[10V]。
打开原型板的电源,观察数字显示器和%FS线性范围上的电压变化。
(7)大概几秒钟之后才能获得Vo的稳态值。
切断电路电源后,电容两端电压指数将下降到0V。
试试看吧!
5、可视化RC瞬态电路的电压
(1)移除+5V电源引线,并采用一根连接到可变电源插口[SUPPLY+]的导线来取代。
将输出电压VC连接到模拟输入插口[AI0+]和[AI0–],如下图所示。
图4-7NIELVISII原型板上的RC瞬态电路
关闭NIELVISII并启动LabVIEW。
在NIELVISII的程序库文件夹中,选择RCTransient.vi。
该程序采用LabVIEWAPI,将可变电源的电压调为+5V并持续5s,接着将VPS电压重新设置为0V并持续5s;与此同时,测量电容两端的电压,并在LabVIEW图表中实时显示该电压。
图4-9RC瞬态电路的充电和放电波形
这种方波激励可以非常明显地显示简单RC电路的充电和放电特性。
(2)看看LabVIEW方框图,来了解该程序是如何工作的。
图4-10RCTransient.vi程序的LabVIEW方框图
在该四帧序列的第一帧中,NIELVISmx可变电源虚拟仪器(VI)向NIELVISII原型板上的RC电路输出+5.00V电压。
第二帧以1/10秒为间隔、顺序读取50次电容两端的电压值。
在for循环中,DAQ助手以1000S/s的速率读取100个数据,并将这些值传送至一个簇阵列中(粗的蓝/白线)。
从该簇中将数据阵列(粗的橘色线)传送至MeanVI中,返回这100个读数的平均值。
然后,将该平均值通过一个本地的变量终端<
下一帧将VPS+电压设置为0V。
最后一帧则测量放电循环中的另外50个平均采样值。
该程序记录了RC电路的一个完整的充电和放电周期。
如果要重复该周期,可以将上述程序放入一个while循环中。
五、实验结果与分析
1、分析测量值与计算值是否匹配。
2、RC瞬态电路的充电和放电波形截图。
六、实验总结与思考
1、NIELVISII平台工作环境由哪几部分组成的。
2、如何使用NIELVISII工作站进行电器元件特性测量。
3、心得体会及其它。
实验五电子温度计实验(设计性实验)
一、实验目的
1、熟悉NIELVISII可变电源(VPS)的使用;
2、掌握虚拟控件的使用;
3、掌握使用LabVIEW的输入和显示控件,结合NIELVISIIAPI构建数字温度计。
二、设计内容(或设计任务)
编写数字温度计程序DigitalThermometer.vi激活VPS,为热敏电阻电路加电,之后读取热敏电阻两端的电压,将它转化为温度,并以多种格式将数值显示在前面板上。
三、设计要求(或设计指标与要求)
热敏电阻是用半导体材料制造的二线元件。
它具有非线性响应曲线和负温度系数。
热敏电阻为在宽动态范围内测量温度提供了理想的传感器,在温度报警电路中特别有用。
本实验首先熟悉使用NIELVISII可变电源(VPS),使用工作台上的面板控件或计算机屏幕上的虚拟控件进行使用,还可以将它嵌入到LabVIEW程序中。
VPS激励在分压电路中的10k热敏电阻。
热敏电阻两端测量到的电压与其电阻值相关,从而也就与温度相关。
最后通过使用LabVIEW的输入和显示控件,结合NIELVISAPI构建数字温度计。
图5-1数字温度计的LabVIEW前面板
图5-2数字温度计程序的程序框图
四、实验仪器设备与器材
1、实验设备
安装有LabVIEW软件的计算机
2、所需要的元件
•10k电阻R1(红色、黑色、橙色)
•10k热敏电阻RT
五、实验结果与分析
1、实验VI程序前面板、程序框图;
2、电子温度计程序截图。
六、实验总结与思考
1、测试热敏电阻的电阻-温度曲线。
2、
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