labview的課程設(shè)計(jì)---基于labview的交流參數(shù)測(cè)量虛擬儀器

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書</p><p>　　學(xué)院 專業(yè)</p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　課程設(shè)計(jì)題目： 基于LABVIEW的交流參數(shù)測(cè)量虛擬儀器 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求

2、：</p><p>　　計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。虛擬儀器以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。通過本課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生了解智能儀器的分類、組成、特點(diǎn)以及智能儀器的發(fā)展方向及新技術(shù)；掌握虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、人機(jī)對(duì)話接口技術(shù)以及典型數(shù)據(jù)處理算法。能夠熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行智能儀器的設(shè)計(jì)和開發(fā)</p><p>　　設(shè)計(jì)開始日期 2011年1月8

3、日 指導(dǎo)教師 </p><p>　　教研室主任 （簽字）</p><p>　　設(shè)計(jì)完成日期 2012 年1 月 13日 </p><p>　　院長（系主任） （簽字）</p><p>　　年 月 日</p><p><b>　

4、　目錄</b></p><p>　　一.labVIEW介紹 </p><p>　　二.交流參數(shù)測(cè)量虛擬儀器的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1課程的性質(zhì)、目的與任務(wù)及要求</p><p>　　2.2 儀器的基本要求</p><p>　　2.3 交流參數(shù)測(cè)量虛擬儀器的前面板</p><p&g

5、t;　　2.4 交流參數(shù)測(cè)量虛擬儀器的程序框圖</p><p><b>　　三.子VI的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1雙路正弦信號(hào)源</p><p>　　3.2濾波和諧波失真</p><p><b>　　3.3頻率測(cè)量</b></p><p>　　3.3.1 多周期

6、計(jì)數(shù)法</p><p>　　3.3.2 線性插值法</p><p><b>　　3.3.3三點(diǎn)法</b></p><p><b>　　3.4相位測(cè)量</b></p><p>　　3.4.1基于FFT的方法</p><p>　　3.4.2基于自相關(guān)的方法</p>

7、<p><b>　　3.5功率測(cè)量</b></p><p><b>　　四.設(shè)計(jì)小結(jié)</b></p><p><b>　　一 課程介紹</b></p><p>　　一、labVIEW介紹</p><p>　　LabVIEW(Laboratory Virtual In

8、strument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)是一個(gè)基于G（Graphic）語言的圖形編程開發(fā)環(huán)境，在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界中廣泛用作開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儀器控制軟件和分析軟件的標(biāo)準(zhǔn)語言，對(duì)于科學(xué)研究和工程應(yīng)用來說是很理想的語言。它含有種類豐富的函數(shù)庫，科學(xué)家和工程師們利用它可以方便靈活地搭建功能強(qiáng)大的測(cè)試系統(tǒng)。LabVIEW編程語言最主要的兩個(gè)特點(diǎn)是圖形化編程和數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)：</p><

9、p><b>　?。?）圖形化編程</b></p><p>　　LabVIEW與Visual C++、Visual Basic、LabWindows/CVI等編程語言不同，后幾種都是基于文本的語言，而LabVIEW則是使用圖形化程序設(shè)計(jì)語言G語言，用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼，編程的過程即是使用圖形符號(hào)表達(dá)程序行為的過程，源代碼不是文本而是框圖。一個(gè)VI有三個(gè)主要部分組

10、成：框圖、前面板和圖標(biāo)／連接器?？驁D是程序代碼的圖形表示。 </p><p>　　LabVIEW的框圖中使用了豐富的設(shè)備和模塊圖標(biāo)，與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常的相似。多樣化的圖標(biāo)和豐富的色彩也給用戶帶來不一樣的體驗(yàn)和樂趣。</p><p>　　前面板是VI的交互式用戶界面，外觀和功能都類似于傳統(tǒng)儀器面板，用戶的輸入數(shù)據(jù)通過前面板傳遞給框圖，計(jì)算

11、和分析結(jié)果也在前面板上以數(shù)字、圖形、表格等各種不同方式顯示出來。</p><p>　　圖標(biāo)是VI的圖形符號(hào)，連接器則用來定義輸入和輸出，每一個(gè)VI都有圖標(biāo)和連接器。用戶要做的工作就是恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置參數(shù)，并連接各個(gè)子VI。編程一般步驟就是使用鼠標(biāo)選取合適的模塊、連線和設(shè)置參數(shù)的過程，與煩瑣枯燥的文本編程相比更為簡單、生動(dòng)和直觀。 </p><p>　　如果將虛擬

12、儀器與傳統(tǒng)儀器作一類比，前面板就像是儀器的操作和顯示面板，提供各種參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)的顯示，框圖就像是儀器內(nèi)部的印刷電路板，是儀器的核心部分，對(duì)用戶來講是透明的，而圖標(biāo)和連接器可以比作電路板上的電子元器件和集成電路，保證了儀器正常的邏輯和運(yùn)算功能。</p><p><b>　?。?）數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)</b></p><p>　　宏觀上講，LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制已不再是傳統(tǒng)上

13、的馮·諾伊曼式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式了。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)語言（如C語言）中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在LabVIEW中被并行機(jī)制所代替。本質(zhì)上講它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式，程序中的每一個(gè)函數(shù)節(jié)點(diǎn)只有在獲得它的全部輸入數(shù)據(jù)后才能夠被執(zhí)行。既然LabVIEW程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的，數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)規(guī)定，一個(gè)目標(biāo)只有當(dāng)它的所有輸入有效時(shí)才能夠被執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出只有當(dāng)它的功能完全時(shí)才是有效的。于是LabVIEW中被連接的函數(shù)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流控

14、制著程序的執(zhí)行次序，而不像文本程序那樣受到行順序執(zhí)行的約束。我們可以通過相互連接函數(shù)節(jié)點(diǎn)簡潔高效地開發(fā)應(yīng)用程序，還可以有多個(gè)數(shù)據(jù)通道同步運(yùn)行，即所謂的多線程。</p><p>　　在LabVIEW中單擊加亮執(zhí)行（Highlight Execution）按鈕，即可以動(dòng)畫方式演示框圖的執(zhí)行過程，可以觀察到數(shù)據(jù)流流動(dòng)的方式，數(shù)據(jù)以有色小圓點(diǎn)表示，在各種不同顏色（代表不同數(shù)據(jù)類型）的連線上流動(dòng)。</p>&

15、lt;p>　　二.基于LABVIEW的交流參數(shù)測(cè)量虛擬儀器的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1課程的性質(zhì)、目的與任務(wù)及對(duì)先開課程的要求</p><p><b>　?。?）課程的性質(zhì)</b></p><p>　　《基于LABVIEW的交流參數(shù)測(cè)量虛擬儀器》是測(cè)控與儀器專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)《智能化測(cè)控系統(tǒng)》課程的基礎(chǔ)上，以LABVIEW為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，培

16、養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技術(shù)開展綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐的能力，增強(qiáng)學(xué)生靈活性和創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)一步使學(xué)生了解智能儀器的發(fā)展方向及新技術(shù)，熟悉虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，掌握虛擬儀器多種類型信號(hào)的數(shù)據(jù)采集方法以及信號(hào)分析和處理技術(shù)。</p><p><b>　?。?）目的與任務(wù)</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。虛擬儀器以通用的計(jì)算機(jī)

17、硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。通過本課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生了解智能儀器的分類、組成、特點(diǎn)以及智能儀器的發(fā)展方向及新技術(shù)；掌握虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、人機(jī)對(duì)話接口技術(shù)以及典型數(shù)據(jù)處理算法。能夠熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行智能儀器的設(shè)計(jì)和開發(fā)。</p><p>　?。?）對(duì)先開課程的要求</p><p>　　課程設(shè)計(jì)的先修課程包括《電路》、《模擬（數(shù)字）電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《信號(hào)分析與處理》等。<

18、;/p><p>　　2.2儀器的基本要求</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生在LABVIEW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)雙路正弦信號(hào)源，以此作為分析的電壓和電流仿真信號(hào)，完成各交流參數(shù)的測(cè)量。</p><p><b>　　具體要求：</b></p><p>　?。?）設(shè)計(jì)雙路正弦信號(hào)源，前面板中能夠設(shè)置信號(hào)的頻率、幅值和相位，以及噪

19、聲幅值，顯示信號(hào)曲線。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)程序框圖，實(shí)現(xiàn)交流參數(shù)的測(cè)量。 包括電壓和電流的有效值，相位、功率因數(shù)，有功/無功功率、諧波失真（THD）。</p><p>　?。?）選擇濾波器（低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、IIR濾波器、FIR濾波器等可選），顯示濾波后的電壓和電流信號(hào)；</p><p>　　（4）設(shè)計(jì)子VI，分別采用多周期計(jì)數(shù)法、線性

20、插值法和三點(diǎn)法三種方法測(cè)量電壓信號(hào)的頻率，計(jì)算三種方法的頻率測(cè)量的相對(duì)誤差。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)子VI，采用FFT方法測(cè)量電流信號(hào)的頻率和相位，計(jì)算相位測(cè)量的相對(duì)誤差。</p><p>　　（6）要求前面板的界面設(shè)計(jì)合理美觀，程序框圖層次清楚。</p><p>　　（7）完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，要求說明1－5環(huán)節(jié)中具體的實(shí)現(xiàn)的方法以及測(cè)量結(jié)果，包括設(shè)計(jì)的各個(gè)V

21、I的前面板和程序框圖。</p><p>　　2.3 交流參數(shù)測(cè)量虛擬儀器的前面板</p><p>　　2.4 交流參數(shù)測(cè)量虛擬儀器的程序框圖</p><p><b>　　三 子VI的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1雙路正弦信號(hào)源</p><p>　　3.1.1 雙路正弦信號(hào)源的介紹<

22、;/p><p>　　3.1.2 雙路正弦信號(hào)源的前面板</p><p>　　3.1.3 雙路正弦信號(hào)源的程序框圖</p><p>　　3.2濾波和諧波失真</p><p>　　為了決定一個(gè)系統(tǒng)引入非線性失真的大小，需要得到系統(tǒng)引入的諧波分量的幅值和基波的幅值的關(guān)系。</p><p>　　諧波失真是諧波分量的幅值和基波幅值的

23、相對(duì)量。假如基波的幅值是A1，而二次諧波的幅值是A2，三次諧波的幅值是A3，四次諧波的幅值是A4。。。。。。N 次諧波的幅值是AN，總的諧波失真（THD）為：</p><p>　　對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行完整的諧波分析，包括測(cè)定基波和諧波，返回基波頻率和所有的諧波幅度電平，以及總的諧波失真度（THD）。</p><p>　　最高諧波控制用于諧波分析的最高諧波，包括基頻。例如，對(duì)于三次諧波分析，將最高

24、諧波設(shè)為3，以測(cè)量基波、二次諧波和三次諧波</p><p><b>　　3.3頻率測(cè)量</b></p><p>　　3.3.1 多周期計(jì)數(shù)法</p><p><b>　　多周期計(jì)數(shù)法 </b></p><p>　　這是一種測(cè)量耗時(shí)短而頻率分辨率可很高的頻率測(cè)量法。多周期計(jì)數(shù)法動(dòng)用兩只計(jì)數(shù)器（C1、C

25、2）和一只高頻時(shí)基， 高頻時(shí)基頻率Fb為已知且保持恒定，常用頻率為2~10 MHz。其中C1用作閘門發(fā)生器（有 16 bit 字長即可）對(duì)待測(cè)信號(hào)向下計(jì)數(shù)。C1事先由系統(tǒng)預(yù)置一個(gè)數(shù) N，由待測(cè)信號(hào)來啟動(dòng)。而計(jì)數(shù)器C2 則用于對(duì)高頻時(shí)基Fb計(jì)數(shù)。一旦啟動(dòng)，兩計(jì)數(shù)器同時(shí)計(jì)數(shù)， C1對(duì)未知頻率往下計(jì)數(shù)， 而C2則對(duì)頻率較高的時(shí)基頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 當(dāng)C1計(jì)數(shù)由N達(dá)到回零，閘門關(guān)閉，兩計(jì)數(shù)器同時(shí)停止計(jì)數(shù)。這時(shí)，計(jì)數(shù)器C1記錄了完整的N個(gè)未知信號(hào)

26、周期，在此期間，計(jì)數(shù)器 C2 對(duì)時(shí)基的計(jì)數(shù)為 Nb。為防止C2溢出產(chǎn)生差錯(cuò)，C2應(yīng)長達(dá)22位或更高。令未知頻率為Fx，且時(shí)基頻率Fb為已知，則有：</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　由（3）式可得未知頻率：</p><p>　　而此時(shí)的頻率分辨率可以做到：</p><p>　　式中，T 為測(cè)

27、量時(shí)間寬度。因而壓力分辨率：</p><p>　　比較（2）式和（6）式，可見多周期計(jì)數(shù)法的分辨率要好得多，在同樣的采樣周期條件下，多周期計(jì)數(shù)法的分辨率較直接計(jì)數(shù)法高Fb/Fx倍。一般Fb約為 2~10 MHz左右，而 Fx只有 5~20 kHz，所以約高400倍。 如閘門時(shí)間為0.5 s左右， Fb=2 MHz，則頻率分辨率可達(dá) 0.005 Hz，壓力分辨率可以達(dá)到41.4 Pa，即相當(dāng)于0.5 cm水柱高的壓

28、力。常設(shè)采集周期數(shù)N為1024或2048， 若被測(cè)頻率約為10 kHz，這時(shí)頻率分辨率可達(dá) 0.002 Hz，而采樣時(shí)間只有 0.2 s左右。</p><p>　　(1) 多周期計(jì)數(shù)法的前面板</p><p>　　(2) 多周期計(jì)數(shù)法的程序框圖</p><p>　　3.3.2 線性插值法</p><p>　　線性插值是數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域

29、廣泛使用的一種簡單插值方法。 </p><p>　　假設(shè)我們已知坐標(biāo)(x0,y0)與(x1,y1),要得到[x0,x1]區(qū)間內(nèi)某一位置x在直線上的值。 </p><p>　　根據(jù)圖中所示，我們得到（y-y0）(x1-x0)=(y1-y0)(x-x0) </p><p>　　假設(shè)方程兩邊的值為α，那么這個(gè)值就是插值系數(shù)—從x0到x的距離與從x0到x1距離的比值。由于x

30、值已知，所以可以從公式得到α的值 </p><p>　　α=(x-x0)/(x1-x0) </p><p>　　同樣，α=(y-y0)/(y1-y0) </p><p>　　這樣，在代數(shù)上就可以表示成為： </p><p>　　y = (1- α)y0 + αy1 </p><p><b>　　或者， <

31、;/b></p><p>　　y = y0 + α(y1 - y0) </p><p>　　這樣通過α就可以直接得到 y。實(shí)際上，即使x不在x0到x1之間并且α也不是介于0到1之間，這個(gè)公式也是成立的。在這種情況下，這種方法叫作線性外插—參見 外插值。 </p><p>　　已知y求x的過程與以上過程相同，只是x與y要進(jìn)行交換。 </p><

32、;p>　　雙線性插值，又稱為雙線性內(nèi)插。在數(shù)學(xué)上，雙線性插值是有兩個(gè)變量的插值函數(shù)的線性插值擴(kuò)展，其核心思想是在兩個(gè)方向分別進(jìn)行一次線性插值。 假如我們想得到未知函數(shù) f 在點(diǎn) P = (x, y) 的值，假設(shè)我們已知函數(shù) f 在 Q11 = (x1, y1)、Q12 = (x1, y2), Q21 = (x2, y1) 以及 Q22 = (x2, y2) 四個(gè)點(diǎn)的值。首先在 x 方向進(jìn)行線性插值，然后在 y 方向進(jìn)行線性插值。與

33、這種插值方法名稱不同的是，這種插值方法并不是線性的，而是是兩個(gè)線性函數(shù)的乘積。線性插值的結(jié)果與插值的順序無關(guān)。首先進(jìn)行 y 方向的插值，然后進(jìn)行 x 方向的插值，所得到的結(jié)果是一樣的。</p><p>　?。?）線性插值法的前面板</p><p>　?。?）線性插值法的前面板程序框圖</p><p><b>　　3.3.3三點(diǎn)法</b><

34、/p><p>　?。?）三點(diǎn)法的前面板</p><p>　?。?）三點(diǎn)法的程序框圖</p><p><b>　　3.4相位測(cè)量</b></p><p>　　3.4.1基于FFT的方法</p><p>　?。?）FFT的方法的前面板</p><p>　?。?）FFT的方法的程序框

35、圖</p><p>　　3.4.2基于自相關(guān)的方法</p><p>　?。?）自相關(guān)的方法的前面板</p><p>　?。?）自相關(guān)的方法的程序框圖</p><p><b>　　3.5功率測(cè)量</b></p><p>　　3.5.1功率測(cè)量的前面板</p><p>　　3.

36、5.2功率測(cè)量的程序框圖</p><p><b>　　四.設(shè)計(jì)小結(jié)</b></p><p>　　這次虛擬儀器課程設(shè)計(jì)的題目是實(shí)現(xiàn)基于LabVIEW交流參數(shù)測(cè)量虛擬儀器的設(shè)計(jì)。此次課程設(shè)計(jì)是我在繼課堂學(xué)習(xí)書本上的虛擬儀器知識(shí)后，再一次并且更加深入的了解到虛擬儀器的基本使用方法和運(yùn)用原理，檢測(cè)我們學(xué)習(xí)成果的綜合性應(yīng)用能力，它不僅要求我們有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐操作能力，

37、更要求我們有嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。通過自己的動(dòng)手和思考，感覺獲益良多。在設(shè)計(jì)中我就更切身體會(huì)到虛擬儀器這種儀器的高效、開放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)。 </p><p>　　這次實(shí)驗(yàn)讓我明白了虛擬儀器這門課程的重要性?？傊?，虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，及其在測(cè)控領(lǐng)域中的應(yīng)用，是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)控方式的一場(chǎng)革命。應(yīng)用LabVIEW作為虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，為開發(fā)高性能的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)提供了極

38、大的便利。測(cè)控方式的網(wǎng)絡(luò)化，是未來測(cè)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，通過建立分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)，能夠充分利用現(xiàn)有資源和網(wǎng)絡(luò)帶來的種種優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)各種資源最有效合理的配置。應(yīng)用分布網(wǎng)絡(luò)測(cè)控，可以進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，多點(diǎn)分析處理。這樣既可以充分發(fā)揮服務(wù)器控制測(cè)試儀器的接口能力，又能發(fā)揮客戶機(jī)數(shù)據(jù)處理能力，而且便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。遠(yuǎn)程虛擬儀器可以使信息的采集、傳輸和處理一體化，使許多昂貴的測(cè)試設(shè)備得以共享。尤其是運(yùn)用在遠(yuǎn)程教育上更能發(fā)揮出更高的性價(jià)比。</p