labview的課程設計---基于labview的交流參數(shù)測量虛擬儀器

1、<p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p>　　學院 專業(yè)</p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　課程設計題目： 基于LABVIEW的交流參數(shù)測量虛擬儀器 </p><p>　　課程設計內(nèi)容與要求

2、：</p><p>　　計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。虛擬儀器以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。通過本課程設計，使學生了解智能儀器的分類、組成、特點以及智能儀器的發(fā)展方向及新技術；掌握虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集技術、人機對話接口技術以及典型數(shù)據(jù)處理算法。能夠熟練運用所學知識進行智能儀器的設計和開發(fā)</p><p>　　設計開始日期 2011年1月8

3、日 指導教師 </p><p>　　教研室主任 （簽字）</p><p>　　設計完成日期 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)測量虛擬儀器的設計</p><p>　　2.1課程的性質(zhì)、目的與任務及要求</p><p>　　2.2 儀器的基本要求</p><p>　　2.3 交流參數(shù)測量虛擬儀器的前面板</p><p&g

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

6、計數(shù)法</p><p>　　3.3.2 線性插值法</p><p><b>　　3.3.3三點法</b></p><p><b>　　3.4相位測量</b></p><p>　　3.4.1基于FFT的方法</p><p>　　3.4.2基于自相關的方法</p>

7、<p><b>　　3.5功率測量</b></p><p><b>　　四.設計小結(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，實驗室虛擬儀器集成環(huán)境)是一個基于G（Graphic）語言的圖形編程開發(fā)環(huán)境，在工業(yè)界和學術界中廣泛用作開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儀器控制軟件和分析軟件的標準語言，對于科學研究和工程應用來說是很理想的語言。它含有種類豐富的函數(shù)庫，科學家和工程師們利用它可以方便靈活地搭建功能強大的測試系統(tǒng)。LabVIEW編程語言最主要的兩個特點是圖形化編程和數(shù)據(jù)流驅(qū)動：</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計語言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表達程序行為的過程，源代碼不是文本而是框圖。一個VI有三個主要部分組

10、成：框圖、前面板和圖標／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備和模塊圖標，與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，這使得編程過程和思維過程非常的相似。多樣化的圖標和豐富的色彩也給用戶帶來不一樣的體驗和樂趣。</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>　　圖標是VI的圖形符號，連接器則用來定義輸入和輸出，每一個VI都有圖標和連接器。用戶要做的工作就是恰當?shù)卦O置參數(shù)，并連接各個子VI。編程一般步驟就是使用鼠標選取合適的模塊、連線和設置參數(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，對用戶來講是透明的，而圖標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算功能。</p><p><b>　　（2）數(shù)據(jù)流驅(qū)動</b></p><p>　　宏觀上講，LabVIEW的運行機制已不再是傳統(tǒng)上

13、的馮·諾伊曼式計算機體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式了。傳統(tǒng)計算機語言（如C語言）中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在LabVIEW中被并行機制所代替。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，程序中的每一個函數(shù)節(jié)點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)動的，數(shù)據(jù)流程序設計規(guī)定，一個目標只有當它的所有輸入有效時才能夠被執(zhí)行；而目標的輸出只有當它的功能完全時才是有效的。于是LabVIEW中被連接的函數(shù)節(jié)點之間的數(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)點簡潔高效地開發(fā)應用程序，還可以有多個數(shù)據(jù)通道同步運行，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)流流動的方式，數(shù)據(jù)以有色小圓點表示，在各種不同顏色（代表不同數(shù)據(jù)類型）的連線上流動。</p>&

15、lt;p>　　二.基于LABVIEW的交流參數(shù)測量虛擬儀器的設計</p><p>　　2.1課程的性質(zhì)、目的與任務及對先開課程的要求</p><p><b>　?。?）課程的性質(zhì)</b></p><p>　　《基于LABVIEW的交流參數(shù)測量虛擬儀器》是測控與儀器專業(yè)學生在學習《智能化測控系統(tǒng)》課程的基礎上，以LABVIEW為實驗平臺，培

16、養(yǎng)學生運用所學知識與技術開展綜合設計和創(chuàng)新實踐的能力，增強學生靈活性和創(chuàng)新意識，進一步使學生了解智能儀器的發(fā)展方向及新技術，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的數(shù)據(jù)采集方法以及信號分析和處理技術。</p><p><b>　?。?）目的與任務</b></p><p>　　計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。虛擬儀器以通用的計算機

17、硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。通過本課程設計，使學生了解智能儀器的分類、組成、特點以及智能儀器的發(fā)展方向及新技術；掌握虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集技術、人機對話接口技術以及典型數(shù)據(jù)處理算法。能夠熟練運用所學知識進行智能儀器的設計和開發(fā)。</p><p>　　（3）對先開課程的要求</p><p>　　課程設計的先修課程包括《電路》、《模擬（數(shù)字）電子技術基礎》、《信號分析與處理》等。<

18、;/p><p>　　2.2儀器的基本要求</p><p>　　本課程設計要求學生在LABVIEW實驗平臺上，設計雙路正弦信號源，以此作為分析的電壓和電流仿真信號，完成各交流參數(shù)的測量。</p><p><b>　　具體要求：</b></p><p>　?。?）設計雙路正弦信號源，前面板中能夠設置信號的頻率、幅值和相位，以及噪

19、聲幅值，顯示信號曲線。</p><p>　?。?）設計程序框圖，實現(xiàn)交流參數(shù)的測量。 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；</p><p>　?。?）設計子VI，分別采用多周期計數(shù)法、線性

20、插值法和三點法三種方法測量電壓信號的頻率，計算三種方法的頻率測量的相對誤差。</p><p>　?。?）設計子VI，采用FFT方法測量電流信號的頻率和相位，計算相位測量的相對誤差。</p><p>　　（6）要求前面板的界面設計合理美觀，程序框圖層次清楚。</p><p>　?。?）完成課程設計報告，要求說明1－5環(huán)節(jié)中具體的實現(xiàn)的方法以及測量結(jié)果，包括設計的各個V

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

22、;/p><p>　　3.1.2 雙路正弦信號源的前面板</p><p>　　3.1.3 雙路正弦信號源的程序框圖</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系。</p><p>　　諧波失真是諧波分量的幅值和基波幅值的

23、相對量。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>　　對輸入信號進行完整的諧波分析，包括測定基波和諧波，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，對于三次諧波分析，將最高

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

25、2）和一只高頻時基， 高頻時基頻率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）對待測信號向下計數(shù)。C1事先由系統(tǒng)預置一個數(shù) N，由待測信號來啟動。而計數(shù)器C2 則用于對高頻時基Fb計數(shù)。一旦啟動，兩計數(shù)器同時計數(shù)， C1對未知頻率往下計數(shù)， 而C2則對頻率較高的時基頻率信號進行計數(shù)。 當C1計數(shù)由N達到回零，閘門關閉，兩計數(shù)器同時停止計數(shù)。這時，計數(shù)器C1記錄了完整的N個未知信號

26、周期，在此期間，計數(shù)器 C2 對時基的計數(shù)為 Nb。為防止C2溢出產(chǎn)生差錯，C2應長達22位或更高。令未知頻率為Fx，且時基頻率Fb為已知，則有：</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　由（3）式可得未知頻率：</p><p>　　而此時的頻率分辨率可以做到：</p><p>　　式中，T 為測

27、量時間寬度。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，多周期計數(shù)法的分辨率較直接計數(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。 如閘門時間為0.5 s左右， Fb=2 MHz，則頻率分辨率可達 0.005 Hz，壓力分辨率可以達到41.4 Pa，即相當于0.5 cm水柱高的壓

28、力。常設采集周期數(shù)N為1024或2048， 若被測頻率約為10 kHz，這時頻率分辨率可達 0.002 Hz，而采樣時間只有 0.2 s左右。</p><p>　　(1) 多周期計數(shù)法的前面板</p><p>　　(2) 多周期計數(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、計算機圖形學等領域

29、廣泛使用的一種簡單插值方法。 </p><p>　　假設我們已知坐標(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>　　假設方程兩邊的值為α，那么這個值就是插值系數(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要進行交換。 </p><

32、;p>　　雙線性插值，又稱為雙線性內(nèi)插。在數(shù)學上，雙線性插值是有兩個變量的插值函數(shù)的線性插值擴展，其核心思想是在兩個方向分別進行一次線性插值。 假如我們想得到未知函數(shù) f 在點 P = (x, y) 的值，假設我們已知函數(shù) f 在 Q11 = (x1, y1)、Q12 = (x1, y2), Q21 = (x2, y1) 以及 Q22 = (x2, y2) 四個點的值。首先在 x 方向進行線性插值，然后在 y 方向進行線性插值。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，而是是兩個線性函數(shù)的乘積。線性插值的結(jié)果與插值的順序無關。首先進行 y 方向的插值，然后進行 x 方向的插值，所得到的結(jié)果是一樣的。</p><p>　　（1）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>　　3.3.3三點法</b><

34、/p><p>　?。?）三點法的前面板</p><p>　　（2）三點法的程序框圖</p><p><b>　　3.4相位測量</b></p><p>　　3.4.1基于FFT的方法</p><p>　?。?）FFT的方法的前面板</p><p>　　（2）FFT的方法的程序框

35、圖</p><p>　　3.4.2基于自相關的方法</p><p>　　（1）自相關的方法的前面板</p><p>　?。?）自相關的方法的程序框圖</p><p><b>　　3.5功率測量</b></p><p>　　3.5.1功率測量的前面板</p><p>　　3.

36、5.2功率測量的程序框圖</p><p><b>　　四.設計小結(jié)</b></p><p>　　這次虛擬儀器課程設計的題目是實現(xiàn)基于LabVIEW交流參數(shù)測量虛擬儀器的設計。此次課程設計是我在繼課堂學習書本上的虛擬儀器知識后，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用原理，檢測我們學習成果的綜合性應用能力，它不僅要求我們有扎實的專業(yè)理論知識和實踐操作能力，

37、更要求我們有嚴謹治學、團結(jié)協(xié)作的精神。通過自己的動手和思考，感覺獲益良多。在設計中我就更切身體會到虛擬儀器這種儀器的高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點。 </p><p>　　這次實驗讓我明白了虛擬儀器這門課程的重要性?？傊摂M儀器技術與網(wǎng)絡技術的結(jié)合，及其在測控領域中的應用，是對傳統(tǒng)測控方式的一場革命。應用LabVIEW作為虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，為開發(fā)高性能的計算機測控系統(tǒng)提供了極

38、大的便利。測控方式的網(wǎng)絡化，是未來測控技術發(fā)展的必然趨勢，通過建立分布式網(wǎng)絡測控系統(tǒng)，能夠充分利用現(xiàn)有資源和網(wǎng)絡帶來的種種優(yōu)勢，實現(xiàn)各種資源最有效合理的配置。應用分布網(wǎng)絡測控，可以進行多點測量，多點分析處理。這樣既可以充分發(fā)揮服務器控制測試儀器的接口能力，又能發(fā)揮客戶機數(shù)據(jù)處理能力，而且便于系統(tǒng)的擴展。遠程虛擬儀器可以使信息的采集、傳輸和處理一體化，使許多昂貴的測試設備得以共享。尤其是運用在遠程教育上更能發(fā)揮出更高的性價比。</p