虛擬儀器課程設計

1、湖 南 科 技 大 學課 程 設 計課程設計名稱： 虛擬儀器課程設計 學 生 姓 名： 黃 俊 學 院： 機電工程學院 專業(yè)及班級 ： 測控技術與儀器一班 學 號： 1203030120 指 導 教 師： 毛征宇 郭迎福 年 月 日課程設計任務書1、設計目的： 在學習和了解虛擬儀器及總線技術與LabVIEW開發(fā)平臺的基本原理和方法的基礎上，使學生理論與實踐相結合，深入了解虛擬儀器技術及LabVIEW編程技術在工程常見領域的測量與分析的應用，提高學生將虛擬儀器、測試技術和電子、機械、通訊等多學科的綜合應用能力和實際動手能力。2、學生提交設計期限： 在本學期2015年12月14日至2015年12月

2、25日完成，設計必須學生本人交指導老師評閱，指導教師將組織部分學生答辯。3、本設計參考材料： LabVIEW2010基礎教程基于LabVIEW的虛擬儀器設計虛擬儀器 虛擬儀器技術分析與應用 測試技術4、設計題目的選定： 參考設計題目附后頁，必須選二題（一般信號分析的虛擬儀器設計和工程測試實驗教學虛擬儀器各一題）。5、設計要求：1、 查閱相關資料；2、 提出整體系統(tǒng)設計方案；3、 詳細設計虛擬儀器各部分的原理、組成及具體實現(xiàn)過程；4、 說明前面板控件布置、流程圖（節(jié)點和圖框）編輯和數(shù)據(jù)流實現(xiàn)方法；5、 運行檢測（仿真檢測和實測檢測。）6、設計成果及處理說明書主要章節(jié)：1.設計成果（包括說明書、前

3、面板窗口設計和程序代碼編輯及其程序軟件）；2 設計說明書格式及主要章節(jié)：a. 封面（參照學院規(guī)定標準）；b. 設計任務書（包括選定設計題目與要求）；c. 目錄d. 說明書正文；（主要章節(jié)包括：系統(tǒng)總體方案分析及確定；虛擬儀器設計步驟詳細介紹；程序調試運行與結果分析等）e. 設計總結及體會；f. 參考文獻7、設計所得學分及成績評定：本設計單獨算學分及成績：占2個學分?？己伺c評分主要分四個方面：1 學生平時出勤及工作態(tài)度；2 虛擬儀器設計正確性及前面板布置實用、美觀程度；3 說明書、軟件編寫規(guī)范、調試分析結果及獨立工作能力；4 答辯成績。8、設計進度與答疑：1、 確定設計題目及查閱資料，并確定方案

4、：12.1412. 15日； 2、 虛擬儀器設計及編程 12.1612.21日；3、 運行調試檢測與修改，撰寫課程設計報告：12.2212.25日；4、 提交設計報告，學生答辯：12.2612.28日。 學生簽名： 指導老師簽名： 學 號： 日 期： 日 期： 目 錄第一章 虛擬調制解調器4 1. 方案確定4 1.1 開發(fā)平臺4 1.2 調制解調器4 1.3 調制解調器的作用4 1.4 調制解調器的工作原理5 2. 調制解調原理5 2.1 調幅波的數(shù)學表達以及特性5 2.2 調幅波的解調6 3. 設計步驟7 3.1 程序總體設計7 3.2 前面板設計8 3.3 程序設計8 4. 運行檢驗9第2

5、章 應變測試虛擬儀器10 1. 方案確定10 2. 應變測試10 2.1 應變測量的特點10 2.2 應變測量儀器的種類10 2.3 應變測試原理11 3. 設計步驟14 3.1 應變測試前面板14 3.2 壓力測試前面板15 4. 程序設計16 4.1 應變測試程序圖16 4.2 程序圖中主要節(jié)點17 4.3 壓力測量程序框圖17 5. 程序運行與結果分析18 5.1 應變測試與調試結果分析18 5.2壓力測試與結果分析18 總結20 參考文獻20第一章、虛擬調制解調器 1. 方案確定 1.1 開發(fā)平臺 在虛擬儀器系統(tǒng)中，信號的獲取與采集是由計算機為核心的硬件平臺來完成的。在此硬件的基礎上，

6、調用測試軟件賴完成某種功能的測試任務，便可構成該種功能的虛擬測量儀器。在同一個硬件平臺上，調用不同的測試軟件就可以構成不同的測試軟件。如對采集的數(shù)據(jù)局通過測試軟件進行標定和數(shù)據(jù)點的顯示就構成了一臺數(shù)字示波器；如對采集的數(shù)據(jù)利用軟件進行FFT變換，就構成了一臺頻譜分析儀在這里我們就使用LabVIEW,對一個發(fā)生信號和一個載波信號，通過波特沃斯低通濾波器對兩個信號進行處理，以及之后使用兩個示波器對兩個信號進行分別的顯示。1.2 調制解調器 調制解調器，是計算機與電話線之間進行信號轉換的裝置，由調制器和解調器兩部分組成，調制器是把計算機的數(shù)字信號調制成可在電話線上傳輸?shù)穆曇粜盘柕难b置，在接收端，解調

7、器再把聲音信號轉換成計算機能接收的數(shù)字信好。通過解調器和電話線就可以實現(xiàn)計算機之間的數(shù)字通信。 1.3 調制解調器的作用 調制解調器是調制器解調器的簡稱。它安裝在電腦和電話之間，使電腦可以通過電話線與另一臺電腦進行信息交換。電話系統(tǒng)的主要功能是傳輸聲音信號。由于電話線分布很廣，為電腦之間的連接提供了條件，也為人們連入互聯(lián)網(wǎng)提供了方便。電話線路是傳輸聲音信號的，而電腦發(fā)送的是數(shù)字信號，要使數(shù)字信號能夠通過電話線路傳輸，必須使用解調器。調制是將數(shù)字信號與音頻載波組合，產生適用于電話線上傳輸?shù)囊纛l信號（模擬信號），解調是從音頻信號中恢復出數(shù)字信號。調制解調器從電腦接收到數(shù)字信號后，將它們轉換成聲音信

8、號，然后通過電話系統(tǒng)傳輸出去；在接收端，另一個調制解調器將這些聲音信號轉換成數(shù)字信號，即進行解調，再發(fā)送給電腦。這樣，通過電話線就把兩臺電腦連接起來了。它是為數(shù)據(jù)通信的數(shù)字信號在具有有線寬帶的模擬信道上進行遠距離傳輸而設計的，一般由基帶處理、調制解調、信號放大和濾波、均衡等部分組成。 1.4 調制解調器的工作原理調制解調器由發(fā)送、接收、控制、接口、操縱面板及電源等部分組成。數(shù)據(jù)終端設備以二進制串行信號形式提供發(fā)送的數(shù)據(jù)，經接口轉換為內部邏輯電平送入發(fā)送部分，經調制電路調制成線路要求的信號向線路發(fā)送。接收部分接受來自線路的信號，經濾波、反調制、電平轉換后還原成珊瑚籽信號送入數(shù)字終端設備。電話線可

9、以使通信的雙方在相距幾千公里的地方相互通話，是由于每隔一定距離都設有中繼放大設備，保證話音清晰。在這些設備上若再配置調制解調器，則能通電弧的地方就可以傳輸數(shù)據(jù)。調制解調器一般有三種工作方式：掛機方式、通話方式、聯(lián)機方式。電話線未接通是掛機方式；雙方通過電話進行通話是通話方式；調制解調器已聯(lián)通，進行數(shù)據(jù)傳輸是聯(lián)機方式。 2. 調制解調原理 2.1 調幅波的數(shù)學表達式及其特性 （1-2-1） 上式中， 是常量； 高頻載波角頻率； 低頻還變信號，其上限角頻率為 該式就是調幅波的一般數(shù)學表達式，它反映了低頻緩變信號對一高頻（）振蕩信號（）的控制。通常。 一般將控制高頻信號的緩變信號稱為調制信號，載送緩

10、變信號的高頻（）振蕩信號稱為載波。利用信號來控制或改變高頻振蕩的幅值稱為調制過程。如下圖： 乘法器 F(t) U(t) Z(t) 圖1.1 調制原理框圖 2.2 調幅波的解調調幅波的幅值反映調制信號熟知的變化，在調制器之后加解調器，可將被測的調制信號與調幅波分離，并最后提取出來。解調器由乘法器和低通濾波器組成，其原理框圖如下圖所示： 乘 法 器 低 通 濾 波 器 圖1.2 解調原理框圖 解調器中的乘法器有兩個輸入信號，一個是待解調的調幅波u(t): （1-2-2） 式中，E比例常數(shù)。 乘法器的另一個輸入信號成為參考信號，它應是與載波頻率相同的高頻信號，考慮到實際情況，載波信號會有一個相位差，

11、則為： （1-2-3） 于是，乘法器輸出y(t)為： （1-2-4） 當乘法器后接的低通濾波器的截止頻率遠遠小于頻率，并大于信號在z（t）的最高頻率時，式中的頻率分量項將被低通濾波器大大衰減，而只有差頻信號輸出，于是解調器的輸出f(t)為： （1-2-5） 式中，為比例常量，可由實驗標定得出。3. 設計步驟3.1 程序總體設計 程序整體設計分為前面板設計和程序設計，流程如下：開始初始化前面板設計程序框圖設計否運行前面板波形顯示是否正確是退出數(shù)據(jù)保存圖1.3 程序流程圖 3.2 前面板設計 在前面設計版面添加九個輸入型數(shù)字控件，供使用者輸入采樣頻率、采樣點數(shù)、高頻信號頻率、低頻信號頻率等。 添加

12、兩個輸出顯示型控件，兩個輸出顯示型控件分別代表調制波和解調波。執(zhí)行新式圖形波形圖操作，調入圖形控件，橫軸為時間，縱軸為幅值。 前面板設計如下圖1.4所示：圖1.4 虛擬調制解調器前面板設計圖3.3 程序設計 在設計虛擬正弦波信號發(fā)生器的流程圖基礎上再增加一個正弦波發(fā)生器圖標，即執(zhí)行信號處理信號生成正弦波，就可以加入正弦波發(fā)生器圖標。另外執(zhí)行函數(shù)信號處理濾波器Butterworth濾波器，就調入了巴特沃斯濾波器的圖標。連線組成完整流程圖，如下圖1.5所示：圖1.5 虛擬調制解調器程序圖設計4. 運行檢驗 運行程序，對程序當中設計的數(shù)據(jù)進行修改，是程序前面板上能夠清楚地表達出設計結果。設置低頻調制

13、信號的頻率為1Hz，幅值為1V，初始相位00；設置載波高頻信號的頻率為1OHz，幅值為1V，初始相位00 ；設置巴特沃斯濾波器的低截止頻率為2Hz ； 設置對調制和載波信號的采樣率均為50Hz，采樣點數(shù)均為200點。所得結果如下圖1,6所示：圖1.6 程序運行結果示意圖第2章 應變測試虛擬儀器設計1. 方案確定 為實現(xiàn)多個信號之間的相互切換，需要有一個發(fā)生器能產生多種波形，并能實現(xiàn)各個輸入?yún)?shù)的即時改變，實現(xiàn)信號的同事顯示，設計一個虛擬仿真信號發(fā)生器是一種很好地方法。應變測試技術是機械工程中應用最廣泛的技術一一，傳統(tǒng)的應變測試技術已經不能夠適應現(xiàn)代測試技術發(fā)展的需要。虛擬儀器技術以計算機我為核

14、心，是目前測試技術的發(fā)展方向。現(xiàn)參考傳統(tǒng)的應變測試流程，設計軟件系統(tǒng)的執(zhí)行流程，從底層開發(fā)了完成基本測試與控制功能的模塊：初始化參數(shù)、調平衡、濾波、應力及載荷的顯示、系統(tǒng)的靜態(tài)標定等。最后再利用測試系統(tǒng)進行測試。現(xiàn)代計算機的虛擬儀器技術具有以下的特點：軟件是核心、靈活性和可擴展性、性價比高、人機界面良好、能和其他設備進行互聯(lián)。因此虛擬儀器可以取代傳統(tǒng)的一起，在重組一起的功能和技術性能方面具有經濟新和靈活性，因而比較適合當代科學技術迅速發(fā)展和科學研究不斷深化所提出的更高更新的測試測量需求。2. 應變測試原理 2.1 應變測量的特點 應變測量是眼界機械結構和機械強度問題的一種重要手段。目前測定構建

15、應變測量的方法主要有電阻應變測量、光測彈性力學、脆性涂層法、云紋方法等。在各種應變測量方法中，電阻應變測量法師實驗應力分析中運用最廣的一種方法。 2.2 應變測量儀器的種類 應變測量儀器的種類很多，分類的方法也很多，按照測量儀器的工作頻率范圍以及測量對象的頻帶，主要分為六種：靜態(tài)應變儀、數(shù)字靜態(tài)應變儀、靜動態(tài)應變儀、動態(tài)應變儀、超動態(tài)應變儀、應變測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 2.3 應變測試原理 應變測量時一種有效的測試和轉換技術，用于多種物理量的檢測與計量。在各種應變測量的方法中，電阻應變測量方法是實驗應力分析中應用最廣泛的的一種方法。 應變測試是研究構件應力狀態(tài)的重要手段，通過應變測試還可以了解構建

16、的變形；應變測試的方法也可以推廣到與應變有密切關系的其他機械量測試中。本次實驗用的應變測試虛擬儀器硬件組成如下圖： 計算機數(shù)據(jù)采集卡信號調理卡 應變片圖2.1 應變測試的虛擬儀器結構 電阻應變片將被測對象的變形轉換為電阻值的變化，根據(jù)測試的具體要求可以選擇不同種類的電阻應變片和不同的不知與組橋方式。本次實驗用BF120-5AA型電阻銀邊片，平行粘貼在貼在傳感器是煙臺的等強度懸臂梁上距中性層距離相等的上下兩面，其示意圖如下圖所示： 300 R2 R4 R6 4 R1 R3 R5 110 260 20 60 圖2.2 應變測試懸臂梁結構示意圖 根據(jù)材料力學理論，應變值為： （2-2-1） 式中：P

17、載荷（N）。 X在合作用電到應變測量點的距離（m）。 Y力的作用點到構建中性層的距離（m）。 E材料的彈性模量（）。 b應變測量點的構件寬度（m）。 h應變測量點的構件高度（m）。 全橋測試電路如圖2.3（a）所示，圖中EX是信號調理卡提供的2.5V激勵電壓，信號分別連接到信號調理卡0通道“CH(0)+”和“CH（0）-”輸入端。如圖2.3（b）所示，半橋測試時用應變片R5和R6介入電橋相鄰兩臂組成應變測試電路。圖中EX是信號調理卡提供的2.5V激勵電壓；Rc是信號調理卡提供的組橋電阻。“CH(1)+”是信號正極，接信號調理卡1通道正極；“CH（1）-”是信號負極，在信號調理卡內部引到信號調理

18、卡1通道負極。 （a） 全橋 （b 半橋圖2.3 應變測試電路 當變形構件變形產生應變時，應變片的電阻變化率為： (2-2-2)式中： K為應變片的靈敏度系數(shù)。全橋測試的電壓信號為： （2-2-3）半橋測試的電壓信號為： (2-2-4)實際測試時，由于構件變形前各種原因造成的電橋不平衡，使得，因此實際的應變計算公式要比式2-2-3和式2-2-4復雜一些。LabVIEW的轉換應變計讀數(shù)VI在編程數(shù)值縮放函數(shù)子選板中，下圖所示為它的圖標及參數(shù)： 圖2.4 應變轉換函數(shù) 圖2.4 中各選項及其含義如下。l Rg： 應變片未變形的電阻值，默認值120。l GF： 應變片靈敏度系數(shù)，默認值為2.使用時應

19、根據(jù)應變片參數(shù)輸入準確直。l V： 泊松比。僅在某些組橋方式時需要輸入。l Vsg: 應變測量信號電壓。默認數(shù)據(jù)類型是波形，可以選擇為標量數(shù)據(jù)。如果輸入波形數(shù)據(jù)，則輸出的應變數(shù)據(jù)類型也是波形。l Vex: 激勵電壓，默認值為3.33V。根據(jù)所用信號調理設備選擇。l Vinit： 初始電壓，即開始應變測量前的信號電壓。這個VI進行應變轉換時總是將當前信號電壓值與初始電壓值進行比較，進行相對計算。由于構件變形前各種原因造成的電橋不平衡，使得，所以一般情況下不應該忽略這個參數(shù)。l Rl: 導線電阻。導線不超過2m時可以忽略導線電阻。l 應變值： 通常來說用“應變”這個單位太大了，一直與數(shù)據(jù)值太小，所

20、以應該乘以，將它轉換為微應變。l 電橋配置選擇應變測試的電橋配置方法。求出構件應便后，根據(jù)它的幾何尺寸和材料力學公式，很容易得到它的撓曲軸表達式和撓度值。SC-2043-SG是專門的應變信號調理卡，有8個應變信號輸入通道，具有組橋、放大、低通濾波、過電壓保護和2.5V電壓激勵等功能。應變信號經信號調理卡處理后用數(shù)據(jù)采集卡轉換成數(shù)字信號，最后用計算機軟件得到測試結果。電阻應變式壓力傳感器安裝在壓力信號發(fā)生器上，壓力信號發(fā)生器內部裝有壓力可調的液體，同時有指針式壓力表便于觀察對照。流體的壓力作用在傳感器膜片上使彈性筒變形，彈性筒上粘有4片電阻應變片并聯(lián)成全橋。電橋電壓的變化就反映了壓力的變化，因此

21、采用電阻應變式壓力傳感器進行壓力測試可以參考全橋應變的實驗原理。壓力信號接入信號調理卡2通道；計算機軟件根據(jù)采集的電信號和創(chuàng)去年起出廠標定數(shù)據(jù)計算得到壓力值。 3. 設計步驟 3.1 應變測試前面板 （1）執(zhí)行“控件>>圖形顯示控件>>Express XY圖”放置一個顯示波形的控件， 單擊右鍵，找到“顯示項>>標簽”把它的標簽改為撓曲軸。 （2）執(zhí)行“控件>>圖形顯示控件>>波形圖表”在放置好的波形圖表控件上點擊鼠標右鍵，找到將圖表分格顯示， （3）連續(xù)執(zhí)行“控件>>數(shù)值輸入控件>>數(shù)值輸入”放置兩個數(shù)值輸入控

22、件分別按照前面的的該標簽步驟把它的標簽分別改為應變靈敏度系數(shù)、激勵電壓，用來控制靈敏度和電壓。連續(xù)執(zhí)行“控件>>數(shù)值顯示控件>>數(shù)值顯示控件”放置三個數(shù)值顯示控件，并把 （4） 它們的標簽改為應變值、最大 撓度 、電壓值，用以顯示測試所得到的的結果 （5）執(zhí)行“控件>>新式>>修飾>>上凸盒”用來裝飾所有控件使之美觀。如圖2.5所示：圖2.5 應變測試實驗前面板3.2 壓力測試前面板：（1） 執(zhí)行“控件>>數(shù)值顯示控件>>量表”放置一個表盤，并把數(shù)值顯示項取出。（2） 執(zhí)行“控件>>數(shù)值輸入控件&g

23、t;>數(shù)值輸入控件”取出三個數(shù)值輸入控件，并把它們的標簽改為輸出靈敏度、零點輸出、量程，用以顯示控制值。（3） 執(zhí)行“控件>>圖形顯示控件>>波形圖表”放置在前面板，并把它的屬性改為量程是5。如圖2.6所示：圖2.6 壓力測試實驗前面板4. 程序設計4.1 應變測試程序框圖： （1）執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>數(shù)組>>索引數(shù)組”放置在程序框圖 （2）執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>Express>>仿真信號”放置在程序框圖 （3）執(zhí)行“函數(shù)>>數(shù)學>>概率與統(tǒng)計>>均值”放

24、置在程序框圖中 （4）執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>比較>>選擇”放置兩個在程序框圖中 （5）執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>數(shù)學>>數(shù)值>>縮放>>轉換應變計讀數(shù)”放置兩個在程序框圖中 （6）執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>數(shù)值>>最近數(shù)取整” （7）執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>數(shù)值>>向下取整” （8）執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>簇、類與變體>>捆綁” （9）按照設計思想連線即可完成設計，設計框圖如圖2.7所示：圖2.7 壓力測

25、試程序框圖4.2 程序框圖中主要節(jié)點有： 1、 “從動態(tài)數(shù)據(jù)轉換”VI將采集的兩個通道的動態(tài)數(shù)據(jù)轉換為二維數(shù)組； 2、采樣數(shù)據(jù)除以10（應變調理卡10倍增益），轉換為原始電壓值； 3、索引數(shù)組函數(shù)從采樣數(shù)據(jù)中分離出全橋測量電壓信號的半橋測量電壓信號； 4、用“均值”VI分別取兩通道100個采樣數(shù)據(jù)的平均值； 5、Convert Strain Gauge Reading VI 將信號電壓值轉換為應變值； 6、應變轉換為變形的的VI；應變轉換函數(shù)的應變片電阻參數(shù)使用默認值120；初始電壓值由“置零”按鈕控制，可以隨時取初始變形參考點。函數(shù)的輸出為應變值，乘以轉換為微應變。4.3 壓力測量程序框圖： （1）執(zhí)行“函數(shù)>>數(shù)學>>概率與統(tǒng)計>>均值”放置一個在程序框圖中 （2）執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>數(shù)值>>取絕對值”放置一個在程序框圖中 （3）執(zhí)行“函數(shù)>>數(shù)值”分別拿出四則運算符號放置在程序框圖中 （4）按照設計思路連線即可，程序框圖如圖2.8所示：圖2.8 壓力測試程序框圖5. 程序運行與結果分析5.1 應變測試與調試結果分析 電阻式應變片壓力傳感器安裝在壓力信號發(fā)生器上，壓力信號接入