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1、第一章 虚拟仪器课程设计的目的意义1.1 课程设计的目的及要求1.1.1 设计目的本课程设计的目的主要是让学生在理解理论知识的基础上掌握虚拟仪器技术的组件的性能、属性、创建虚拟仪器的方法理论基础和虚拟仪器的图形编程方法,掌握虚拟仪器系统软件开发工具，综合利用传感器技术和虚拟仪器技术进行虚拟仪器的综合开发，以及掌握虚拟仪器在测量仪器、过程控制、信号分析、网络远程控制等应用技能。1.1.2 设计要求本课程要求学生从理论上掌握虚拟仪器系统的基本构成及基本设计思想,图形语言有关知识，在课程设计过程中能利用数据采集卡和相应的硬件设施完成课程设计任务。使学生掌握虚拟仪器系统软件的设计方法，提高计算机技术综
2、合应用的能力。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。硬件实验部分，主要了解PCI-6024E多功能数据采集卡的使用方法和采集通道设置，并创建VI程序控制数据采集卡的I/O操作，利用信号发生器产生信号，实时检测，显示测量数据及波形，并写出课程设计报告。1.2 课程在教学计划中的地位和作用虚拟测试技术与仪器课程设计是为测控专业虚拟测试技术与仪器课程而开设的课程设计教学环
3、节，其目的在于培养我们综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力。 通过课程设计能进一步锻炼学生在虚拟测试技术与仪器应用方面的实际工作能力。我们要着重学会面对一个实际问题，如何去自己收集资料，如何自己去学习新的知识，如何自己去制定解决问题的方案并通过实践不断地去分析和解决前进道路上的一切问题。第二章 设计任务2.1必选题设计任务电子秤是各行业对物料进行计量或工矿企业在生产过程中对物料重量进行各种控制的新一代重量计量器具。作为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业中开始显现其测量精度高，测量速度快，操作简单易学，可以实时监控的巨大优点，使其已经开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测重领域的主流产
4、品。结合传感器技术、数据采集技术和虚拟仪器技术开发设计一种基于LabVIEW的虚拟电子秤，采用普通PC机为主机，利用图形化可视测试软件LabVIEW 8.5为软件开发平台，完成虚拟仪器电子秤的标定程序、测量程序设计，进行测量数据的低通滤波，应用编写的电子秤VI进行重量测量，记录数据并与实际值进行比较，简要分析引起误差的原因。2.2选作题设计任务电压是电路中常用的电信号，通过电压测量，利用基本公式可以导出其它的参数。因此，电压测量是其他许多电参数和非电参数量测量的基础,测量电压相当普及的一种测量仪表就是电压表。结合数据采集技术和虚拟仪器技术设计一种基于LabVIEW 8.5的虚拟数字电压表，应用
5、DAQ卡获取电压信号，或产生模拟信号，分别进行交直流电压测量，实现电压数字显示（直流档显示直流电压，交流档显示有效值，平均值和峰值），通道配置与选择，交、直流选择，采样频率、采样点数设置。第三章 总体设计方案3.1虚拟电子秤总体设计方案本系统主要通过LabVIEW8.5编程来实现电子秤的功能，采用模块化设计，将不同测量内容设计成单独的功能模块，各子模块分别完成一定的功能。系统主要由硬件和软件模块构成，硬件模块利用DVCC-TES压力实验平台和PCI-6024E数据采集卡采集压力信号并进行A/D转换。软件模块细分为前面板设计和框图程序设计，前面板主要由输入控制器和输出控制器组成，可通过控制模板和
6、工具模板构建；框图程序主要由数据采集处理模块、标定模块、重量测量显示模块和价格计算显示构成，数据采集处理模块主要完成模拟量与数字量的相互转换,实现数据的采集测量并进行滤波处理，标定模块主要是对系统进行标定，重量测量模块主要完成测量结果的显示。总体设计流程图如图3.1所示。开始数据采集卡初始化读取采样数据对数据进行处理测量结果显示结束零点标定？斜率标定？是是否否标定零点标定斜率图3.1 虚拟电子秤总体设计流程图3.2虚拟数字电压表总体设计方案根据虚拟数字电压表的设计要求，可以知道其组成部分包括数据采集和数据处理显示两部分。数据采集部分采用NI公司PCI-6024E卡获取电压信号或者产生模拟信号，
7、数据处理部分软件基于虚拟仪器开发平台LabVIEW8.5进行开发，主要控制数据采集卡的数据采集，并对采集得到的数据进行分析处理并显示。总体设计流程图如图3.2所示。开始设置数据采集卡显示交流电压参数读取采样数据对直流信号进行处理结束直流否是对交流信号进行处理显示直流电压参数图3.2 虚拟数字电压表总体设计流程图第四章 硬件设计4.1 PCI-6024E卡及安装PCI-6024E卡将作为本次课程设计的数据采集卡，VI程序通过它来实现虚拟仪器的输入输出功能。PCI-6024E卡是基于32位PCI总线的高性能、多功能的数据采集卡。它有16个单端输入或8个差分模拟输入，2路独立的DA输出通道，24条与
8、TTL兼容的数字I/O，3个用于I/O定时的16 位计数/定时器。将PCI6024E 数据采集卡插到计算机主板上的一个空闲PCI插槽中，接好各种附件，包括一条50芯的数据线和一个转接板。4.2 PCI6024E卡I/O配置PCI6024E卡同NI公司的绝大部分数据采集卡一样是即插即用型的设备，硬件正确安装后，如果机器安装了LabVIEW和NIDAQ，就会出现在Measurement & Automation Explorer的ConfigurationMysystem Devices and Interfaces列表中。在设备名PCI-6024E上单击右键，选择Properties，就会出现采
9、集卡的配置对话框配置包括System,AI,AO,Accessory,OPC和Remote Access五个部分的设置。4.3 PCI6024E卡通道配置在使用DAQ设备的模拟I/O或数字I/O功能时，必须首先配置设备的通道。在Measurement & Automation Explorer中配置通道步骤如下： 右键单击Data Neighbourhood图标，选择弹出菜单中的Insert，系统会弹出Insert New对话框。单击Finish； 在弹出的Create New Channel对话框中将通道类型设置为Analog Input，单击下一步； 在Enter Channel Name
10、 and Description对话框中，将通道名称设置为ScropA，并填上适当的通道描述，单击下一步； 在Channel Wizard对话框中，选择传感器或测量信号类型，单击 下一步； 设置单位为Volts，量程为5V5V，单击下一步； 设置缩放比例因子为NoScaling，单击下一步； 指定DAQ硬件为Dev1:PCI-6024E，通道编号为0；模拟输入方式为Differential,单击完成。 4.4 数据采集操作LabVIEW涉及到的操作类型有模拟输入，模拟输出，计数操作和数字I/O等，相应的操作函数在功能模板中的Data Acquisition子模板。本次实验中，我们应用了以下DA
11、Q assitant对PCI-6024E卡进行操作。双击DAQ assitant，对DAQ assitant进行初始化操作，设置合适的采样点数和采样频率，单击OK完成。DVC-TES3压力实验平台利用CZL-1R型桥路(应变片)压力传感器(量程500克)实现R-V物理量变换,将压力传感器输出的小信号经过放大和低通滤波后,送至A/D转换器。具体工作原理是当桥路中的某臂电阻发生变化时，桥路就不平衡，桥路输出的变化量就反映了压力的变化量。该变化量通过二级放大，将微弱信号放大送到PCI-6024E数据采集卡，通过PCI-6024E卡送到PC机，完成数据采集操作。4.5 虚拟电子秤接线说明 DVC-TE
12、S3压力实验平台的压力信号输出口IN0与PCI-6024E数据采集卡的相应的通道通过数据线相连，注意：DVC-TES3压力实验平台的接地端与PCI-6024E数据采集卡的接地端要相连。4.6 虚拟数字电压表接线说明通过PCI-6024E数据采集卡产生模拟信号，数据采集卡上的模拟信号输出口通过数据线与数据采集卡上的相应的通道相连（如果通过波形生成选板里的波形产生函数产生模拟信号的，则硬件部分不用接线）。第五章 软件设计5.1 虚拟电子秤软件设计5.1.1 虚拟电子秤框图程序设计虚拟电子秤软件设计框图程序具体如图5.1所示。图5.1虚拟电子秤框图程序5.1.2 虚拟电子秤框图程序说明虚拟电子秤框图
13、程序大体分为四个部分:数据采集处理模块、标定模块、重量测量显示模块和价格计算显示模块。下面就四个子模块对该框图程序进行介绍。1. 数据采集处理模块数据采集处理模块主要完成模拟量与数字量的相互转换,实现数据的采集测量并进行滤波处理。借助DAQ assitant 完成数据的采集，采用切比雪夫滤波器和平均值对数据进行滤波处理，具体见图5.2。图5.2数据采集处理模块2. 标定模块标定模块主要是对电子秤进行标定，找出重量与电压的关系。具体原理是电子称托盘空载时输出电压V0设置为重量W0：0克，托盘上放置重量W1：200克的砝码，记下这时的输出电压V1。那么1伏输出电压对应的重量为：detaW=(W1-
14、W0)/(V1-V0)标定模块如图5.3所示。图5.3 标定模块3.重量测量显示模块标定后的电子秤基本达到了设计要求，为了减少设计的电子秤测量误差，使其测量更精准，在数据采集处理之后进行零点补偿和校正，然后输出值乘以标定值的局部变量，结果显示的是当前砝码的重量。重量测量显示模块如图5.4所示。图5.4 重量测量显示模块4.价格计算与显示模块取重量的局部变量，乘以单价输入值，显示结果。价格计算与显示模块如图5.5所示。图5.5 价格计算与显示模块5.2 虚拟数字电压表软件设计5.2.1 虚拟数字电压表框图程序设计虚拟数字电压表工作状态由电源开关决定，框图程序设计如图5.6所示。图5.6 虚拟数字
15、电压表框图程序5.2.2 虚拟数字电压表框图程序说明虚拟数字电压表框图程序采用模块化设计，主要分为数据采集模块（或软件生成模拟信号模块）和数据处理模块，其中数据处理显示模块里细分为交直流数据处理显示两个子模块。下面对虚拟数字电压表框图程序进行说明。1. 数据采集模块（或软件生成模拟信号模块）通过PCI-6024E数据采集卡产生模拟信号并通过通道0采集，DAQ assitant输出的数据信号通过Butterworth滤波器进行滤波处理。数据采集模块如图5.7所示。图5.7 数据采集模块通过波形生成选板里波形基本函数发生器直接产生模拟信号，信号输出通过Butterworth滤波器进行滤波处理。软件
16、产生模拟信号模块如图5.8所示。图5.8 软件产生模拟信号模块2. 数据处理显示模块交流电压处理显示模块应用了波形测量选板里的幅值和电平测量函数，选取此函数，双击后在配置幅值和电平窗口选择均方根（有效值）、最大峰、最小峰和周期平均（平均值），点击确定即可。交流电压处理显示模块如图5.10所示图5.10 交流电压处理显示模块直流电压处理显示模块应用了幅值和电平测量函数，在配置幅值和电平测量窗口选取直流，点击确定即可，直流电压处理显示模块如图5.11所示。图5.11 直流电压处理显示模块第六章 系统调试及使用操作说明6.1 虚拟电子秤系统调试及使用操作说明6.1.1 系统调试按正确连线操作把DVC
17、C-TES3压力实验平台、PCI-6024E数据采集卡和PC机连成一个系统。空载时，按零点标定，放200g砝码，按第二次标定，标定完成进入称重状态。系统调试中碰到下面两个问题：1）重量显示屏幕数字显示不稳定；2)测量结果误差较大。经过老师的指导和与同学探讨，找到了解决问题的方法，重新设置DAQ assitant的采样点数和采样频率，修改显示格式，重量显示保留两位小数，单价输入和总价显示保留一位小数。6.1.2 系统使用操作说明虚拟电子秤前面板如图6.1所示。图6.1 虚拟电子秤前面板运行程序，进入标定界面。空载时，按零点标定按钮；放200g砝码后，按第二次标定，完成电子秤标定，进入称重界面，放
18、上砝码，输入单价，即时显示重量和总价。6.2 虚拟数字电压表系统调试及使用操作说明虚拟数字电压表前面板如图6.2所示。图6.2 虚拟数字电压表前面板运行程序，按下开关按钮，将交直流开关打到交流档，测量交流电压，并在交流显示栏显示电压有效值、平均值、最大峰值和最小峰值，如图6.3所示。图6.3 交流电压测量运行程序，按下开关按钮，将交直流选择开关打到直流档，测量直流电压并在直流显示栏显示直流电压，运行结果如图6.4所示。图6.4 直流电压测量第七章 收获、体会本学期我们专业开设了虚拟仪器课，这门课主要学习图形化编程软件LabVIEW的原理及编程方法，理论知识比较强。学习任何知识，仅从理论上去求知
19、，而没有实践，探索是不行的，所以在学期末给我们安排一次虚拟仪器的课程设计是很及时的也很有必要的，这样不仅能加深我们平时所学的知识，而且还及时真正的做到学以致用。本次课程设计中，我的设计内容是虚拟电子秤和虚拟数字电压表的设计。这两个设计项目注重软硬件结合，虚拟电子秤的硬件部分应用PCI-6024E数据采集卡和DVCC-TES3压力实验平台，虚拟数字电压表硬件部分应用PCI-6024E数据采集卡产生模拟信号并通过采集通道采集数据信号，软件部分主要学习图形化编程软件LabVIEW的原理及编程方法，并应用LabVIEW的各种函数以及菜单，选项的作用和功能，创建VI程序，完成课程设计要求。课程设计中，我遇到了很多问题，比如电子秤测量精度还不够高，存在测量误差，重量显示不稳定等等，通过老师的指导和同学的帮助，这些问题都得到了解决。这次课程设计历时三个星期，通过这三个星期的学习和动手实践，发现了自己在这门课方面的知识还有很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。参考文献1胡仁喜，等.LabVIEW8.2.1虚拟仪器实例指导教程.北京：机械工业出版社，2007.112侯国屏.LabVIEW 7.1编程与虚拟仪器设计.北京： 清华大学出版社,20053刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计.电子工业出版社，2003
