虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)(第5版)課件 第8章 虛擬儀器設(shè)計(jì)實(shí)例

第8章虛擬儀器設(shè)計(jì)實(shí)例第8章虛擬儀器設(shè)計(jì)實(shí)例教學(xué)重點(diǎn)虛擬儀器的設(shè)計(jì)原則虛擬儀器的設(shè)計(jì)步驟虛擬儀器軟面板設(shè)計(jì)技術(shù)虛擬儀器設(shè)計(jì)實(shí)例虛擬儀器程序發(fā)布8.1虛擬儀器的設(shè)計(jì)原則8.1.1總體設(shè)計(jì)原則（1）制定設(shè)計(jì)任務(wù)書確定系統(tǒng)所要完成的任務(wù)和應(yīng)具備的功能，提出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，并在任務(wù)書里詳細(xì)說明。（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理與否，對(duì)系統(tǒng)的可靠性、性價(jià)比、開發(fā)周期等有直接的影響。（3）模塊化設(shè)計(jì)不管是硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，都提倡模塊化設(shè)計(jì)，這樣可以使系統(tǒng)分成較小的模塊，便于團(tuán)隊(duì)合作，縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，提高團(tuán)隊(duì)的競(jìng)爭(zhēng)力。8.1.2硬件設(shè)計(jì)的基本原則（1）經(jīng)濟(jì)合理

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，一定要注意在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡可能的降低價(jià)格，以便得到高的性能價(jià)格比，這是硬件設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮的一個(gè)主要因素，也是一個(gè)產(chǎn)品爭(zhēng)取市場(chǎng)的主要因素之一。（2）安全可靠

選購(gòu)設(shè)備要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、粉塵等要求，以保證在規(guī)定的工作環(huán)境下系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。（3）有足夠的抗干擾能力

有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯(cuò)誤的必要條件。8.1.3軟件設(shè)計(jì)的基本原則結(jié)構(gòu)合理操作性能好具有一定的保護(hù)措施提高程序的執(zhí)行速度給出必要的程序說明8.2虛擬儀器的設(shè)計(jì)步驟1.需求分析和技術(shù)方案的制定2.確定虛擬儀器的類型3.選擇合適的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)4.開發(fā)虛擬儀器應(yīng)用軟件5.系統(tǒng)調(diào)試6.編寫系統(tǒng)開發(fā)文檔8.3虛擬儀器軟面板設(shè)計(jì)技術(shù)8.3.1虛擬儀器軟面板的設(shè)計(jì)思想

（1）根據(jù)測(cè)試要求確定儀器功能；

（2）按照VPP規(guī)范設(shè)計(jì)軟面板，使面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性和可移植性；（3）采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)軟面板。

8.3.2虛擬儀器軟面板的設(shè)計(jì)原則

（1）直接操作的原則（2）重要性原則（3）相關(guān)性原則（4）控件的一致性原則（5）窗體與其功能匹配的原則（6）適當(dāng)使用空白空間的原則（7）保持軟面板簡(jiǎn)明的原則（8）控制顏色種類及選擇中性化的原則（9）控件的形象選擇與注釋的原則（10）可用性設(shè)計(jì)原則（11）功能的可發(fā)現(xiàn)性原則（12）操作的容錯(cuò)性設(shè)計(jì)原則（13）“幫助”及文檔中的回答問題原則8.4虛擬儀器設(shè)計(jì)實(shí)例

虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，利用軟件完成數(shù)據(jù)的采集、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測(cè)試結(jié)果的顯示等功能，真正實(shí)現(xiàn)了“軟件及儀器”的概念。因而虛擬儀器在設(shè)計(jì)上就更加靈活多樣。8.4.1虛擬數(shù)字電壓表電壓、電流和功率是表征電信號(hào)能量大小的三個(gè)基本參數(shù)，其中以電壓最為常用。通過電壓測(cè)量，利用基本公式可以導(dǎo)出其他的參數(shù)。因此，電壓測(cè)量是其他許多電參數(shù)測(cè)量，也包括非電參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)。測(cè)量電壓相當(dāng)普及的一種測(cè)量?jī)x表就是電壓表。電壓表分為模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表。由于數(shù)字電壓表具有精度高、量程寬、顯示位數(shù)多、分辨率高、易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在電壓測(cè)量中占據(jù)了越來越重要的地位。1.數(shù)字電壓表的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)量范圍：指電壓表所能達(dá)到的被測(cè)量的范圍。分辨率：指電壓表能夠顯示的被測(cè)電壓的最小變化值，即顯示器末尾跳動(dòng)一個(gè)數(shù)字所需的電壓值。滿度值：各量程有效測(cè)量范圍上限值的絕對(duì)值。測(cè)量速率：指每秒鐘對(duì)被測(cè)電壓的測(cè)量次數(shù)，或一次測(cè)量全過程所需的時(shí)間。輸入特性：包括輸入阻抗和零電流兩個(gè)指標(biāo)。輸入阻抗一般指在工作狀態(tài)下從輸入端看進(jìn)去的輸入電路的等效電阻，實(shí)際是用輸入電壓的變化量和相應(yīng)的輸入電流的變化量之比來表示的；零電流是由儀器內(nèi)部引起的在輸入電路中流出的電流，與輸入信號(hào)無關(guān)，取決于儀器的電路。抗干擾能力：要求儀器對(duì)干擾信號(hào)有一定的抵制能力，根據(jù)干擾信號(hào)加入方式的不同，分串模和共模兩類。固有誤差和工作誤差：固有測(cè)量誤差主要是讀數(shù)誤差和滿度誤差，通常用測(cè)量的絕對(duì)誤差表示；工作誤差指在額定條件下的誤差，通常也以絕對(duì)值形式給出。2.虛擬數(shù)字電壓表的組成原理基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬數(shù)字電壓表構(gòu)成框圖如圖所示。NIUSB-6009數(shù)據(jù)采集卡介紹NIUSB-6009是NI公司推出的USB接口類型的低價(jià)位多功能數(shù)據(jù)采集卡。3.虛擬數(shù)字電壓表的軟件設(shè)計(jì)前面板

程序框圖設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集程序框圖

計(jì)算程序框圖設(shè)計(jì)計(jì)算峰值的程序框圖計(jì)算平均值的程序框圖

計(jì)算有效值的程序框圖

虛擬數(shù)字電壓表的總體程序框圖8.4.2虛擬示波器示波器是時(shí)域分析中最典型的儀器，也是當(dāng)前電子測(cè)量領(lǐng)域中，品種最多、數(shù)量最大、最常用的一種儀器。因此，當(dāng)傳統(tǒng)儀器向虛擬儀器推進(jìn)時(shí)，基于虛擬儀器的示波測(cè)試技術(shù)也是發(fā)展最快的，很多研究人員研究出很多功能完善的虛擬示波器。1.示波器的分類示波器是以短暫掃跡的形式顯示一個(gè)量的瞬時(shí)值的儀器，也是一種測(cè)量、觀察、記錄的儀器。可以直觀表示二個(gè)、三個(gè)及多個(gè)變量之間的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)函數(shù)關(guān)系、邏輯關(guān)系、以及實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的變換或存儲(chǔ)。傳統(tǒng)示波器大致可以分為模擬示波器和數(shù)字示波器兩大類：

（1）模擬示波器（2）數(shù)字示波器2.示波器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）頻帶寬度頻帶寬度標(biāo)志示波器的最高響應(yīng)能力，用頻率和上升時(shí)間表示，兩者的換算關(guān)系為：上升時(shí)間=0.35/頻帶寬度（2）垂直靈敏度示波器可以分辨的最小信號(hào)幅度和輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，一般用V/cm，V/div，mV/cm，mV/div表示。（3）輸入阻抗一般用Ω（MΩ）//pF表示，是指在示波器輸入端規(guī)定的直流電阻和并聯(lián)電容值，它標(biāo)志對(duì)被測(cè)信號(hào)的負(fù)載的輕重。（4）掃描速度掃描速度也稱為掃描時(shí)間因素，是指光點(diǎn)水平移動(dòng)的速度，一般用cm/s，div/s表示，它說明了示波器能觀察的時(shí)間和頻率范圍。（5）同步（或觸發(fā)）電壓它是指波形穩(wěn)定的最小輸入電壓。3.虛擬示波器的硬件構(gòu)成4.虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集模塊（2）觸發(fā)控制模塊

內(nèi)部觸發(fā)程序框圖觸發(fā)控制模塊極性控制子VI的程序框圖觸發(fā)控制模塊外部觸發(fā)程序框圖

觸發(fā)控制模塊

Slope子VI的程序框圖（3）波形顯示模塊

垂直靈敏度控制的旋轉(zhuǎn)按鈕和程序框圖時(shí)基控制的旋轉(zhuǎn)按鈕和程序框圖

（4）參數(shù)測(cè)量模塊峰峰值測(cè)量的程序框圖

頻率測(cè)量程序框圖

（5）虛擬示波器的前面板設(shè)計(jì)8.4.3基于聲卡的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)隨著DSP技術(shù)走向成熟，PC聲卡本身就成為一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，不僅價(jià)格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用、軟件特別是驅(qū)動(dòng)程序升級(jí)方便。利用聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以組成一個(gè)低成本高性能的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。它適合采集音頻域的信號(hào)，即輸入信號(hào)頻率必須處于20~20000Hz的音頻范圍內(nèi)。1.聲卡的工作原理聲卡的工作原理圖2.聲卡的主要技術(shù)參數(shù)（1）采樣頻率指每秒采集聲音樣本的數(shù)量。（2）采樣位數(shù)聲卡位數(shù)的概念和數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)概念是一樣的，指將聲音從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)（bit）。它客觀地反映了數(shù)字聲音信號(hào)對(duì)輸入聲音信號(hào)描述的準(zhǔn)確程度。（3）緩沖區(qū)緩沖區(qū)的工作方式大大降低了CPU響應(yīng)中斷的頻度，節(jié)省了系統(tǒng)資源。一般聲卡使用的緩沖區(qū)長(zhǎng)度默認(rèn)值是8KB（8192字節(jié)）。3.LabVIEW中對(duì)聲卡操作的函數(shù)LabVIEW提供了一系列使用Windows底層函數(shù)編寫的與聲卡有關(guān)的函數(shù)。這些函數(shù)位于LabVIEW函數(shù)選板的【編程】→【圖形與聲音】→【聲音】子選板中。（1）聲音輸出函數(shù)（2）聲音輸入函數(shù)（3）聲音文件函數(shù)4.基于聲卡的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)構(gòu)成聲卡輸入插孔和被測(cè)信號(hào)之間配置一個(gè)衰減器

5.聲音信號(hào)的采集與存儲(chǔ)6.聲音信號(hào)的功率譜分析7.利用聲卡產(chǎn)生模擬信號(hào)輸出8.4.4基于NImyDAQ的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)隨著科技的進(jìn)步，多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)音樂品質(zhì)的追求越來越高。音頻信號(hào)處理作為提升音樂聆聽效果的一種技術(shù)，可用來對(duì)原始的聲音添加各種效果，改變音色，提升音樂的感染力和表現(xiàn)力。因此，合理的設(shè)計(jì)音頻信號(hào)處理系統(tǒng)，對(duì)滿足人們需求具有十分重要的意義。1.基于NImyDAQ的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)NImyDAQ有2個(gè)模擬輸入通道，可配置為音頻輸入。在音頻模式下，兩個(gè)通道分別表示左右立體聲通道電平輸入。同樣，myDAQ的2個(gè)模擬輸出通道可配置為音頻輸出，在音頻模式下，這兩個(gè)通道分別表示左右立體聲信號(hào)輸出。2.音頻信號(hào)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括音頻信號(hào)采集、音頻均衡、音效處理、頻域分析和音頻信號(hào)輸出等模塊，軟件功能框圖如圖所示。（1）音頻信號(hào)采集利用函數(shù)選板【Express】→【輸入】子選板中的“DAQ助手”快速VI來實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集。DAQ助手參數(shù)設(shè)置界面如圖。（2）音頻均衡（3）音效處理削弱人聲的音效處理程序框圖（4）頻譜分析運(yùn)用函數(shù)選板【Express】→【信號(hào)分析】子選板中的“頻譜測(cè)量”快速VI來實(shí)現(xiàn)頻譜分析。完成配置后的頻譜測(cè)量快速VI如圖。音頻信號(hào)處理系統(tǒng)總體程序框圖選擇音頻均衡運(yùn)行的前面板8.4.5虛擬化電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了保證電力系統(tǒng)的安全和用戶用電的可靠性，都需要對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，以提供整改方案，加強(qiáng)防范措施，限制強(qiáng)干擾源（如諧波源等），從而保證電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

1.電能質(zhì)量指標(biāo)及其測(cè)量方法（1）電壓偏差（2）頻率偏差（3）諧波

（4）電壓波動(dòng)和閃變（5）三相不平衡度

總諧波畸變率

2.硬件設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

（1）傳感器傳感器使用WBI1411S，WBV1411S型電量隔離傳感器.

（2）抗混疊低通濾波器四階低通濾波器的原理電路：（3）A/D卡A/D卡選用A／D轉(zhuǎn)換器ADS7864進(jìn)行設(shè)計(jì)

A/D卡原理框圖3.軟件設(shè)計(jì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集模塊完成一個(gè)周期信號(hào)采集的程序框圖A/D轉(zhuǎn)換使能和轉(zhuǎn)換狀態(tài)檢測(cè)程序框圖讀轉(zhuǎn)換結(jié)果程序框圖

（2）頻率測(cè)量模塊（3）有效值測(cè)量模塊（4）三相不平衡度測(cè)量模塊（5）功率測(cè)量模塊（6）諧波測(cè)量模塊8.5虛擬儀器程序發(fā)布在虛擬儀器設(shè)計(jì)完成之后，設(shè)計(jì)者希望使用LabVIEW編寫的程序脫離LabVIEW環(huán)境，在用戶計(jì)算機(jī)上去運(yùn)行，就需要將其編譯成可獨(dú)立運(yùn)行的程序。程序發(fā)布有兩種方式：（1）應(yīng)用程序。也就是將LabVIEW編寫的程序在開發(fā)電腦上編譯生成獨(dú)立可執(zhí)行程序（EXE）提供給用戶。（2）安裝程序。將生成的EXE和一些用到的組件打包生成安裝程序提供給用戶。8.5.1創(chuàng)建獨(dú)立可執(zhí)行程序（1）在LabVIEW2024Q3的啟動(dòng)界面中，選擇創(chuàng)建項(xiàng)目，隨后單擊【完成】按鈕，就會(huì)彈出項(xiàng)目瀏覽器窗口項(xiàng)目瀏覽器窗口創(chuàng)建獨(dú)立可執(zhí)行程序（2）在項(xiàng)目瀏覽器窗口中，用鼠標(biāo)右鍵單擊【我的電腦】，在彈出的快捷菜單中選擇【添加】→【文件】，在彈出的“選擇需要插入的文件”界面中，選擇之前已創(chuàng)建的“利用聲卡產(chǎn)生模擬信號(hào)輸出”VI，將該VI添加至新建的項(xiàng)目中，并將該項(xiàng)目命名為“產(chǎn)生模擬信號(hào)輸出”的項(xiàng)目文件添加VI后的項(xiàng)目瀏覽器窗口創(chuàng)建獨(dú)立可執(zhí)行程序（3）在添加VI后的項(xiàng)目瀏覽器窗口中，用鼠標(biāo)右鍵單擊【程序生成規(guī)范】，在彈出的快捷菜單中選擇【新建】→【應(yīng)用程序（EXE）】，則彈出如圖所示的“我的應(yīng)用程序

屬性”配置對(duì)話框。“我的應(yīng)用程序

屬性”配置對(duì)話框創(chuàng)建獨(dú)立可執(zhí)行程序（4）在“我的應(yīng)用程序

屬性”配置對(duì)話框中，單擊【源文件】，選擇“利用聲卡產(chǎn)生模擬信號(hào).vi”，將VI添加到“啟動(dòng)VI”欄中，如圖所示。源文件配置界面創(chuàng)建獨(dú)立可執(zhí)行程序（5）源文件配置成功后，單擊【生成】按鈕，LabVIEW就會(huì)彈出生成狀態(tài)窗口，當(dāng)生成結(jié)束后會(huì)提示生成的應(yīng)用程序所在路徑，可以單擊【瀏覽】按鈕打開應(yīng)用程序所在目錄，如果單擊【完成】按鈕，則會(huì)關(guān)閉生成狀態(tài)窗口，就完成了創(chuàng)建獨(dú)立創(chuàng)可執(zhí)行程