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labview在智能虚拟仪器表中的应用

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主要用来模拟智能仪表的质料

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第 25 卷第 4 期 2006年12月 计  算  技  术  与  自  动  化 Computing Technology and Automation 文章编号 :1003 - 6199 (2006) 04 - 0100 - 05 Vol125 ,No14  Dec. 2 0 0 6 LabVIEW 在智能虚拟仪器仿真中的应用 李  坤 ,史丽红 (曲阜师范大学 (日照校区) 电气信息与自动化学院 ,山东 日照  276826)   摘  要 :利用 LabV IEW 提供的虚拟仪器开发系统集成环境 ,将智能仪器同电工实验结合起来 ,成功地 实现了虚拟实验室教学系统的滤波器部分 ,该项应用发挥了虚拟仪器在分析 、测量等方面的优势 。在大学 教学中通过引入基于 LabV IEW 虚拟仪器的教学 ,可以充分利用计算机来实现和扩展传统仪器的功能 ,促进 虚拟仪器在教学 、实验和工程领域的推广 。 关键词 :虚拟仪器 ; LabV IEW ;电工实验 中图分类号 :         文献标识码 :A The Appl ication of LabVIEW in Intell igent Virtual Instrument Simulating L I Kun ,SHI Li2hong              Abstract :Wit h t he help of virtual instrument integrated developing environment provided by t he software of LabV IEW t he intelligent instrument are combined wit h electrician experiments. Hence t he part of filter in electrician experiments of virtual labo2 ratory teaching system is simulated successfully. This application exerts t he advantage of virtual instruments on analyzing and de2 tecting. Importing t he teaching of virtual instrument based on LabV IEW in campus can realize and improve t he functions of tradi2 tional instruments ,also can extend t he application of virtual instrument in teaching , experiment and engineering area. Key words :virtual instrument ; labV IEW ; electrician experiment ; 1  引  言 在电子类课程中 ,实验是重要的教学手段之 一 ,学生通过实验 ,可以加深对所学知识的理解。 但是 ,由于近年来学生人数在不断增加 ,实验室设 备和规模都难以满足需要 ,学生很少有机会反复熟 悉常用仪表的使用 ,更不能为设计性实验提供条 件 ,这对培养学生的创新精神 ,加强实践动手能力 都十分不利 ,而且学校的财力也难以支付大量实验 室常规设备的更新 。虚拟仪器的出现很好的解决 了这个问题 。所谓虚拟仪器技术 ,就是用户在通用 计算机平台上 ,根据测试任务的需要 ,来定义和设 计仪器的测试功能 。“软件就是仪器”反映了虚拟 仪器技术的本质特征 。LabV IEW (Laboratory Vir2 t ual Inst rument Engineering Workbench ,实验室虚 拟仪器工程平台) 是美国 N I 公司) 推出的一种基 于 G 语言 ( Grap hics Language ,图形化编程语言) 的 虚拟仪器软件开发工具 ,带有大量的内置功能 ,能 够完成仿真 、数据采集 、仪器控制 、测量分析和数据 显示等任务 ,是目前应用最广 、发展最快 、功能最强 的图形化软件开发集成环境 。通过优化代码 ,可将 程序的执行速度提高到与编译 C 语言程序相当的 程度 。一个 LabV IEW 程序分为 3 部分 : 前面板 、 框图程序 、图标/ 接线端口 。前面板用于模拟真实 仪器的前面板 ;框图程序则是利用图形语言对前面 板上的控件对象 (分为控制量和指示量两种) 进行 控制 ;图标/ 接线端口用于把 LabV IEW 程序定义 收稿日期 :2006 - 09 - 20 作者简介 :李  坤 (1965 —) ,男 ,高级工程师 ,研究方向 :计算机应用 、网络与分布式监控系统 ( E - mail :beijx - 1330 @eyou. com) 。 第 25 卷第 4 期 李  坤等 :LabV IEW 在智能虚拟仪器仿真中的应用 101 成一个子程序 ,从而实现模块化编程 。 2  电工实验中的滤波器实验 211  实验原理 (1) 图 1 电路是利用电感 L 对高频信号阻抗 大 、电容 C 对高频信号阻抗小的特点 , 可滤去非正 弦输入电压 v1 中的高次谐波使电阻 R 上的输出电 压 v2 接近于基波的低通滤波器 。 其输入输出函数为 : 1 U2 = jωC + 1 R 1 U1 jωC + 1 R + jωL 也可表示为 : U 2 = U 1 ×D ∠θ,其中 D= R , ( R - ω2 L CR) 2 + (ωL ) 2 θ=- ɑrctɑn ( R - ωL ω2 L C R ) 这个函数被做成公式节点作为子 V I 嵌入到程序之 中 , 文 件 名 为 :formula. vi , 它 位 于 安 装 目 录 下 的 f unction 目录中 ,它的图标如图 2 所示 ,框图程序如 图 3 所示 。 图 1  低通滤波器电路 图 2  低通滤波器图标 图 3  低通滤波器框图程序    (2) 图 4 所示为利用 L 和 C 并联谐振电路 ,在 理想条件下 ,对谐振频率下的信号阻抗无限大的特 点 ,滤去频率为谐振频率的谐波信号的谐振滤波 器。 谐振滤波器输入输出函数为 : U2 = R 1 jωC + 1 jωL + U1 R 也可表示为 : U 2 = U 1 + D ∠θ 其中 D = R (1 - ω2 L C) , [ R (1 - ω2 L C) ]2 + (ωL ) 2 θ=- ɑrctɑn[ R (1 ωL - ω2 L C) ] 当 1/ ωL = ωC 时 ,电路阻抗无穷大 ,对指定频 率波谐振 。对于实验室中的自制电感 L = 157mH , C = 39μF 时对 ω = 400 Hz 谐振 ;当 C = 4. 423μF 时对 ω = 1200 Hz 谐振 。 这个函数被做成公式节点作为子 V I 嵌入到 程序之中 ,文件名为 :formulaParallel. vi ,它位于安 装目录下的 f unction 目录中 , 它的图标如图 5 所 示 ,框图程序如图 6 所示 。 (3) 图 7 电路是由一个运算放大器 、两个电容 和三个电阻构成的有源滤波器 ,它不用电感元件 , 并且一般情况下滤波效果好 。 有源滤波器的传递函数为 : 102 计算技术与自动化 2006 年 12 月 1 U2 U1 = s2 + - R1 C1 s C1 C1 + C2 C2 R3 s + R1 + R2 C1 C2 R 1 R 2 R 3 频特性是输出电压和输入电压最大值之比与其频 率关系的特性 ,如图 8 所示 , f 0 称为中心频率 ,该 幅频特性可以用实验方法测定 ,即在有源滤波器的 输入端加一定幅度的电压信号 ,改变其频率 ,测得 在不同频率下的输出电压值 ,就能绘出此有源滤波 器的幅频特性曲线 。 图 4  谐振滤波器电路 衡量滤波器好坏常用幅频特性 。滤波器的幅 图 5  谐振滤波器图标    图 6  谐振滤波器框图程序 图 7  有源滤波器电路 图 8  有源带通滤波器幅频特性曲线 212  实验的实现 (1) 在无滤波器的情况下 ,如图 9 所示 。系统 产生 400 Hz 和 1200 Hz 的两个正弦波的叠加波形 。 由于频率很高 ,Sine WaveForm. vi 的采样点数需要 进行相应的设置 ,本系统采用 106 。电阻和电容均 乘以相应的倍率再进入运算 ,在“无源滤波器”和 “有源滤波器”状态下 ,阻容值不连入输入端 。而幅 值和电阻电容值通过选择 ,存入“实验数据”簇中 。 (2) 在选择“低通滤波器”或者“谐振滤波器”时 电阻值和电容值都会连接到相应的公式节点输入 端上 。经过节点运算 ,或者说经过模拟的滤波器 , 滤出波形的情况将显示在示波器中 。选“低通滤波 器”时框图程序如图 10 所示 ,选“谐振滤波器”时框 图程序与图 10 类似 ,只是其中的 formula. vi 换成 了 formulaParallel. vi 。 (3) 选择“有源滤波器”的情况略有不同 。由于 输入波形为 400 Hz 方波 ,为很多不同频率的正弦 波叠加而成 ,不能像前两个滤波器那样由公式节点 计算 ,需要引入 LabV IEW 提供的数字滤波器 。该 实验的框图程序如图 11 所示 。 第 25 卷第 4 期 李  坤等 :LabV IEW 在智能虚拟仪器仿真中的应用 103 图 9  滤波器实验框图程序    图 10  低通滤波器实验框图程序 图 11  有源滤波器实验框图程序 如果滤波器的输入输出都是离散的时间信号 , 那么该滤波器的冲击响应也必然是离散的 ,称这样 的滤波器为数字滤波器 。它的功能是把输入序列通 过一定的运算编程输出序列 , 同时起到滤波的作 用 。设 h ( n) , n = 0 ,1 ,2 ……是滤波器的冲击响 应 ,一个线性时不变因果 (所谓因果性是指系统的 输出仅取决于过去和现在的输入) 滤波器若对所 有的 n ≥N ( N 为有限正整数) ,有 h ( n) = 0 ,则称 其为有限冲击响应滤波器 ( FI R) , 否则称之为无限 冲击响应滤波器 ( II R) 。LabV IEW 提供的数字滤 波器使用方便 ,只需根据需要设定各参数即可 。本 系统中使用 F IR 滤波器 。在对相位信息有要求 时 ,通常使用 F IR 滤波器 。因为 F IR 滤波器的相 频相应总是线性的 ,可以防止时域数据发生畸变 。 系统中使用的 Digital F IR Filter. vi 在进行滤波的 同时还可以输出幅频响应和相频响应 。将该滤波 器设 定 为 中 心 频 率 为 400 Hz 的 带 通 滤 波 器 , 当 400 Hz 方 波 通 过 该 滤 波 器 时 , 可 以 得 到 较 好 的 400 Hz 正弦波 ,并且输出幅频特性曲线 。由于与前 面的 实 验 测 量 对 象 不 同 , 示 波 器 控 件 的 Xscale. Maximum 属性需要进行相应的调节 。 213  数据的保存 实验结束以后为了使学生可以将实验数据拷 贝带出实验室 ,数据的保存就成了客户端不可缺少 的程序 。该框图程序如图 12 所示 。 首先 ,把客户端发给服务器的数据流分解 ,再 重新组合成存入文件的数据格式 。该功能由 Fil2 terCreateRxString. vi 完成 , 它 位 于 安 装 目 录 下 的 f unction 目录中 ,它的图标如图 13 所示 。 104 图 12  数据保存的框图程序 图 13  FilterCreateRxString. vi 图标 计算技术与自动化 2006 年 12 月   该子 V I 的功能与服务器数据流处理的程序 大致相同 ,只是组成存入文件字符串时有所不同 。 它把数据分为两行 ,第一行为姓名 、学号 ,第二行为 实验数据 。每个数据项之间加入 tab 空格 ,数据的 精度控制为 3 位浮点型 ,每行结束添加回车换行 符 。这样规定数据格式的好处是最后生成的. t xt 文件可以被 Excel 以电子表格的形式打开 ,便于分 类管理 。生成文件字符串后 ,通过 Write Charac2 ters To File. vi 写入文件 :滤波器实验数据. t xt 。为 使该文件的所在目录不随着客户端程序所在位置 的改变而无法找到 ,在保存之前 ,先指定客户端运 行所在的当前目录 ,也就是说该文件的目录必须是 相对 目 录 。取 得 当 前 目 录 功 能 由 GetCurrentDi2 rectory. vi 实现 ,它的框图程序如图 14 所示 。 图 14  取得当前目录的框图程序   在这个框图程序中使用了 LabV IEW 提供的 调用库函数节点 ( Call Library Function Node. vi) , 利用这个节点 ,可以在 LabV IEW 中实现 DLL 和 API 函数的调用 。 实现取得当前目录调用的是 kernel32. dll 中的 long GetCurrentDirectoryA() ;函数 ,需要在框图程序中 创建调用库函数节点 ,添加 length 和 buffer 两个参数 , 使该函数变为 long GetCurrentDirectoryA (long length , CStr buffer) ; 。该函数返回值为当前目录的字符串 ,在 其后添加滤波器实验数据. txt ,并把这个字符串转化 为文件路径 ,这样实验数据的文件的所在目录就变为 相对路径了。指定了文件路径和文件内容 ,把存储类 型设为“append”,最后通过 Write Characters To File. vi 将实验数据写入到文件中 。 3  结束语 在虚拟仪器的基础上开发虚拟仪器实验室 ,与 传统的实验室相比 ,虚拟仪器实验室可以大大减少 实验设备资金的投入 。并且在一台计算机上可以 实现诸如示波器 、函数发生器 、电压表 、频谱分析仪 等仪器的功能 ,节约了仪器成本 ,虚拟仪器基于软 件的体系结构大大节省了开发和维护的费用 。在 大学教学中通过引入基于 LabV IEW 虚拟仪器的 教学 ,便于开放式管理 ,扩大教学规模 ,也可以促进 虚拟仪器在教学 、实验和工程领域的推广 。 参考文献 [1 ]  Integrating t he Internet into Your Measurement System : Na2 tional Instruments Corporation , 2003. [2 ]  LabV IEW User Manual : National Instruments Corporation , 2003. [3 ]  侯国屏 , 王 | , 叶齐鑫 ,LabV IEW7. 1 编程与虚拟仪器设计 [ M ] . 北京 :清华大学出版社 ,2005. [ 4 ]  袁媛 ,李绍稳 ,汪伟伟 ,房文娟 ,基于 LabV IEW 的虚拟仪器技 术研究与应用[J ] . 农业网络信息 ,2005 ,6 - 10. [ 5 ]  马文华 ,虚拟仪器 ———高校实验室设备的发展方向[J ] . 仪器 仪表用户 ,2005 ,3 - 4. [6 ]  郭天石 ,基于 LabV IEW 的虚拟信号合成图示仪 [J ] . 四川理 工学院学报 , 2006 ,42 - 45.

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