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虛擬儀器實驗,1,====================================== 實驗教材： 虛擬儀器實驗指導(dǎo)書（自編） ====================================== 虛擬儀器技術(shù)室軟、硬件介紹 ============================================= 實驗課程安排 ====================================== 實驗要求與課程考核 ============================================= 實驗室地址：3號樓3111室 =============================================,2,一、虛擬儀器概述,1、什么是虛擬儀器？,傳統(tǒng)儀器 廠商定義功能,虛擬儀器 用戶定義功能,3,虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件三大要素構(gòu)成的。計算機與儀器硬件又稱為VI的通用儀器硬件平臺。,軟件技術(shù)是虛擬儀器的核心技術(shù)。常用的儀器用開發(fā)軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等，其中以LabVIEW應(yīng)用最為廣泛。,4,2、什么是Labview？,LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。 傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向。,5,6,LabVIEW程序被稱為VI（Virtual Instrument），即虛擬儀器。 LabVIEW的核心概念就是“軟件即是儀器”，即虛擬儀器的概念。 LabVIEW還包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲等。,7,3、Labview可以做什么？,LabVIEW在測試、測量和自動化等領(lǐng)域具有最大的優(yōu)勢，因為LabVIEW提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲。 用戶可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成一套完整的從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、顯示和存儲的自動化測試測量系統(tǒng)。 它被廣泛地應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。,8,LabVIEW不僅可以用來快速搭建小型自動化測試測量系統(tǒng)，還可以被用來開發(fā)大型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。 在美國Lawrence Livermore國家實驗室，一個花費2000萬美金的極為復(fù)雜的飛秒激光切割系統(tǒng)就是基于LabVIEW開發(fā)的。 在北京正負電子對撞機二期工程北京譜儀慢控制系統(tǒng)中，大約有30種物理量共7000多點的現(xiàn)場數(shù)據(jù)點需要實時采集控制和分析記錄等。,9,二、我系虛擬儀器技術(shù)室軟、硬件介紹,1、硬件 ① 虛擬儀器主機: 采用美國NI公司的電子學(xué)教育平臺ELVISII平臺，共25臺。 ②計算機： 25臺計算機。 ③電阻、電容、電機、發(fā)光二極管、數(shù)碼管等電子元器件若干。,10,2、軟件 交互式電路仿真軟件Multisim軟件和圖形化開發(fā)軟件LabVIEW軟件 。 我系基于NI電子學(xué)教育平臺（包括ELVIS硬件、Multisim軟件和LabVIEW軟件）而構(gòu)建的虛擬儀器技術(shù)室集多領(lǐng)域、多學(xué)科技術(shù)于一體，充分體現(xiàn)了先進性、開放性和功能多樣化。能緊密結(jié)合理論仿真與實際電路原型設(shè)計，適合于通信、電子信息工程、自動化等相關(guān)專業(yè)開展“虛擬儀器”及其綜合應(yīng)用的實踐教學(xué)。 實驗室全天開放，學(xué)生除在實驗課時間來做實驗，也可利用課余時間來實驗室開展課設(shè)、畢設(shè)等相關(guān)研究。,11,實驗一 LabVIEW軟件基本操作（一）（設(shè)計性） 實驗二 LabVIEW軟件基本操作（二）（設(shè)計性） 實驗三 LabVIEW軟件基本操作（三）（設(shè)計性） 實驗四 NI ELVISII平臺工作環(huán)境（驗證性） 實驗五 電子溫度計實驗（設(shè)計性 ） 實驗六 AC電路工具實驗（設(shè)計性 ） 實驗七 運放濾波器實驗（綜合性 ） 實驗八 LED營救實驗（綜合性 ）,虛擬儀器實驗項目,12,實驗要求與課程考核,（一）、實驗要求 1.實驗前做好預(yù)習(xí)，按照實驗要求,編寫好程序。 2.實驗時到實驗室將預(yù)習(xí)時編寫好程序利用NI ELVISII平臺等實物進行硬件測試，調(diào)試程序，記錄實驗結(jié)果，檢查設(shè)計的功能。（上實驗課要求帶好實驗教材，做好實驗數(shù)據(jù)記錄） 3.實驗中發(fā)現(xiàn)異常情況，如冒煙、燒焦異味等立即撤斷電源，報告老師。 4. 實驗完成后整理好實驗臺，打掃好實驗場地。 5. 每次實驗后認真書寫實驗報告，實驗報告要求同實驗一樣，每人獨自完成，不得相互照抄，發(fā)現(xiàn)雷同，重作。 6.若實驗課因事沒有參加的，要求在第18周前補做好。 7.實驗課中內(nèi)容沒完成的，課后自行到實驗室完成或利用自己的電腦完成，實驗室全天開放。,13,（二）、實驗課程考核 1. 平時每次實驗情況50% 2. 實驗考勤、實驗場地整理10% 3. 實驗報告成績40%,返回,14,實驗一 LabVIEW軟件基本操作（一）,（本實驗為設(shè)計性實驗）,15,一、實驗?zāi)康?1、熟悉虛擬儀器編程軟件LabVIEW的基本操作和熟悉虛擬儀器實驗平臺； 2、掌握常見項目的編程方法和仿真調(diào)試。,16,二、實驗原理,LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。 傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向。,LabVIEW程序被稱為VI（Virtual Instrument），即虛擬儀器。 LabVIEW的核心概念就是“軟件即是儀器”，即虛擬儀器的概念。 LabVIEW還包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲等。,17,三、實驗內(nèi)容,1、數(shù)據(jù)操作,編寫一個溫度監(jiān)測器，如右圖所示，當(dāng) 溫度超過報警上限，而且開啟報警時，報警 燈點亮。溫度值可以由隨即數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。,18,2、程序結(jié)構(gòu),利用順序結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)寫一個跑馬燈，如 下圖所示，5個燈從左到右不停的輪流點亮，閃 爍間隔由滑動條調(diào)節(jié)。,19,3、字符串、數(shù)組、簇和矩陣,利用簇模擬汽車控制，如右圖所示，控制面板可以對 顯示面板中的參量進行控制。油門控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速＝油門 *100，檔位控制時速,時速＝檔位*40，油量隨VI運行時間 減少。,20,四、實驗儀器與設(shè)備,1、計算機 2、ELVISII平臺LabVIEW編程環(huán)境,21,五、實驗報告格式及要求,（一）、實驗?zāi)康?（二）、實驗內(nèi)容及步驟 要求每寫一項實驗內(nèi)容，緊跟其后寫出下列內(nèi)容： ⑴．項目的電路圖及前面板； ⑵．項目的程序框圖； ⑶．記錄實驗調(diào)試結(jié)果 ，分析是否符合設(shè)計要求。 （三）、實驗儀器與設(shè)備,返回,22,參考程序-1,23,參考程序-2,24,參考程序-3,25,實驗二 LabVIEW軟件基本操作（二）,（本實驗為設(shè)計性實驗）,26,一、實驗?zāi)康?1、熟悉虛擬儀器編程軟件LabVIEW的基本操作和熟悉虛擬儀器實驗平臺； 2、掌握常見項目的編程方法和仿真調(diào)試。,27,二、實驗原理,LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。 傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向。,LabVIEW程序被稱為VI（Virtual Instrument），即虛擬儀器。 LabVIEW的核心概念就是“軟件即是儀器”，即虛擬儀器的概念。 LabVIEW還包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲等。,28,4、圖形化顯示數(shù)據(jù)——圖表和圖形,利用隨機數(shù)發(fā)生器仿真一個0到5V的采樣信號，每 200ms采一個點，共采集50個點，采集完后一次性顯示在 Waveform Graph上。,在上例基礎(chǔ)上再增加1路電壓 信號采集，此路電壓信號的 范圍為5到10V，采樣間隔是 50ms，共采100個點。采樣完 成后，將兩路采樣信號顯示 在同一個Waveform Graph中。,三、實驗內(nèi)容,29,5、 Express VI——快速搭建專業(yè)測試系統(tǒng),利用Express VI產(chǎn)生一個 帶白噪聲的正弦信號，然后用 功率譜分析Express VI對其進 行功率譜分析，并將原信號與 分析結(jié)果寫入測量文件。,30,6、文件I/O,有一個測量程序，采集 兩路信號，每1s采集一次， 要求每采集一次，就將采集 結(jié)果寫入文本文件尾部，即 使重新運行程序，仍能保證 數(shù)據(jù)添加到文件尾部，而不 會覆蓋原有數(shù)據(jù)。格式為a保 留4位小數(shù)，b為整數(shù)，如右 圖所示。,31,7、子VI,寫一個子VI計算輸入雙精度數(shù)組所有 元素的平均值，并在上層VI調(diào)用它。,32,四、實驗儀器與設(shè)備,1、計算機 2、ELVISII平臺LabVIEW編程環(huán)境,33,五、實驗報告格式及要求,（一）、實驗?zāi)康?（二）、實驗內(nèi)容及步驟 要求每寫一項實驗內(nèi)容，緊跟其后寫出下列內(nèi)容： ⑴．項目的電路圖及前面板； ⑵．項目的程序框圖； ⑶．記錄實驗調(diào)試結(jié)果 ，分析是否符合設(shè)計要求。 （三）、實驗儀器與設(shè)備,返回,34,參考程序-4,35,參考程序-5,36,參考程序-6,37,參考程序-7,38,實驗三 LabVIEW軟件基本操作（三）,（本實驗為設(shè)計性實驗）,39,一、實驗?zāi)康?1、熟悉虛擬儀器編程軟件LabVIEW的基本操作和熟悉虛擬儀器實驗平臺； 2、掌握常見項目的編程方法和仿真調(diào)試。,40,二、實驗原理,LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。 傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向。,LabVIEW程序被稱為VI（Virtual Instrument），即虛擬儀器。 LabVIEW的核心概念就是“軟件即是儀器”，即虛擬儀器的概念。 LabVIEW還包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲等。,41,8、屬性節(jié)點,三、實驗內(nèi)容,利用“報警信息”控件的blinking屬性，實現(xiàn)在輸出 報警信息的同時伴隨閃爍，如下圖所示。為了能看到 閃爍效果，需要將采樣間隔設(shè)到5秒以上。,42,9、 人機交互界面設(shè)計,寫一個能夠傳遞錯誤的子VI，子VI的功能是a+b=c， 當(dāng)有錯誤輸入時，錯誤直接輸出，c輸出為0。當(dāng)無 錯誤輸入時，進行正常計算。,43,10、數(shù)學(xué)分析與信號處理,用MathScript節(jié)點計算一個正弦信號迭加噪聲后的 單邊傅立葉頻譜。,44,四、實驗儀器與設(shè)備,1、計算機 2、ELVISII平臺LabVIEW編程環(huán)境,45,五、實驗報告格式及要求,（一）、實驗?zāi)康?（二）、實驗內(nèi)容及步驟 要求每寫一項實驗內(nèi)容，緊跟其后寫出下列內(nèi)容： ⑴．項目的電路圖及前面板； ⑵．項目的程序框圖； ⑶．記錄實驗調(diào)試結(jié)果 ，分析是否符合設(shè)計要求。 （三）、實驗儀器與設(shè)備,返回,46,實驗四 NI ELVISII平臺工作環(huán)境,（本實驗為驗證性實驗）,47,一、實驗?zāi)康?1、熟悉NI ELVISII平臺的組成、功能及使用； 2、掌握虛擬儀器LabVIEW編程環(huán)境。,48,構(gòu)思來源于加州州立大學(xué)圣伯納迪諾分校 Paul Dixon, 物理學(xué)系教授 虛擬儀器教學(xué)實驗的帶頭人,NI ELVIS 平臺的起源,二、NI ELVISII平臺簡介,49,從構(gòu)思到實現(xiàn),基于LabVIEW 和數(shù)據(jù)采集卡 可替換的原型板 集成各類常用儀器功能,NI ELVIS工作臺,PC,外部DAQ設(shè)備,Software,NI ELVIS II,NI ELVIS II+,50,ELVISII平臺硬件指標 – 1,數(shù)字萬用表 隔離 5? 位 60 VDC，20Vrms, 2 ADC, 2 Arms, 100MΩ,內(nèi)部電路保護 可復(fù)位保險絲,函數(shù)發(fā)生器 10-bit ±5V范圍 0.2 Hz到5 MHz 正弦 0.2 Hz到1 MHz 三角波/方波 軟件或手動可控 BNC或原型板連接,USB連接 即插即用 USB 2.0,示波器 16 bit 分辨率 1.25 MS/s 單通道 500kS/s 雙通道共計 1到1.5 MHz 帶寬 1x和10x探針 ±10 V 輸入范圍 AC/DC耦合 BNC連接,新 ELVISII+ 100MS/s 采樣率 50MHz 帶寬(-3dB) 8 bit 分辨率 ±20 V max. 輸入范圍 AC/DC/GND 耦合 20MHz 可選噪聲濾波器 1x 和 10x 探頭 BNC 連接,51,ELVISII平臺硬件指標 – 2,阻抗分析儀 0.2 Hz到35 kHz范圍 NPN, PNP, 二極管 其他分析: 波特圖分析儀 2-線電流電壓分析 3-線電流電壓分析,可變電源供電 10 bit 分辨率 0到+12V, 0到-12V 500 mA電流范圍,集成DAQ AI采樣率1.25 MS/s 單通道, 500kS/s雙通道 16 bit分辨率 AO 2.8 MS/s更新率 24 DIO, 15 PFI, 2 CTR,原型板 可替換 自定義Banana, BNC, D-Sub連接,52,ELVIS平臺原型板,數(shù)字 I/O,AI、 示波器、PFI,計數(shù)器、 LED,電源、波形發(fā)生器、自定義I/O、AO、 DMM,,,,,,53,原型板行、列連接,,,,54,,,,電路設(shè)計?原型板連接,55,操作儀器| NI ELVISmx儀器面板,數(shù)字萬用表 DMM 示波器 SCOPE 函數(shù)發(fā)生器 FGEN 可變電源 VPS 波特圖儀 Bode 動態(tài)信號分析儀 DSA,任意波形發(fā)生器 ARB 數(shù)字讀 DigIn 數(shù)字寫 DigOut 阻抗分析儀 Imped 2-線伏安特性測試儀 2-Wire 3-線伏安特性測試儀 3-Wire,通過軟面板調(diào)用 -- 與傳統(tǒng)儀器前面板相類似的體驗 在Multisim仿真環(huán)境中調(diào)用 在LabVIEW編程環(huán)境中調(diào)用,56,在仿真環(huán)境中調(diào)用儀器,在同一面板上：,,,通過切換設(shè)備名稱 訪問NI ELVIS硬件,NI ELVIS II 儀器 – 在Multisim中比較仿真數(shù)據(jù)和NI ELVIS II的測量信號,通過軟面板調(diào)用 -- 與傳統(tǒng)儀器前面板相類似的體驗 在Multisim仿真環(huán)境中調(diào)用 在LabVIEW編程環(huán)境中調(diào)用,V S,57,操作儀器| 自定義儀器編程,通過軟面板調(diào)用 -- 與傳統(tǒng)儀器前面板相類似的體驗 在Multisim仿真環(huán)境中調(diào)用 在LabVIEW編程環(huán)境中調(diào)用（Express VI/ DAQmx API）,58,三、實驗內(nèi)容,1-1 測量器件值 1-2 在NI ELVIS II開發(fā)板上創(chuàng)建分壓電路 1-3 使用DMM 測量電流 1-4 觀察RC瞬態(tài)電路的電壓變化 1-5 可視化RC瞬態(tài)電路的電壓 詳細步驟請參考實驗指導(dǎo)書。,59,四、實驗儀器與設(shè)備,1、計算機 2、ELVISII平臺LabVIEW編程環(huán)境,60,五、實驗報告格式及要求,（一）、實驗?zāi)康?（二）、實驗內(nèi)容及步驟 要求每寫一項實驗內(nèi)容，緊跟其后寫出下列內(nèi)容： ⑴．項目的電路圖及前面板； ⑵．項目的程序框圖； ⑶．記錄實驗調(diào)試結(jié)果 ，分析是否符合設(shè)計要求。 （三）、實驗儀器與設(shè)備,返回,61,實驗五 電子溫度計實驗,（本實驗為設(shè)計性實驗）,62,一、實驗?zāi)康?1、熟悉NI ELVISII平臺的組成、功能及使用； 2、掌握虛擬儀器LabVIEW編程環(huán)境。,63,二、實驗內(nèi)容,2-1 測量電阻元件阻值 2-2 操作可變電源 2-3 熱敏電阻電路 2-4 構(gòu)建NI ELVIS虛擬數(shù)字溫度計 詳細步驟請參考實驗指導(dǎo)書。,64,三、實驗儀器與設(shè)備,1、計算機 2、ELVISII平臺LabVIEW編程環(huán)境,65,四、實驗報告格式及要求,（一）、實驗?zāi)康?（二）、實驗內(nèi)容及步驟 要求每寫一項實驗內(nèi)容，緊跟其后寫出下列內(nèi)容： ⑴．項目的電路圖及前面板； ⑵．項目的程序框圖； ⑶．記錄實驗調(diào)試結(jié)果 ，分析是否符合設(shè)計要求。 （三）、實驗儀器與設(shè)備,返回,66,實驗六 AC電路工具實驗,（本實驗為設(shè)計性實驗）,67,一、實驗?zāi)康?1、熟悉NI ELVISII平臺的組成、功能及使用； 2、掌握虛擬儀器LabVIEW編程環(huán)境。,68,二、實驗內(nèi)容,3-1 電路元件值的測量 3-2 元件與電路阻抗Z的測量 3-3 利用函數(shù)發(fā)生器和示波器測量一個RC電路 3-4 RC電路的增益/相位波特圖 詳細步驟請參考實驗指導(dǎo)書。,69,三、實驗儀器與設(shè)備,1、計算機 2、ELVISII平臺LabVIEW編程環(huán)境,70,四、實驗報告格式及要求,（一）、實驗?zāi)康?（二）、實驗內(nèi)容及步驟 要求每寫一項實驗內(nèi)容，緊跟其后寫出下列內(nèi)容： ⑴．項目的電路圖及前面板； ⑵．項目的程序框圖； ⑶．記錄實驗調(diào)試結(jié)果 ，分析是否符合設(shè)計要求。 （三）、實驗儀器與設(shè)備,返回,71,實驗七 運放濾波器實驗,（本實驗為綜合性實驗）,72,一、實驗?zāi)康?1、熟悉NI ELVISII平臺的組成、功能及使用； 2、掌握虛擬儀器LabVIEW編程環(huán)境。,73,二、實驗內(nèi)容,4-1 測量電路元件的規(guī)格賦值 4-2 基本運放電路的頻率響應(yīng) 4-3 測量運放的頻率特性 4-4 高通濾波器 4-5 低通濾波器 4-6 帶通濾波器 詳細步驟請參考實驗指導(dǎo)書。,74,三、實驗儀器與設(shè)備,1、計算機 2、ELVISII平臺LabVIEW編程環(huán)境,75,四、實驗報告格式及要求,（一）、實驗?zāi)康?（二）、實驗內(nèi)容及步驟 要求每寫一項實驗內(nèi)容，緊跟其后寫出下列內(nèi)容： ⑴．項目的電路圖及前面板； ⑵．項目的程序框圖； ⑶．記錄實驗調(diào)試結(jié)果 ，分析是否符合設(shè)計要求。 （三）、實驗儀器與設(shè)備,返回,76,實驗八 LED營救實驗,（本實驗為綜合性實驗）,77,一、實驗?zāi)康?1、熟悉NI ELVISII平臺的組成、功能及使用； 2、掌握虛擬儀器LabVIEW編程環(huán)境。,78,二、實驗內(nèi)容,7-1 測試二極管并確定其極性 7-2 二極管的特性曲線 7-3 手動測試并控制雙向交通燈十字路口 7-4 雙向十字路口交通信號燈的自動化運轉(zhuǎn) 詳細步驟請參考實驗指導(dǎo)書。,79,三、實驗儀器與設(shè)備,1、計算機 2、ELVISII平臺LabVIEW編程環(huán)境,80,四、實驗報告格式及要求,（一）、實驗?zāi)康?（二）、實驗內(nèi)容及步驟 要求每寫一項實驗內(nèi)容，緊跟其后寫出下列內(nèi)容： ⑴．項目的電路圖及前面板； ⑵．項目的程序框圖； ⑶．記錄實驗調(diào)試結(jié)果 ，分析是否符合設(shè)計要求。 （三）、實驗儀器與設(shè)備,返回,81,謝謝！,82,