基于LabVIEW的虚拟频率计设计

课程名称：虚拟仪器课程设计设计题目 院 系： 专 业： 年 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2016 年 06 月 16 日课 程 设 计 任 务 书专 业 姓 名 学 号 开题日期： 完成日期： 题 目 虚拟频率计 一、设计的目的虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术高速发展孕育出的一项革命性的技术，其核心是用软件来实现硬件的功能。本文所设计的频率计就是基于Lab view的虚拟仪器，将现实世界的物理量转换为电信号，并最终得到理想的测试结果。 二、设计的内容及要求使用数据采集卡的输入端口，测量外界信号的频率。 要求：界面友好，易于操作。实现最基本的功能。 三、指导教师评语 四、成 绩 指导教师 (签章) 承 诺本人郑重承诺：所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立进行设计（研究）所取得的成果，除文中特别加以标注引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的设计（研究）成果。对本设计（研究）做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现设计（论文）中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担一切后果。学生签名：2016 年 06 月 16 日西南交通大学本科课程设计（论文） 第 I 页摘 要虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术高速发展孕育出的一项革命性的技术，其核心是用软件来实现硬件的功能。基于 G 语言的图形化编程环境Labview 是美国 NI 公司的创新软件产品，它是一种功能强大的虚拟仪器开发平台，同时也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。本文所设计的频率计就是基于 Labview 的虚拟仪器。该频率计具有操作简单、实用性强、可维护性强等诸多优点。关键词：虚拟仪器； LABVIEW； 频率计； 串行通信西南交通大学本科课程设计（论文） 第 II 页AbstractVirtual instrument is the modern computer software technology,communication technology and measuring technology high development gives birth to a revolutionary technology,its core is to use the software to realize the function of the hardware.Base on G language graphical programmingenvirment LABVIEW is the companys innovative software NI products,it is a powerful virtual instrument development platform,and it is also the most widely,send a fastest,strongest function graphical softeware integration development environment.This paper involves the frequency meter is based on virtual instrument of LABVIEW,the frequency meter is characterized by simple operation,pratical strong,maintainability,and storng ,and many other advantages.Keywords: Virtual Instrument; LabVIEW; Frequency meter;Serial communication西南交通大学本科课程设计（论文） 第 III 页目 录第 1 章 绪 论 .11.1 虚拟仪器简介 .11.1.1 虚拟仪器概念 .11.1.2 虚拟仪器组成 .11.2 LabVIEW 简介 .2第 2 章 设计介绍 .4第 3 章 虚拟频率计的设计 .53.1 虚拟频率计的数据采集 .53.1.1 数据采集过程 .53.1.2 基于 LabVIEW 的数据采集系统总体结构 .63.2 虚拟频率计的模拟信号采集 .73.2.1 模拟输入基本概念 .73.2.2 创建数据采集程序 .83.2.3 数据采集 VI.103.3 虚拟频率计的数据采集程序 .123.3.1 采集有限数量的数据 .123.3.2 连续采集数据 .133.4 虚拟频率计的前面板 .133.5 虚拟频率计的程序框图 .15第 4 章 测试和结果分析 .174.1 测试 .174.2 结果分析 .18结 论 .19收获和体会 .20参考文献 .21西南交通大学本科课程设计（论文） 第 1 页第 1 章 绪 论1.1 虚拟仪器简介1.1.1 虚拟仪器概念虚拟仪器的概念是美国 NI 公司(National Instrument)在 20 世纪 80 年代中期提出来的。美国国家仪器公司 NI（National Instrument）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国 NI 公司的 LabVIEW。1.1.2 虚拟仪器组成硬件部分：构建基于计算机的虚拟仪器，需要有相应的硬件来支持。虚拟仪器的硬 件组成一般分为基础硬件平台和外围硬件设备。基础硬件平台目前可以选择各种类型的计算机，虚拟仪器充分地利用了计算机的图形用户界面（GUI），所开发的具体应用程序都是基于 Windows 运行环境。而外围硬件设备则主要包括：各种计算机内置插卡和外置程控测试设备。这里的外置程控测试设备是指带有某种接口的测试设备。 内置功能插卡产品正在不断面市。单个插卡就可以完全实现以前体积相对庞大的单台设备的功能。它可以替代任意波形发生器、计数器、数字万用表、示波器及逻辑分析仪等。一定程度上实现了测试与测量仪器系统的小型化，提高了便携性。计算机内置插卡中的数据采集（DAQ）是 VI 的重要组成部分，包括 A/D、D/A 转西南交通大学本科课程设计（论文） 第 2 页换，数字输输出等电路。其性能决定了数据采集的精度和速度，影响着仪器的整体性能。DAQ 卡种类繁多，功能齐全，从数据采集的前向通道至后向通道的各个环节，都有对应的 DAQ 产品。随着 A/D、D/A 转换技术、信号波形处理技术的不断改进，DAQ 卡的采样率已达 1GB/s，精度高达 24 位，通道数高达 64 个，并能任意结合数字I/O、模拟输出和计数器、定时器通道，可以完成模拟波形采集与产生、数字量信号采集、波形采集及数据自动存储、模拟 I/O、数字 I/O、定时 I/O、信号调理等工作。软件部分：VI 系统的核心部分是软件。VI 的软件由用户应用软件、试验程序和 测量仪器驱动程序等三个部分组成，图形化编程技术平台如 HPVEE、Labview 和Labwindows/CVI 位于最上层。虚拟仪器软件体系结构 visa（Virtual Instrumentation software Architecture）主要包含两个层次：用户应用程序和设备驱动程序。其中设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础。每一种设备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的。每个设备驱动程序都具有一个共同的应用程序编程接口，因此，不管虚拟仪器所使用的计算机或者操作系统是什么，最终所编写的用户应用程序都是可移植的。对于市场上的大多数计算机内置插卡，厂家都配备了相应的设备驱动程序。用户在编制应用程序时，可以像调用系统函数那样，直接调用设备驱动程序，进行设备操作。虚拟仪器的“面板”显示在的屏幕上，仪器的操作是通过鼠标和键盘选中不同的按键和旋钮来完成的，触摸屏也可直接点触屏幕完成。1.2 LabVIEW 简介LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器集成环境)是一个基于 G（Graphic）语言的图形编程开发环境，在工业界和学术界中广泛用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言，对于科学研究和工程应用来说是很理想的语言。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用西南交通大学本科课程设计（论文） 第 3 页TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32 位/64 位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh 的多种版本。它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件！现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统（支持 32 位的嵌入式系统，并且可以扩展的） ，不断完善中。西南交通大学本科课程设计（论文） 第 4 页第 2 章 设计介绍本设计采用数据采集和频率测量的方法来实现。数据采集使用到数据采集卡，具体采集方法分为两种：采集有限数量的数据和连续采集数据。具体方法将在第 3章详细介绍。根据奈圭斯特理论，要正确反映一个信号的频率特征，需要采用信号最高频率成分两倍以上的采样率，这意味着对信号每个周期仅取两个点；采样率的 1/2 被称为奈圭斯特频率，高于奈圭斯特频率的信号会在直流和奈圭斯特频率之间产生混叠。混叠频率是与信号频率最接近的整数倍采样率减去信号频率，再取绝对值。工程上为了防止混叠在信号采集前用硬