核儀器課程設(shè)計指導(dǎo)書

LabVIEW的生疏與應(yīng)用設(shè)計指導(dǎo)書一、設(shè)計目的和要求〔一〕設(shè)計目的通過使用LabVIEW完成對信號的處理，電路的仿真及算法的實現(xiàn)，對《核電子學(xué)與核儀器》所學(xué)內(nèi)容有更進(jìn)一步的理解，加深印象，使所學(xué)學(xué)問得以穩(wěn)固和提高。全面把握《核電子學(xué)與核儀器》的各局部內(nèi)容的關(guān)鍵，實現(xiàn)設(shè)計、模擬仿真的技術(shù)環(huán)節(jié)，提高分析問題解決問題的力量；培育學(xué)生的動手力量和遵守紀(jì)律的高尚情操還有對待工作嚴(yán)峻認(rèn)真、一絲不茍、實事求是、不畏艱辛的優(yōu)良作風(fēng)，為今后從事技術(shù)工作奠定堅實的根底?！捕吃O(shè)計要求1、把握LabVIEW的使用方法；2、把握信號的處理方法、電路的仿真技術(shù)及各種算法的實現(xiàn)；3、把握LabVIEW前面板界面的設(shè)計；4、根本把握使用LabVIEW進(jìn)展程序設(shè)計與仿真。二、設(shè)計內(nèi)容〔一〕軟件的生疏1、虛擬儀器的概念虛擬儀器的概念最早是由美國國家儀器公司〔NationalInstrument，NI公司〕在1986年提出的。2080年月中期微軟公司W(wǎng)indows到了很大提高。1986年，NI公司推出了圖形化的虛擬儀器編程環(huán)境LabVIEW，這標(biāo)志著虛擬儀器1988年開頭間續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市。虛擬儀器是一種基于計算機的數(shù)字化自動測試儀器系統(tǒng)，它通過軟件將計算機硬件資源〔如微處理器、內(nèi)存和顯示器等〕與儀器硬件資源〔如A/D、D/A、I/O和信號調(diào)理等〕結(jié)合起來，使操作人員可以通過友好的圖形界面及圖形化編程語言掌握儀器運行，完成對被測試量的采集、分析、判VI通過把計算機強大的計算處理力量和儀器硬件的測量、掌握力量結(jié)從而實現(xiàn)各種測量和測試。虛擬儀器的“虛擬”主要包含以下兩方面的含義：“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是一樣的，如由各種開關(guān)、按鍵和顯示器圖標(biāo)等實現(xiàn)儀器電源的“通”、“斷”，實現(xiàn)被測信號的“輸入通道”、“放大倍數(shù)”等參數(shù)的設(shè)置，以及實現(xiàn)測量結(jié)果的“數(shù)值顯示”、“波形顯示”等。傳統(tǒng)一起面板上的器件都是“實物”，而且通過“手動”和“觸摸”進(jìn)展操作；而虛擬儀器前面板是外形與實物想像的“圖標(biāo)”，每個圖標(biāo)的“通”、“斷”及“放大”等動作通過用戶操作計算機鼠標(biāo)或鍵盤來完成的。因此，設(shè)計虛擬一起的前面板就是在前面板設(shè)計窗口中擺放所需的圖標(biāo)，然后對圖標(biāo)的屬性就行設(shè)置。擬儀器通過軟件編程來實現(xiàn)儀器的測試功能，而且它可以通過實現(xiàn)不同測試功能的軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種測試功能。因此，在硬件平臺確定后，就有“軟件就是儀器”的說法。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。2、虛擬儀器的構(gòu)成與特點虛擬儀器依據(jù)其模塊化功能硬件的不同，有多種構(gòu)成方式，其根本框圖如圖1所示。從圖中可以看出，虛擬儀器的構(gòu)成需要一些特定的硬件接口來與被測對象進(jìn)展數(shù)據(jù)通信。這些接口有一些已經(jīng)形成了國際標(biāo)準(zhǔn)，例如通用接口總線GPIB〔GeneralPurposeInterfaceBusANSI/IEEE488.2-1987標(biāo)準(zhǔn)的被廣泛承受的接口。無論承受哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都要通過應(yīng)用軟件將一起硬件與通用計算機結(jié)合起來。信號調(diào)理信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡RS-232/IEEE-488接口儀器被測對象傳感器GPIB總線儀器GPIB電纜GPIB接口卡計算機及軟件網(wǎng)絡(luò)VXI總線儀器VXI電纜VXI接口卡PXI總線儀器PXI電纜PXI接口卡FieldBus總線儀器1虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成的根本框圖虛擬儀器的軟件將可選硬件〔RS-232、GPIB、VXI和PXI等〕和可以重復(fù)使用源碼庫函數(shù)的軟件結(jié)合起來，實現(xiàn)模塊間的通信。虛擬儀器軟件包括應(yīng)用程序和I/O借口設(shè)備驅(qū)動程序，如圖2所示。其中，應(yīng)用程序包括兩方面的程序：實現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序和定義儀器測試功能的流程圖軟件程序。而I/O借口設(shè)備驅(qū)動程序用來完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動與通信。應(yīng)用程序應(yīng)用程序I/O接口設(shè)備驅(qū)動程序2虛擬儀器的軟件構(gòu)成虛擬儀器集傳統(tǒng)儀器與計算機之長，并完全“繼承”了PC技術(shù)的優(yōu)點。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較1比較了二者的優(yōu)缺點。通過比較覺察，虛擬儀器在智能化程序、處理力量、性能價格比和可操作性等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：。用戶完全可以依據(jù)實際應(yīng)用的需求，將先進(jìn)的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個的層次。測試器，可設(shè)計出數(shù)字示波器、規(guī)律、計數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更敏捷、系統(tǒng)費用更低。它通過與計算機網(wǎng)絡(luò)連接，還可以實現(xiàn)分布式共享，從而更好地發(fā)揮儀器的使用價值。。使用計算機的多媒體處理力量可以使儀器操作更加直觀、簡便易于理解，而且測量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測量完后還可以打印，顯示所需的報表曲線。這些都使得儀器的可操作性大大提高。工程開發(fā)維護(hù)費用技術(shù)更周期系統(tǒng)升級價格儀器功能構(gòu)造開放性互聯(lián)性能操作界面通用性

1虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器軟件使得其開發(fā)與維護(hù)費用降至最低技術(shù)更周期短〔1～2年〕由于是軟件，所以系統(tǒng)性能升級便利，下載升級程序即可用用戶能夠依據(jù)自己的需要定義儀器的功能，并可以敏捷多變開放式的構(gòu)造，敏捷，可與計算機技術(shù)保持同步，有眾多支持廠家應(yīng)用的儀器系統(tǒng)圖形化界面，操作簡便故障診斷

傳統(tǒng)儀器開發(fā)與維護(hù)開銷高技術(shù)更周期長〔5～10年〕高，且升級須上門效勞互利用只有廠商能定義儀器功能能單一，不能轉(zhuǎn)變封閉、固定，兼容性差備顯示功能單一，操作不便3、LabVIEW概述LabVIEW〔LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench〕的簡稱，它是美國國家儀器公司的一個創(chuàng)型軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣泛、進(jìn)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。LabVIEW自1986年問世以來，已經(jīng)成為虛擬儀器軟件開發(fā)平臺事實上的LabVIEW所開創(chuàng)的圖形化語言編程方法成為虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用與進(jìn)展的重要根底，得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。LabVIEW計環(huán)境，利用它設(shè)計者可以像搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并可以任意構(gòu)造儀器面板，而無須進(jìn)展任何繁瑣的計算機程序代碼的編寫，從而可以大大簡化程序的設(shè)計LabVIEWVisualC++、VisualBasicLabWindows/CVI等編程語言不同，后者承受的是基于文本語言的程序代碼，而LabVIEW則是使用圖形化程序設(shè)計語言G，它用方框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。LabVIEWLabVIEW設(shè)計的虛擬儀器可以脫離LabVIEW的是和實際的硬件儀器相像的操作面板。LabVIEWVI。VI有一個人機對話的用戶界面—前面板〔FrontPanel〕和相當(dāng)于源代〔DiagraVI模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)供給應(yīng)VI的框圖程序；而指示器〔Indicators〕則是模擬了儀器的輸出裝置并顯示由框圖程序獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當(dāng)把一個控件或指示器放置到前面板上時，LabVIEW便在框圖程序中相應(yīng)的產(chǎn)生了一個終端Terminal，這個附屬于控件或指示器的終端不能隨便的被刪除，只有刪除它對應(yīng)的控件或指示器時它才會隨之一起被刪除。用LabVIEW開發(fā)的程序一般由一個或多個后綴名為vi的文件組成，這些文件可被稱為VIVirtualInstrumenLabVIEW即VIPane、框圖BlockDiagra〕及圖標(biāo)和連線板IconandConnecto。前面板前面板是圖形用戶界面，用戶可以在前面板上操作一臺設(shè)計好的虛擬儀器。該界面上有一個控件選板，有輸入和顯示兩種控件。輸入控件主要有開關(guān)、按鈕和其他各種輸入設(shè)備，用于交互式輸入；顯示控件主要包括圖形圖表，指示燈和其他的一些輸出對象，用于交互式輸出。圖3所示為LabVIEW的前面板界面圖。3LabVIEW前面板示意圖輸入型控件一般是指旋鈕、按鈕、轉(zhuǎn)盤等輸入裝置，它模擬儀器的輸入裝置，可為VI的程序框圖供給輸入數(shù)據(jù)，或者輸出結(jié)果。顯示型控件一般是指圖表、指示燈等顯示裝置，它模擬儀器的輸出裝置，用于顯示程序框圖獵取或生成的數(shù)據(jù)。程序框圖程序框圖供給了VI的圖形化源程序，程序開發(fā)完成后在運行時程序框圖是不行見的，它和文本開發(fā)平臺如VC++、VB等編程語言類似，只不過LabVIEW開發(fā)語言是基于圖形的，簡潔直觀。在程序框圖中，通過連線將一些函數(shù)或子VI連接起來，并結(jié)合肯定的程序構(gòu)造，實現(xiàn)所需要的各種功能。前面板上的控件在程序框圖中有其對應(yīng)的圖標(biāo)和端口，除此之外，程序框圖中還有函數(shù)節(jié)點、常量和構(gòu)造等，這些往往不會消滅在前面板窗口中。圖4所示為LabVIEW的后面板界面圖。4LabVIEW的后面板示意圖程序框圖是由節(jié)點、端點、圖框和連線四種元素構(gòu)成的。①節(jié)點。節(jié)點類似于文本語言程序的語句、函數(shù)或者子程序。LabVIEW有二種節(jié)點類型——函數(shù)節(jié)點和子VI節(jié)點。兩者的區(qū)分在于：函數(shù)節(jié)點是LabVIEW以編譯好了的機器代碼供用戶使用的，而子VI節(jié)點是以圖形語言形式供給應(yīng)用戶的。用戶可以訪問和修改任一子VI節(jié)點的代碼，但無法對函數(shù)節(jié)點進(jìn)展修改。上面的框圖程序所示的VI程序有兩個功能函數(shù)節(jié)點，一個函數(shù)使兩個數(shù)值相加，另一個函數(shù)使兩數(shù)相減。②端點。端點是只有一路輸入/LabVIEW有三類端點——前面板對象端點、全局與局部變量端點和常量端點。對象端點是數(shù)據(jù)在框圖程序局部和前面板之間傳輸?shù)慕涌凇Ｒ话銇碚f，一個VI的前面板上的對象〔掌握或顯示〕都在框圖中有一個對象端點與之一一對應(yīng)。當(dāng)在前面板創(chuàng)立或刪除面板對象時，可以自動創(chuàng)立或刪除相應(yīng)的對象端點。掌握對象對應(yīng)的端A和BVI程序框圖中作為數(shù)據(jù)流源點。顯示對象對應(yīng)的端點在框圖中是用細(xì)框框住的。如例子中的A+B和A-B端點。它們只能在VI程序框圖中作為數(shù)據(jù)流終點。常量端點永久只能在VI程序框圖中作為數(shù)據(jù)流源點。③圖框。圖框是LabVIEW實現(xiàn)程序構(gòu)造掌握命令的圖形表示。如循環(huán)掌握、條件分支掌握和挨次掌握等，編程人員可以使用它們掌握VI程序的執(zhí)行方式。代碼接口節(jié)點〔CIN〕是框圖程序與用戶供給的C語言文本程序的接口。端口向一個或多個目的端口流淌。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型。在彩顯上，每種數(shù)據(jù)類型還以不同的顏色予以強調(diào)。連線板連線板則用來定義輸入和輸出，用戶可在界面右上角的VI圖標(biāo)上用鼠標(biāo)右鍵點擊，選擇“顯示連線板”，調(diào)出當(dāng)前VI的連線板進(jìn)展設(shè)置。LabVIEW編程中，用戶要做的工作就是恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置參數(shù)，并連接各個子VI。編程一般步驟就是使用鼠標(biāo)取適宜的模塊、連線和設(shè)置參數(shù)的過程，這與煩瑣的文本編程相比更為簡潔、生動和直觀。假設(shè)將VI與真實儀器相比較，那么前面板就像是儀器的操作和顯示面板，供給各種參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)的顯示，框圖就像是儀器內(nèi)部的印刷電路板，是儀器的核心運算局部，對儀器用戶來講則是透亮的，而圖標(biāo)和連線板可以比作電路板上的電子元器件和集成電路，保證了儀器正常的規(guī)律和運算功能?！踩矻abVIEW的應(yīng)用1、LabVIEW的啟動安裝成功后，在工作名目下雙擊執(zhí)行文件LabVIEW.exe就可啟動LabVIEW。2、LabVIEW的應(yīng)用舉例下面給出的是一個虛擬信號發(fā)生器的程序設(shè)計例子。設(shè)計一個虛擬信號發(fā)生器首先要進(jìn)展前面板的設(shè)計，前面板的設(shè)計主要需要考慮到所設(shè)計的信號發(fā)生器要實現(xiàn)什么功能，再依據(jù)這些功能，在控件選板中選擇相應(yīng)的控件，放在前面板相應(yīng)的位置上，其擺放也有肯定的講究，在函數(shù)選板中選擇相應(yīng)的函數(shù)，由于程序不是只執(zhí)行一次，所以要涉及到循環(huán)構(gòu)造，所設(shè)計的信號發(fā)生器程序用到的循環(huán)構(gòu)造有while循環(huán)構(gòu)造、條件構(gòu)造。程序調(diào)試成功后就完成了一個虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計，56所示。面板上啟動按鈕的狀態(tài)，推斷用戶是否啟動了兩者之一，假設(shè)是，則關(guān)閉另一信號源。4并在前面板上設(shè)置了相應(yīng)的可以調(diào)整的參數(shù)，如頻率、幅度等。息(幅度聽從高斯分布、時間間隔聽從負(fù)指數(shù)分布)的高斯脈沖信號。在前面板上設(shè)置了幅度值等。該模塊仿真結(jié)果(在示波器上顯示)7所示，從圖中可以看出該信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號已到達(dá)所需要求。5虛擬信號發(fā)生器的程序框圖6虛擬信號發(fā)生器的前面板界面圖〔a〕正弦波〔b〕隨機信號7虛擬信號發(fā)生器仿真結(jié)果〔四〕設(shè)計內(nèi)容1、虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計要求運用LabVIEW〔包括程序與前面板界面設(shè)計〔能仿真的信號種類越多越好，調(diào)試出最正確工作狀態(tài)并給出調(diào)試結(jié)果。2、虛擬濾波器的設(shè)計要求運用LabVIEW完成某種核信號數(shù)字濾波器〔準(zhǔn)高斯、雙極性濾波成形等〕的設(shè)計〔包括程序與前面板界面設(shè)計〔最終能夠得到與理論全都的輸出信號并給出調(diào)試結(jié)果。3、虛擬示波器的設(shè)計要求運用LabVIEW完成某種示波器的設(shè)計〔包括程序與前面板界面設(shè)計〕及模擬仿真〔示波器能夠給出的信息量越多越好，調(diào)試出最正確工作狀態(tài)并給出調(diào)試結(jié)果。4、虛擬線性放大器的設(shè)計要求運用LabVIEW〔包括程序與前面板界面設(shè)計〔最好與試驗室常用的NIM插件相像，調(diào)試出最正確工作狀態(tài)并給出調(diào)試結(jié)果。5、虛擬單道脈沖幅度分析器的設(shè)計要求運用LabVIEW完成某種單道脈沖幅度分析器的設(shè)計〔包括程序與前面板界面設(shè)計〕及模擬仿真〔最好與試驗室常用的NIM插件相像，使得所設(shè)計的單道脈沖幅度分析器與真實的單道功能一樣。6、虛擬定標(biāo)器的設(shè)計要求運用