湖 南 科 技 大 学

课 程 设 计

课程设计名称：   《虚拟仪器》课程设计    

学生姓名：                                 

学       院：                                 

专业及班级：                               

学       号：                                

指导教师：    毛征宇郭迎福      

                                                     年    月    日

课 程 设 计 任 务 书

机电学院 测控仪器 系                           系  主  任：   杨书仪    

学生班级：2011测控1、2、3 班                  日      期：  2014.12.12  

一、设计目的：

在学习和了解虚拟仪器及总线技术与LabVIEW开发平台的基本原理和方法的基础上，使学生理论与实践相结合，深入了解虚拟仪器技术及LabVIEW编程技术在工程常见领域的测量与分析的应用，提高学生将虚拟仪器、测试技术和电子、机械、通讯等多学科的综合应用能力和实际动手能力。

二、学生提交设计期限：

在本学期20##年12月15日至20##年12月26日完成，设计必须学生本人交指导老师评阅，指导教师将组织部分学生答辩。

三、本设计参考材料：

    《LabVIEW2010基础教程》  《基于LabVIEW的虚拟仪器设计》  《虚拟仪器》

    《虚拟仪器技术分析与应用》   《测试技术》

四、设计题目的选定：

参考设计题目附后页，必须选二题（一般信号分析的虚拟仪器设计和工程测试实验教学虚拟仪器各一题）。

五、设计要求：

1、查阅相关资料；

2、提出整体系统设计方案；

3、详细设计虚拟仪器各部分的原理、组成及具体实现过程；

4、说明前面板控件布置、流程图（节点和图框）编辑和数据流实现方法；

5、运行检测（仿真检测和实测检测。）

六、设计成果及处理说明书主要章节：

1．设计成果（包括说明书、前面板窗口设计和程序代码编辑及其程序软件）；

2．设计说明书格式及主要章节：

a. 封面（参照学院规定标准）；

b. 设计任务书（包括选定设计题目与要求）；

c. 目录

d. 说明书正文；（主要章节包括：系统总体方案分析及确定；虚拟仪器设计步骤详细介绍；程序调试运行与结果分析等）

e. 设计总结及体会；

f. 参考文献

七、设计所得学分及成绩评定：

本设计单独算学分及成绩：占2个学分。

考核与评分主要分四个方面：

1．学生平时出勤及工作态度；

2．虚拟仪器设计正确性及前面板布置实用、美观程度；

3．说明书、软件编写规范、调试分析结果及独立工作能力；

4．答辩成绩。

八、设计进度与答疑：

1、 确定设计题目及查阅资料，并确定方案：12.15~12. 16日；

2、 虚拟仪器设计及编程 12.17~12.22日；

3、 运行调试检测与修改，撰写课程设计报告：12.23～12.26日；

4、 提交设计报告，学生答辩：12.26～12.28日。

学生签名：                    指导老师签名：        

学    号：                    日        期：             

目  录

任务说明书

第一部分  虚拟相关法测量相位差仿真仪设计说明书

第1章  虚拟相关法测量相位差仿真仪设计原理………………………………………1

1.1相关法测量相位差的原理…………………………………………………………1

1.2离散时间表达式……………………………………………………………………2

1.3相关法存在问题……………………………………………………………………2

  第2章 虚拟相关法测量相位差仿真仪前面板设计……………………………………4

第3章 虚拟相关法测量相位差仿真仪程序框图设计…………………………………6

第4章 虚拟相关法测量相位差仿真仪运行监测………………………………………7

第二部分  位移测试虚拟仪器设计说明书…………………………………………………8

  第1章  位移测试虚拟仪器设计原理……………………………………………………8

  第2章  位移测试虚拟仪器前面板设计…………………………………………………9

  第3章  位移测试虚拟仪器程序框图设计………………………………………………10

  第4章  位移测试虚拟仪器运行监测……………………………………………………12

设计总结及体会……………………………………………………………………………13

参考文献

虚拟相关法测量相位差仿真仪设计说明书

第1章  虚拟相关法测量相位差仿真仪设计原理

1.1相关法测量相位差的原理

相关法利用两同频正旋信号的延时时的互相关函数值与基相位差的余弦值成正比的原理获得相位差。由于噪声信号通常与有效信号相关性很小，因而该方法有很好的噪声抑制能力。

假设有两个同频信号、，都被噪声污染，描述如下

    

                                    （式1.1.1）

其中，A、B分别为和的幅值；，分别为噪声信号。显然两者的相位差，但实际中是无法知道和的。用相关法求相位差的原理如下，周期信号互相关函数的表达式为：

                                      （式1.1.2）

其中，T为信号周期，将式1.1.2代入式1.1.1，可得：

    

当时，

    

理想情况下，噪声和信号不相关，且噪声之间也不相关，积分后得：

    

所以有：

                                  （式1.1.3）

另外，信号的幅值和在延时时的自相关函数值又有下述关系：

                                     （式1.1.4）

这样，通过两信号的自相关、互相关就可以求得他们的相位差。

1.2离散时间表达式

实际处理的是连续信号采样后得离散点序列，因而，计算相关函数所用的计算式相应的也应该是离散时间表达式，下面是相应的离散时间计算公式：

                                             （式1.2.1）

       

           

其中，为采样点数。

1.3相关法存在问题

（1）当信号中存在噪声干扰时，用延时时的自相关函数值求取信号幅值会引入较大误差。

l  问题的提出

根据自相关函数的性质，噪声信号也在时取得最大值，因而，当有效信号中含有噪声信号时，信号的自相关最大值是有效信号和噪声信号各自的相关最大值叠加的结果，用式1.1.4求取有效信号幅值的结果不准确。具体推证如下：

对信号，其时的自相关函数值为：

     

式1.1.4中给出的信号幅值A与间的关系式不在成立。

l  解决

含噪声信号的自相关函数如图1-1-1所示(假设噪声为白噪声)-由图中可以看到，在τ到达一定值之后，含噪信号的自相关函数完全等于有效信号的自相关函数，这是由于噪声信号的自相关函数随着时延τ的增大迅速衰减。据此，对于正弦信号含有噪声的情况，完全可以用含噪信号自相关函数的次峰值来计算正弦波的幅值，此方法称为次峰值取代法。

              

                图1-1-1     含白噪声干扰的正弦信号的自相关函数

（2）周期信号的自相关函数的离散计算式在所取总点数不等于整周期时存在计算误差。 这个问题可以用频率跟踪法解决。所谓频率跟踪法：就是即时测量信号的当前频率，根据信号频率确定采样频率和采样总点数。这一方法同时也是解决FFT方法测相差问题的有效方法。

（3）相关法适用于对同频正弦信号求取相差，而对于含有多个频率分量的周期信号适用。

（4）程序设计

本设计未对相关法存在问题做相应的处理，其程序流程图如图1-1-2所示。

                       

                               图1-1-2         程序流程图

从图中可以看出，程序运行时，首先确定两个正弦信号的各个参数（幅值、相位、采样点数、采样周期等），然后启动相关计算过程，最后显示互相关函数计算结果波形和相位差。

第2章 虚拟相关法测量相位差仿真仪前面板设计

1.六个输入型数字控件

六个输入型数字控件供使用者键入生成两个正弦波的幅值A、B，初始相位、，信号频率f以及采样频率。

执行右键新式数值数值输入控件操作六次，得到六个输入型数字控件，分别标记为“采样频率”、“信号频率”、“幅值1”“初始相位1”“幅值2”“初始相位2”。

2.一个组合框输入控件

组合框用来选择采样的点数。

执行右键新式字符串与路径组合框操作，得到一个组合框输入控件，标记为“采样点数”，选中组合框，右键选择属性编辑项Insert，输入“16”，继续此操作6次，分别输入要求的频率，取消“允许在运行时有未定义值”选项，然后点击确认。

3.一个显示型数字控件

执行右键新式数值数值显示控件操作，得到一个显示型数字控件，标记为“相位差”。

4.一个输出显示型图形控件

输出显示图形控件用来显示所产生的正弦波波形。

执行右键新式图形波形图操作，得到一个输出显示型图形控件。

5.一个停止控件

停止控件用来控制程序的结束。

执行右键新式布尔停止按钮操作。

添加并标记完所有控件后，将各个控件调整位置，达到美观的效果，然后在正上方双击输入“虚拟相关法测量相位差仿真仪”，将字体调整到合适大小。

如上设计的前面板如图1-2-1所示。

                  图1-2-1   虚拟相关法测量相位差仿真仪前面板

第三章  虚拟相关法测量相位差仿真仪程序框图设计

执行右键编程字符串字符串/数值转换十进制数字符串至数值转换操作放置一个十进制数字符串至数值转换图标。

执行右键编程数值减1操作，放置一个减1图标。

执行右键编程数值乘操作3次，放置三个乘图标。

执行右键编程数值除操作4次，放置四个除图标。

执行右键编程数值常数操作，输入数值“180”。

执行右键编程数值数学与科学常量Pi，放置数值常量。

执行右键编程数组创建数组操作，放置一个创建数组图标。

执行右键编程数组索引数组操作，放置一个索引数组图标。执行右键数学基本与特殊函数三角函数反余弦操作，放置一个反余弦函数图标。

执行右键信号处理信号生成正弦波操作两次，放置两个正弦波图标。

              图1-3-1    虚拟相关法测量相位差仿真仪程序框图

执行右键信号处理信号运算互相关操作，放置一个互相关函数图标。

执行右键结构while结构操作，将所有图标框在框里面。

然后根据原理公式对程序框图进行连线。

根据以上步骤得到1-3-1如图所示程序框图。

第4章 虚拟相关法测量相位差仿真仪运行检测

设置信号1幅值为1V，初始相位为0°；设置信号2幅值为2V，初始相位为；设置两个信号的频率均为1Hz，采样频率为10Hz，采样点数为64点。运行结果如图1-4-1所示。途中显示得到的相位差为89.15°。

图1-4-1   虚拟相关法测量相位差仿真仪运行检测
位移测试虚拟仪器设计说明书

第一章 位移测试虚拟仪器设计原理

位移测试在工程实践中应用广泛。位移测试分为线位移和角位移。

1.测试系统的静态特性

描述测试系统的静态特性的主要指标有线性度、滞后度、灵敏度等，如图2-1-1所示。

（1）线性度

线性度是测试装置输出、输入之间保持常值比例关系的程度。

在静态测试情况下，通过实验来确定的被测试实际值x与测试装置示值y之间函数关系的曲线称为校准曲线。

为了使用简便而替代校准曲线的直线称为拟合直线。

线性度可以用校准曲线与拟合直线的最大偏差B来表示。也可以用相对误差来表示，即

                         

式中：A为测试系统满量程输出范围。

确定拟合直线的方法有很多种，其中最小二乘法拟合直线精度最高，它的含义是校准直线上各数据点与拟合直线间的残差平方和最小。LabVIEW的“数学”“拟合”函数子选板中的“线性拟合（Linear Fit）”VI就是用最小二乘法拟合直线，它帮助我们解决了复杂的计算问题。

（2）回程误差

回程误差也称为滞后度。它反映实际测试系统当输入量由小增大和由大减小时，对于同一个输入值，将得到不同大小的输出。

                               

式中：H为前进和回程最大偏差。

（3）灵敏度

灵敏度是测试系统输出的变化量对输入变化量的比值。一般用拟合直线的斜率作为该装置的灵敏度。Linear Fit VI输出中的“斜率（Slope）”参数就是此值。

            

                      图2-1-1    系统静态特性指标

第二章  位移测试虚拟仪器前面板设计

前面板的设计同前。

放置一个波形图表，用于显示当前位移；

                           图2-2-1   位移测试程序前面板

放置三个数字显示控件，分别用来显示“输入信号（v）” 、“当前位移” 、“灵敏度” ；

放置两个数字输入控件，分别用来输入比例系数和输入X；

放置五个布尔控件，分别用来计数、显示测试结果、复位、前进回程选择和停止。

前面板上“前进  回程”转换开关的机械动作设置为“单击时转换” ，其余所有布尔量的动作方式都设置为“单击时触发” 。

按如上所述的前面板如2-2-1图所示。

第三章  位移测试虚拟仪器程序框图设计

按图2-3-1编写位移测试设计的程序框图。程序框图中3个椭圆框类的部分是对文件路径进行操作的代码。它们的功能是在位移测试程序的当前目录下，以实验人的姓名为文件名读写实验数据记录文件。位移增加过程的文件名带f标记，位移减小过程的文件名带b标记。

                   图2-3-1    位移测试程序框图

程序框图中的其他主要节点还有，①仿真信号；②将动态数据转换为移位数组；③求100个采样数据的平均值； ④写电子表格文件VI——Write To Spreadsheet File，单击“计数”按钮后将测试数据保存在一个电子表格文件中；⑤和⑥是读电子表格文件VI——Read From Spreadsheet File，它们分别把测试过程中前进和回程记录的数据读出来；⑦是线性拟合VI——Linear Fit；⑧是“复位”条件结构的“真”选框。“计数”和“显示测试结果”两个条件结构的“假”选框中都没有内容。“显示测试结果”选择框中的两个“实验人姓名”节点是局部变量。

第四章  位移测试虚拟仪器运行监测

在位移测试程序前面板中输入实验人姓名“向宇”，比例系数设置为“100”，从0-200改变输入（x）的值，每20mm按下“计数”键一次，然后将选择测试方向的“前进  回程”键拨动到回程位置，从200-0改变输入（x）的值，同样每20mm按下“计数”键一次。

单击“显示测试结果”按钮，查看测试曲线和测试值。

测试结果如图2-4-1所示。

                          图2-4-1   位移测试运行监测

设计总结及体会

本次课程设计的结果中虽然还存在了一点问题，但基本达到了课程设计所要求的效果。

通过本次课程设计，我更加的熟悉了Labview这门软件，能够熟练的运用Labview进行编程，同时能够同生活实际情况联系起来，做出来的东西能够更加的贴切人们的生活，符合人们的生活习惯。

参考文献

1.肖成勇，雷振山 魏丽.  Labview 20## 基础教程. 中国铁道出版社，2012.