《虚拟仪器与应用》实验讲义.pdf

虚拟仪器与应用实验 第一部分 实验 1 基础型实验 LabVIEW 环境熟悉 一．实验目的 1. 学习并掌握 Labview 软件的基本操作。 2. 学习并掌握在 Labview 中创建一个简单 VI 的方法。 3. 掌握在 Labview VI 的运行和调试方法。 4. 掌握子 VI 的创建和调用方法。 二. 实验仪器设备 1. PC 机一台 2．Labview 8.6 软件一套 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容。 2. 阅读并熟悉本次实验的内容。 3. 按照要求完成一个简单 VI 的设计、调试和运行。 4. 按照要求完成一个子 VI 的设计、调试和运行和生成，并在其它 VI 中调用。 四. 实验任务 1. 打开并运行一个 VI。 （1）运行 Labview （2）打开 VI 样例：Signal Generation and Processing.vi. （3）打开并观察其前面板，如图 1-1 所示： 图 1-1 程序 Signal Generation and Processing.vi 的前面板 1 （4）打开并观察其框图程序 （5）运行该 VI，观察运行结果，并分析程序基本构成。 2. 创建一个摄氏温度到华氏温度转换器。 （1）创建一个新的 VI； （2）设计其前面板如图 1-2 所示： 图 1-2 摄氏温度到华氏温度转换器的前面板 （3）设计其框图程序如图 3 所示： 图 1-3 摄氏 温度到华氏温度转换器的框图程序 华氏度=9*摄氏度/5+32 （4）保存 VI 并命名为摄氏华氏转换.vi； （5）调试并运行该程序，验证其功能。 求摄氏温度为 32、0、-15 的华氏温度。 3. 创建一个子 VI：摄氏温度到华氏温度转换器子 VI （1）打开步骤 2 创建的摄氏华氏转换.vi； （2）右击前面板的右上角，选择编辑图标 Edit Icon，进入图标编辑器； （3）创建新图标如图 1-4 所示： 图 1-4 图标编辑器 （4）定义连接器 （5）保存并关闭文件。 4. 应用摄氏温度到华氏温度转换器子 VI，创建一个温度计。 （1）创建一个新的 VI，并命名为温度计.vi； 2 （2）设计前面板如图 1-5 所示； 图 1-5 温度计前面板 （3）设计框图程序如图 1-6 所示。 图 1-6 温度计框图程序 （4）连续运行该程序，调试并检查运行结果； （5）保存并关闭。 5. 设计实验 设计一个 VI：发生一个值为 0.0～1.0 的随机数 a，放大 10 倍后与某一常数 b 比较，若 a>b，则指示灯亮。要求：① 编程实现；② 单步调试程序；③ 应用探针观察各数据流。 五. 实验报告 1．交电子版实验报告和 VI 程序； 2. 记录各步骤的运行结果； 3．简述在实验中遇到的问题及解决办法和收获。 3 实验 2 Labview 程序结构 一．实验目的 1. 学习并掌握 While 循环的基本结构； 2. 学习并掌握 For 循环的基本结构； 3. 学习并掌握 Case 结构的两种方法； 4. 学习并掌握公式节点的应用； 5. 学习并掌握顺序结构的两种形式； 二. 实验仪器设备 1. PC 机一台 2．Labview 8.6 软件一套 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容； 2. 阅读并熟悉本次实验的内容； 3. 按照要求各任务。 四. 实验任务 1. While 循环的基本结构 （1）运行 Labview （2）在前面板上放置如下图的控件，如图 2-1 所示： 图 2-1 （3）设计其框图程序如图 2-2 所示： 图 2-2 4 （4）确认无误后，运行程序，点击 STOP 按钮后停止计时，可看到结果如图 2-3 所示： 图 2-3 2. While 循环中实现累加的两种方法 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图 2-4 所示： 图 2-4 （2）设计其框图程序如图 2-5 所示： 图 2-5 5 （3）确认无误后，运行程序，点击 STOP 按钮后停止计时，可看到结果如图 2-6 所示： 图 2-6 3. For 循环的基本结构 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图 2-7 所示： 图 2-7 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 2-8 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 6 图 2-8 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 2-9 所示结果： 图 2-9 4. 设计实验：设计一个 VI，用 FOR 循环统计满足条件随机数的个数 5. Case 结构的两种用法 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图 2-10 所示： 图 2-10 7 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 2-11 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 图 2-11 6. 设计实验：设计一个 VI 用 CASE 结构实现如图 2-12 所示的控制 图 2-12 当控件“为真实加一”的值为真，则每按“加一”控件一次，计数器加一， “复位”控 件用于对计数器进行清零。 7. 顺序结构的两种形式 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图 2-13 所示： 图 2-13 8 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 2-14 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 图 2-14 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 2-15 所示结果： 图 2-15 8.设计实验：利用顺序结构和循环结构写一个跑马灯，如图 2-16 所示，5 个灯从左到右不 停的轮流点亮，闪烁间隔由滑动条调节。 图 2-16 9.设计实验：给出一百分制成绩，要求输出等级 A,B,C,D,E。90 分以上为 A，80～89 为 B， 70～79 为 C，60～69 为 D，60 分以下为 E。 9 图 2-17 五. 实验报告 1．交电子版实验报告和 VI 程序； 2. 记录各步骤的运行结果； 3．简述在实验中遇到的问题及解决办法和收获。 10 实验 3 数组、簇和字符串 一．实验目的 1. 学习并掌握熟悉 Labview 中各种数组的表示和创建； 2. 学习并掌握在 Labview 中数组的操作； 3. 学习并掌握在 Labview 中簇的表示与创建； 4. 学习并掌握在 Labview 中簇的操作； 5. 熟悉 LabVIEW 中字符串的表示方法以及基本操作。 二. 实验仪器设备 1. PC 机一台 2．Labview 8.6 软件一套 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容。 2. 阅读并熟悉本次实验的内容。 3. 按照要求完成各 VI 的设计、调试和运行。 四. 实验任务 1. 创建数组。 （1）在前面板上放置数组控件，数值输入控件，数值显示控件，字符串输入控件，此时 前面板如下图 3-1 所示： 图 3-1 （2）在程序框图中，按下图 3-2 所示将上面控制对象连接起来： 11 图 3-2 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 3-3 所示结果： 图 3-3 2. 数组与 For 循环实现自动索引 （1）在前面板上放置数组控件，数值显示控件，此时前面板如下图 3-4 所示： 图 3-4 12 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 3-9 中所需的运算符，按下图所示将上面控制对 象与这些运算符连接起来： 图 3-5 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 3-6 所示结果： 图 3-6 3. 基本数组操作示例 （1）在前面板上放置数组控件，数值显示控件，字符串显示控件，此 时前面板如下图 3-7 所示： 13 图 3-7 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 3-8 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 14 图 3-8 15 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 3-9 所示结果。由于程序中的输入数据 是随机产生的，每次运行的结果是不相同的。 图 3-9 4. 创建簇 （1）在前面板上放置簇控件，数值输入控件，数值显示控件，字符串输入控件，字符串 显示控件，布尔控件，此时前面板如下图 3-10 所示： 16 图 3-10 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 3-11 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 图 3-11 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 3-12 所示结果： 17 图 3-12 6. 簇的序 （1）在前面板上放置簇控件 ，数值显示控件 ，布尔控件 ，此时前面板 如下图 3-13 所示： 图 3-12 18 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 3-14 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 图 3-14 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 3-15 所示结果： 图 3-15 7. 设计实验：产生一个 3×3 的整数随机数数组，随机数要在 0 到 100 之间，然后找出 数组的鞍点，即该位置上的元素在该行上最大，在该列上最小，也可能没有鞍点。如图 3-16 所示： 图 3-16 8. 设计实验：利用簇模拟汽车控制，如图 3-17 所示，控制面板可以对显示面板中的参量进 行控制。油门控制转速，转速＝油门*100，档位控制时速,时速＝档位*40，油量随 VI 运行 时间减少。 19 图 3-17 9. 创建字符串控制对象和显示对象 （1）在前面板上放置四个字符串输入控件 ，两个字符串显示控件 ，此时前 面板如下图 3-18 所示： 图 3-18 （2）在程序框图中，将上面控制对象按下图 3-19 所示连接起来： 图 3-19 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 3-20 所示结果： 20 图 3-20 10. 字符串基本操作 （1）在前面板上放置两个浮点型输入控件，两个浮点型显示控件，六个字符串输入控件 ， 两个字符串显示控件，此时前面板如下图 3-21 所示： 21 图 3-21 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 3-22 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 图 3-22 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 3-23 所示结果： 22 图 3-23 五. 实验报告 1．交电子版实验报告和 VI 程序； 2. 记录各步骤的运行结果； 3．简述在实验中遇到的问题及解决办法和收获。 23 实验 4 图形显示 一．实验目的 波形控件是 LabVIEW 里比较常用的一个控件，用来绘制各种信号的曲线图，在显示信 号的时域频域、功能谱、相位谱等曲线时非常有用。学习和掌握了波形控件的应用将在编程 中能起到事半功倍的效果。 1. 学习并掌握 Chart 图表； 2. 学习并掌握 Waveform Graph 波形图； 3. 学习并掌握 XY Graph； 二. 实验仪器设备 1. PC 机一台 2．Labview 8.6 软件一套 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容； 2. 阅读并熟悉本次实验的内容； 3. 按照要求各任务。 四．实验步骤 1. Chart 图表 演示了各种不同的数据类型送入 Chart Graph 控件时的绘制效果，从这 个例程可以了解 chart 图表控件对数据的绘制原理 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图 4-1 所示： 图 4-1 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 4-2 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 24 图 4-2 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 4-3 所示结果： 图 4-3 2. Waveform Graph 波形图 25 演示了和 Chart 图表类似的波形控件在不同数据输入的情况下不同的显示效果，可以 参考前一个例程来比效 Chart 图表和 Waveform Graph 的不同之处。 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图 4-4 所示： 图 4-4 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 4-5 中所需的运算符，按下图所示将上面控制对象 与这些运算符连接起来： 图 4-5 26 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 4-6 所示结果： 图 4-6 3. XY Graph 示例 演示如何在 XY Graph 控件中分别显示一条曲线和两条曲线的方法。 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图 4-7 所示： 图 4-7 27 （2）在程序框图的函数选板中找到下图 4-8 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 图 4-8 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 4-9 所示结果： 图 4-9 4. 设计实验：设计一个简单的虚拟示波器 28 用 LabVIEW 内置的信号生成函数仿真的数据来作为波形控件的输入就成了一个简单 的虚拟示波器。其前面板如图 4-10 所示： 图 4-10 五. 实验报告 1．交电子版实验报告和 VI 程序； 2. 记录各步骤的运行结果； 3．简述在实验中遇到的问题及解决办法和收获。 29 实验 5 文件输入输出 一. 实验目的 文件操作是数据采集里的一个重要操作，LabVIEW 提供了丰富的文件操作函数。本实 验汇集了 LabVIEW 中常用的几组文件操作函数，通过对它们的学习，了解和掌握文件操作 在编程中的应用。 1. 学习并掌握文本文件读写； 2. 学习并掌握文本格式的波形信号的读写； 3. 学习并掌握 TDMS 文件读写； 4. 学习并掌握二进制波形文件读写； 5. 学习并掌握操作 Excel 格式文档。 二. 实验仪器设备 1. PC 机一台 2．Labview 8.6 软件一套 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容； 2. 阅读并熟悉本次实验的内容； 3. 按照要求各任务。 四．实验步骤 1. 文本文件读写： 实现了普通文本文件的读写，还包括添加至文件末，格式化写入读取等操作。 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图 5-1 所示： 图 5-1 （2）在程序框图的函数选板中找到下图5-2中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 30 31 图 5-2 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图 5-3 所示结果： 32 图 5-3 2. 读写文本格式的波形信号 演示了如何通过 Express VI 将仿真出来的信号以文本的形式写入到文件中，然后再将 数据从文本中读取出，并显示于波形控件中。 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图 5-4 所示： 33 图 5-4 （2）在程序框图的函数选板中找到下图5-5 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 图 5-5 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图5-6 所示结果： 34 图 5-6 3. TDMS 文件读写 TDM 是 NI 现在主推的一个数据存储逻辑模型，利用其分层存储的思想，可以很方便 地存储波形等数据。这个例程完整演示了写入，读取，清除 TDMS 文件等操作。 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图5-7 所示： 图 5-7 （2）在程序框图的函数选板中找到下图5-8中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 35 36 图 5-8 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图5-9 所示结果： 图 5-9 4. 二进制波形文件读写 二进制存储数据的特点是文件小，存储速度快，但其缺点也很明显，存储的数据都是二 进制格式的，不能方便地用文本工具打开浏览。这个例程演示了如何将两条波形存储至二进 制格式的文件中，再将两条波形读取出来并绘制。 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图5-10 所示： 37 图 5-10 （2）在程序框图的函数选板中找到下图5-11 中所需的运算符，按下图所示将上面控制 对象与这些运算符连接起来： 38 图 5-11 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图5-12 所示结果： 39 图 5-12 5. 操作 Excel 格式文档 LabVIEW 可以很方便的操作 Excel 格式的表格，本例程演示了将二维数据写入一个 Excel 文档然后再将数据从 Excel 文档中读取出来的过程。 （1）在前面板上放置如下图的控件，如图5-13 所示： 图 5-13 （2）在程序框图的函数选板中找到下图8-17 中所需的运算符，按下图所示将上面控制对象 40 与这些运算符连接起来： 图 8-17 （3）确认程序无误后，运行程序，可看到如图5-14所示结果： 图 5-14 6. 设计实验： 设计一个VI，采集两路信号，每1s 采集一次，要求每采集一次，就将采集结果写入文 本文件尾部，即使重新运行程序，仍能保证数据添加到文件尾部，而不会覆盖原有数 据。格式为a 保留4 位小数，b 为整数，如图5-15所示。 图 5-15 41 7. 设计实验：将上题的采集数据，采集完毕后写入表单文件，如图5-16所示： 图 5-16 8. 设计实验：将图5-17所示的控件数据写入二进制文件，并用另一个VI 将其读出查看。 图 5-17 五. 实验报告 1．交电子版实验报告和 VI 程序； 2. 记录各步骤的运行结果； 3．简述在实验中遇到的问题及解决办法和收获。 42 第二部分 综合设计型实验 实验 6 综合设计实验 一、实验目的 1． 掌握 Nextboard 的基本使用方法； 2． 掌握基于 Nextboard 和 Labview 进行数据采集和处理的基本方法； 3． 学习虚拟仪器系统的设计方法。 二. 实验仪器设备 1. PC 机一台 2．Labview 8.6 软件一套 3. Nextboard 硬件实验平台一套 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容； 2. 阅读并熟悉本次实验的内容； 3. 任选一个实验任务（也可在老师指导下选择其它题目）在课余按照任务要求完成程序 编写，在集中实验时间，进行程序调试和考核 四．实验任务 1. 设计电子秤，实现如下功能： （1）可测量 1000g 以内的质量 （2）可软件整定调零 （3）数码管显示测试结果 （4）具有去皮（去除容器质量）等功能 2. 设计一个 CPU 温度预警系统，实现如下功能： 测试当前温度，根据设定的温度上限值及下限值，判定当前有无警报：高温警报/无警 报/低温警报。每种警报，都有文字提示，有不同颜色的警报灯显示（如高温为红色，低温 为蓝色，正常为绿色。）当前温度数值用多种方式显示，如数值形式、波形图、温度计。 3. 设计一个数据记录仪设计，实现如下功能： （1）连续、定时采集和存储一个电压信号 （2）可回放记录数据的图形，回放速度可调。 4. 设计一个扫频仪，实现如下功能： （1）幅频特性 （2）相频特性 不限于如上任务，可以自选。 五、实验报告及总结 1、根据所选任务，写出设计方案。 2、分析设计原理。 3、编写 VI。 4、总结。 43