基于ELVIS交通信号灯设计.docx
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基于ELVIS交通信号灯设计
第1章绪论1
1.1研究的目的和意义1
1.2国内外研究现状1
1.3主要研究内容与实施方案1
第2章ELVIS的概述3
2.1ELVIS的简介3
2.1.112款集成仪器4
2.1.2NIELVIS的基础7
2.2NIELVIS硬件结构及其工作原理7
2.2.1NIELVIS原型实验板7
2.2.2ELVIS平台工作站8
2.2.3NIELVIS硬件的组装以及DAQ硬件9
2.2.4NIELVIS硬件测试11
2.2.5配置NIELVIS软件11
2.3ELVIS应用与发展12
2.3.1NIELVIS的USB接口12
2.3.2ELVIS平台在高校教学中的创新应用12
2.3.3ELVIS实验平台的发展14
第3章LabVIEW软件的使用及交通信号灯的设计及仿真15
3.1LabVIEW简介15
3.1.1LabVIEW的特点与优势15
3.1.2labview的开发环境16
3.2LabVIEW中交通信号灯的设计及仿真17
3.2.1交通灯介绍17
3.2.2交通信号灯原理17
3.2.3虚拟交通信号灯的仿真17
第4章交通信号灯在ELVIS硬件的实现24
4.1基于ELVIS交通信号灯硬件设计方案24
4.2ELVIS硬件LED连线24
4.3LED显示情况24
结论28
致谢29
参考文献30
第1章绪论
1.1研究的目的和意义
NIELVIS是将DAQ（数据采集）硬件和LabVIEW软件组合成的一个虚拟仪器教学实验装置，包括硬件和软件两部分，其硬件包括可运行LabVIEW的计算机、DAQ设备、68针电缆、平台工作站和原版实验板；软件包括LabVIEW开发环境、NI-DAQ、SFP仪器和可针对ELVIS硬件进行程序设计的一系列LabVIEWAPI。
平台工作站和DAQ设备一起建立了一个完整的实验系统，工作站控制面板提供了旋钮调节的函数发生器、可调电源和SFP仪器（示波器和数字万用表）的BNC和香蕉型接口。
数据采集卡用于实现电路中的实测信号和LabVIEW程序产生信号的传递。
原型实验板连接在平台工作站上，为用户提供一个组建电路的平台。
NIELVIS软件可在SFP仪器间传送平台工作站上信号。
NIELVIS拥有12种精密仪器，这些仪器基于NILabVIEW图形化系统设计软件，具有USB即插即用功能，并且允许进行快速简单的测量采集与显示。
本设计利用了NIELVIS实现了在LabVIEW实验中虚拟仪器的仿真功能。
研究城市交通信号系统具有一定的学术价值和实用价值，适应未来城市的交通的发展。
1.2国内外研究现状
在国内，NIELVIS平台集成有常用实验仪器该平台集成有波形发生器、示波器、数字万用表、可变电源等，同时NIELVIS可根据课程需要开发和购买不同功能的实验板建立通信、自动控制、物理等不同学科的实验室。
实验实现原理简单NIELVIS平台具备数据采集功能，可直接把模拟信号输入计算机。
在国外，美国国家仪器仪表有限公司（NationalInstruments，简称NI）近日发布最新NIELVISII设计与原型平台，作为一款简单、集成的系统，它可以将理论与实际应用相联系，这对于实验室和院校教学来说是理想的选择。
新款NIELVIS系列集成了一款板载100MS/s示波器，并配备一系列的新款附加板卡，拓展了仪器和电路应用。
利用已广泛应用于全球工业和研究院校中NILabVIEW图形化系统，设计虚拟仪器技术动手学习课程更为方便。
NIELVIS开放式的配置性能，为众多高级课题项目提供了一个高性价比的、可拓展的教学和原型平台。
1.3主要研究内容与实施方案
（1）硬件设计：
首先，在NIELVIS面包板上双向十字路口的位置上分别安装两组红色、黄色、绿色的LED。
然后，将6个LED的阳极按对应关系分别接到原形板上的数字I/O插槽，每个LED都由8位并行端口中的一个二进制位进行控制，再将LED的阴极通过电阻接到数字地。
利用NIELVISmxDigitalWriter数字输出程序模拟十字路口LED灯亮情况．并找出各周期对应的8位二进制代码。
（2）软件设计：
首先，利用“Measurement&Automation”（简称Max）软件进行设备接口和物理通道的设置。
在Max的设备和接口中找出本例所用的数据采集卡，并完成相关设置；在数据邻居中新建物理通道，选择M1-DAQmx任务-GenetrateSignals-DigitalOutput-LineOutput，在LineOutput列表中选择相应通道。
然后．利用LabVIEW软件编写应用程序。
程序框图设计采用while、循环结构，For循环结构和条件结构，之后选择“NIELVISmxDigitalWrite”函数，通过输入控件来实现红绿灯时间设置和调整．
利用NIELVIS实验平台，对交通灯实验平台进行仿真，调试，并将结果显示在LabVIEW的界面上,如图1-1所示：
图1-1设计实施方案
第2章ELVIS的概述
本章将介绍NIELVIS自带的12款集成仪器，这12款集成的虚拟仪器可以进行在ELVIS平台上实际电路的参数测量和相关之路的波形分析等，如进行波形的功率谱，时域和频域的分心等等，此外，还将介绍如何进行NIELVIS的测试和NIELVIS如何和12款仪器链接起来的，这是本章的重点，还将要简单的介绍下ELVIS的应用领域。
2.1ELVIS的简介
2003年，美国国家仪器公司提出一种全新的设计、测试及教学电路方法。
首次使用户可以从运行于计算机上的标准测试仪器完整套装中受益，并能将这些仪器与设计于小型测试站，即美国国家仪器公司教学实验室虚拟仪器套装（NIELVIS）上的电路直接连接。
它尺寸小、灵活性高的特点使其成为模拟、数字电路课程的热门选择，可与许多固定仪器相连接，成为课堂中有效的演示平台。
NIELVISII与全新驱动软件NIELVISmx配合使用更佳。
它具有更轻的重量、更好的控制布局、更多的接口、集成数据采集设备、及高速USB连接性。
也就是说，如果用户的多台计算机上均装有NIELVISmx软件，就可以在用户的办公室电脑、家庭电脑、教室中的笔记本，甚至朋友的电脑上使用NIELVISII。
NI教学实验室虚拟仪器套件（NIELVIS）是动手设计与原型设计平台，它集成了最常用的12个仪器—包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特图分析仪等等，将它们集成在适合于硬件实验室或课堂的使用中。
100MS/s的示波器选项可以用于NIELVISII+中。
基于NILabVIEW图形化系统设计软件，带有USB即插即用功能的NIELVIS提供了虚拟仪器的灵活性，并且允许进行快速简单的测量采集与显示。
该硬件平台适用于一年级直至四年级的课程，帮助教师教授不同的课程概念，包括测量与仪器、模拟与数字电路、控制与机电一体化、电信与嵌入式理论等。
NIELVIS是NI电子学教育平台的集成配件，它将NIELVIS的原理图与SPICE仿真环境结合在一起。
学生可以将在教科书中学习的概念应用到LabVIEW中，从而通过对电路行为和交互式电路建模进行学习。
他们在LabVIEW环境中可以使用NIELVIS仪器，通过鼠标点击，将仿真与实际测量结果进行比较，不仅如此，在LabVIEW和LabVIEWSignalExpress中还能够完成更为复杂的分析。
教育工作者可以使用NI教学实验室虚拟仪器套件系统（NIELVIS），来进行电路设计、仪器、控制、电信和嵌入式/单片机课程的理论中的教学。
最新推出的NIELVISII+现在具有100MS/s的示波器，使得诸如对更用来开发高频率的元器件的分析、描述电路的特点、分析上升时间等测试都会变得从未如此前所未有的轻松。
使用NI-ELVIS驱动程序，学生们可以通过NI-ELVISmx仪器启动器访问12种仪器套件。
这些虚拟仪器带有软面板，能够提供交互式的接口对仪器进行配置。
NIELVIS虚拟仪器是开源的，可以在LabVIEW中进行定制。
在安装驱动程序之后，学生们可以使用LabVIEWExpressVI和LabVIEWSignalExpress的步骤对设备进行编程。
这为各个仪器提供了通过鼠标点击进行配置的功能，因此他们能够在LabVIEW中对采集到的数据完成自定义以及更为复杂的分析。
熟悉DAQmxAPI的用户可以使用NI-DAQmx在NIELVIS上对通用模拟输入、模拟输出和定时功能进行编程。
图2-1为ELVIS实验平台的总体结构，主要由ELVIS实验台和原型设计面板两部分构成，如图2-1所示：
图2-1ELVIS仪器套件的组成
2.1.112款集成仪器
NIELVIS包括12款最常用的仪器组合，在一个平台中包括了示波器、数字万用表、函数发生器、可调数字电源、动态信号分析器、波特分析器、2线/3线电流-电压分析器、任意波形发生器、数字读写及阻抗分析器。
示波器是电子测试中最基础也是最重要的仪器。
可分为模拟示波器和数字示波器。
模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上，屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来,如图2-2所示：
图2-2示波器
数字多用表就是在电气测量中要用到的电子仪器。
它可以有很多特殊功能，但主要功能就是对电压、电阻和电流进行测量，如图2-3所示：
图2-3数字多用表
ELVISII工作台侧面有三个万用表用Banana插孔，这是带隔离的专用万用表，其中测电压、电阻、二极管和通断测量连到VΩ和COM;测电流连到A和COM，测电容和电感，则需连接到原型板上的阻抗分析端DUT+和DUT-。
上述连接方法可参考DMMLauncher的提示，原型板上有多种电阻、电容、电感等器件搭建的电路，方便演示数字万用表的基本功能；阻抗分析仪通过改变频率可以清楚地看到电路的阻抗变化，实部和虚部与频率的关系。
也可以利用频率的改变来大体测量RLC串联电路的谐振频率，即当复合阻抗的虚部接近零时所对应的频率，如图2-4所示：
图2-4阻抗分析仪
函数发生器是一种多波形的信号源。
它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。
有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制；如图2-5所示：
图2-5函数发生器
波特分析器的作用是在研究放大电路的频率响应时，由于信号的频率范围很宽（从几赫到几百兆赫以上），放大电路的放大倍数也很大（可达百万倍），为压缩坐标，扩大视野，在画频率特性曲线时，频率坐标采用对数刻度，而幅值（以dB为单位）或相角采用线性刻度。
在这种半对数坐标中画出的幅频特性和相频曲线称为对数频率特性或波特图，如图2-6所示：
图2-6波特分析器
这是12种仪器其中一些大家较为熟知的功能，除此之外，其余各种仪器有其对应的功能。
这种紧凑但功能强大的仪器可以为实验室节省成本，包括减小实验室空间及降低维护成本。
此外，NIELVIS仪器均由LabVIEW图形化系统设计语言设计，教学时可以对器件进行自定义以满足特殊需求。
若想打开这12种集成仪器，只需安装ELVIS的驱动，NIELVISmax即可，然后启用程序，选择相关的仪器，再对这些仪器进行相关的配置。
2.1.2NIELVIS的基础
NIELVIS的基础是行业领先的图形化系统设计环境NILabVIEW。
LabVIEW采用图形化模块和数据流的方法编程，允许用户自定制并进行灵活的测量。
举例来说，NIELVIS可以在LabVIEW环境内被调用，因为他们都是开源的虚拟仪器。
教学者可以利用这一点创建自定义仪器，还能通过LabVIEW强大的编程功能来对整个系统进行原理设计、原型开发和最终发布。
2.2NIELVIS硬件结构及其工作原理
2.2.1NIELVIS原型实验板
NIELVIS原型实验板又称原型设计面板，连接在平台工作站上，为用户提供了一个组建电路的平台利用NIELVIS平台工作站可以交替使用多块原型实验板。
如图2-7ELVIS原型实验板所示：
图2-7NIELVIS原型实验板
2.2.2ELVIS平台工作站
（1）系统电源灯LED（SystemPower）：
指示是否已给NIELVIS供电；
（2）原型实验板电源开关（PrototypingBoardPower）：
控制原型实验板的电源通断；
（3）通信开关（CommunIcations）：
禁用NIELVIS软件控制请求。
这种设置下可以直接访问DAQ设备的DIO线。
（4）可调电源控制（VariablePowerSupplies）：
可以通过平台工作站上的硬件（手动模式）或NIELVIS或NIELVIS-VariablePowerSuppliesSFP（软件模式）中的控制来控制可调电源。
当可调电源处于手动模式时，用户只能使用以下部分说明的控制方式，
①电源“—”控制—手动开关：
控制负极性电源是处于手动还是软件控制模式；—电压调节旋钮：
控制负电源的输出。
负电源的输出范围是-12～0V。
②电源“+”控制—手动开关：
控制正极性电源是处于手动还是软件控制模式；—电压调节旋钮：
控制正电源的输出。
负电源的输出范围是0～+12V。
（5）函数发生器控制（FunctionGenerator）：
可以通过平台工作站上的硬件控制（手动模式）或NIELVIS-FGENSFP上的控制（软件模式）来控制函数发生器。
当函数发生器处于手动模式时，只能使用在以下说明的控制方式：
①手动开关（MANUAL）：
控制函数发生器是处于手动还是软件控制模式；
②函数选择器：
选择产生哪一种波形。
NIELVIS可以生成正弦波、方波或三角波；
③幅值旋钮（CoarseRequency）：
调节所产生的波形振幅；
④频率粗调旋钮（Amplitude）：
设定函数发生器所能产生的频率范围；
⑤频率微调旋钮（Frequency）：
调节函数发生器的输出频率。
（6）DMM连接器（DMM）：
如果把不同信号同时连到原型实验板上的DMM端子和控制面板上的DMM连接器上，就会造成短路，可能损坏原型实验板上的电路。
①电流香蕉型插孔（Current）：
—HI：
测量除了电压、还有电流、电阻时的正输入；—LO：
测量除了电压、还有电流、电阻时的负输入；
②电压香蕉型插孔（Voltage）：
—HI：
测量电压的正输入；—LO：
测量电压的负输入。
（7）示波器（Scope）连接器：
如果把不同信号同时连到原型实验板上的示波器端子和控制面板上的示波器连接器上，就会造成短路，可能损坏原型实验板上的电路。
①CHABNC连接器：
示波器的通道A的输入端；
②CHBBNC连接器：
示波器的通道B的输入端；
③触发器BNC连接器（Trigger）：
示波器的触发器的输入端。
2.2.3NIELVIS硬件的组装以及DAQ硬件
按照下面的步骤进行ELVIS的硬件组装。
（1）首先，在进行ELVIS连线之前，确保ELVIS工作平台上的电源开关是关闭的，以确保在断电的情况下，进行导线的连接。
（2）用USB连接线把计算机和ELVIS工作台链接起来。
（3）把ELVIS工作台上的电源插口，用适配器连上，并把适配器的另一端插入到插排上，以实现对ELVIS工作台的供电。
（4）把工作台原型版上的电源开关打开，3个DC/AC的LED指示灯将会点亮。
ELVIS的工作平台的界面如下图所示：
图2-8ELVIS的工作平台
NIELVIS可与NationalInstrumentsE/M系列的DAQ设备结合使用，这些DAQ设备内含性能较好的多功能模拟、数字和定时I/O单元，可以和PCI总线或PXI总线计算机相连DAQ设备支持的功能包括AI，AO，DIO和定时I/O（DIO）。
为了使用NIELVIS，连接到NIELVIS硬件上的计算机中的DAQ设备必须满足以下最低要求：
（1）16个AI通道，最低采样率200kS/s；
（2）2个AO通道；
（3）8个DIO线；
（4）2个计数器/定时器；
使用适当的电缆时，NIELVIS也支持64个AI通道的DAQ设备，NIELVIS不支持只有DIO的设备或使用USB的NIDAQPad-602E。
旁路模式下使用DAQ硬件时，NIELVIS通过DAQ设备的8条DIO总线与计算机通信，通信开关控制I/O（DIO）到NIELVIS的路由。
正常操作时，开关处于正常模式，DIO总线连到NIELVIS硬件上，允许使用软件对其进行控制。
当通信开关设置为旁路模式时，开关旁边的LED灯点亮。
NIELVIS允许旁路模式通信VI（EnableCommunicationsBypassVI）在开关置于旁路模式时生效，在用户拨动开关并运行VI后，DIO总线连到原型实验板上的DI总线上。
当处于旁路模式时，通过手动控制，硬件函数发生器和可调电源仍然可用，计数器/定时器、AI、AO和DAQ设备也可用；当通信开关处于旁路模式时，NIELVISSFP仪器会通知用户；当通信开关拨到旁路模式时，不可用的SFP控制将变灰。
2.2.4NIELVIS硬件测试
NIELVISmx软件在ELVIS前面板上包括一系列的软件仪器，这些仪器不仅能够在ELVISmx中表示LabVIEW中的相关程序，也能把ELVISmx中的相关仪器融入到LabVIEW这一仿真软件当中。
为了测试NIELVIS硬件参数进行合适的配置，按照下列步骤完成测试。
（1）在工作台的左面有FGEN和SCOPECH0接口，用BNC连接线连接起来。
（2）在原型版上用导线把FGEN连接到AI0+上，AIGND连接到AI0-上。
（3）在程序栏启动NIELVISmxInstrumentLauncher来启动NIELVISmx。
（4）选择（FGEN）信号发生器。
（5）点击RUN按钮开始发生信号，在NIELVISmx仪器的面板上选择Scope，点击运行按钮，运行示波器，我们会看到示波器上显示的是一个100Hz的正弦波。
（6）在信号发生器（FGEN）上的仪表盘上，把信号的路径从FGENBNC调整为PrototypingBoard。
在示波器上的仪表盘上把Source上的CH0改为AI0，我们在示波器上会看到一个100Hz的正弦波，ELVIS硬件设备测试结束。
2.2.5配置NIELVIS软件
用户在使用NIELVIS之前，必须通过选择连到NIELVIS平台工作站的DAQ设备来配置NIELVIS软件。
配置NIELVIS软件，需完成以下步骤：
（1）确保DAQ设备安装恰当，平台工作站电源打开，DAQ-MAX中已经配置好DAQ设备号。
（2）选择Start→Programs→NationalInstruments→NIELVIS2.0→NIELVIS，打开NIELVIS仪器启动器。
（3）Configure（单击配置）按钮打开硬件配置对话框。
注意：
如果有错误产生，那么仅有Configure按钮可用。
（4）从DAQ设备控制中选择连到NIELVIS硬件上的DAQ设备，如果在计算机内只检测到一台DAQ设备，那么就默认选择该设备。
（5）单击窗口通信部分中的Check（检查）按钮来检验与NIELVIS平台工作站的通信。
（6）如果配置操作成功，状态窗口中会出现一条信息，指示NIELVIS平台工作站是否已经正常找到与配置；如果尝试失败，会出现一条错误信息，状态窗口中的这条消息会指示“配置尝试已失败”。
（7）如果计算机通过选定的DAQ设备初始化NIELVIS硬件，那么NIELVIS配置好后，用户就可以开始使用NIELVIS了；如果配置尝试失败，按错误对话框中给出的建议操作或返回DAQ设备的控制并选择另外一台设备。
2.3ELVIS应用与发展
2.3.1NIELVIS的USB接口
带USB接口的NI ELVIS是基于LabVIEW图形化开发环境，集成了理论／仿真与低成本、动手上机的设计／原型平台构成。
带USB接口的NI ELVIS平台，主要包含三部分。
（1）USB数据采集卡 NI ELVIS全新的USB即插即用连接性简化了实验室的搭建和维护。
使用者利用个人电脑即可对其应用进行测试和原型设计，并通过USB M系列数据采集设备来完成数据采集任务。
（2）工作台和面包板用户可自定义工作台，其控制面板有示波器、数字万用表、可变电源等基本仪器，通过连接器可将其显示在ELVIS软面板。
原型实验面包板与工作台相连，可在此上搭建电子电路，允许实验中连接输入输出信号，特别适合教学实验和电路设计及测试。
在原型面包板上给出了ELVIS所有的信号终端，它们分列在电路面包板两旁，并通过电缆连接至USB数据采集卡。
（3）安装在计算机上的软面板仪器计算机平台安装有虚拟仪器软件开发丁具LabVIEW，ELVIS加载了在LabVIEW中创建的仪器及仪器的源代码。
每一种仪器都配备有用于点击式配置的Express VI，可通过修改LabVIEW代码修改功能。
这些软面板仪器都是实验中典型的和必需的通用电子仪器及虚拟仪器，主要包括示波器、函数发生器、数字万用表、任意的波形发生器等。
2.3.2ELVIS平台在高校教学中的创新应用
最新的NI ELVISⅡ（简称ELVISⅡ）教学设计和建模平台是基于LabVIEW图形化系统设计软件．用于电路设计概念、仪器、控制、电信和MCU等的理论和实践教学，对传统教学有相当的创新性。
（1） 电子教学应用
ELVIS是电子教学平台的重要组件，它包含有Multisim及LabVIEW，可利用理论联系实践的方式辅助《电路设计》等概念课程的教学。
师生可通过Multisim软件对电路设计的理论概念进行仿真，采用ELVIS对真实电路建模，最后通过LabVIEW及IJabVIEW Signal Express来比较仿真与测量结果。
（2） 远程教育应用
ELVIS及LabVIEW已成功地用于远程教育平台的设立。
LabVIEW中的远程面板能让教育者在线生成虚拟仪器，并通过因特网提供给世界各地的学生，使其轻松地在远程教学中获取概念，演示试验。
（3）集成仪器应用NI ELVIS的12款最常用仪器组合。
该集成仪器具有功能强大的仪器库，能为实验室节省空间和降低成本。
此外，ELVIS仪器均由LabVIEW设计，教学时可快速地重新定义器件，以满足各种特殊需要。
（4）控制设计概念的教学应用
Quanser是学术界控制设计培训系统的领导者，ELVIS特有由Quanser创建的插件板，能够用于控制设计概念的教学。
Quanser为ELVIS提供了QNET直流马达、QNET温度训练系统及QNET倒立摆等最新的插件板。
有了这些虚拟仪器和课程，教师就能采用ELVIS及Ouanser进行控制设计的基础教学，可以通过真实的试验来教授诸如PID、根轨迹等控制概念。
（5）电信概念的教学应用
Emona Instruments公司的DATEx电信训练仪是一款ELVIS插件模块。
在DATEx中，学生可以用跳线连接电路功能模块，从而创建现实的通信系统硬件。
DATEx软件包括超过20种用于实现基本电路功能的电路模块，可以与ELVIS I／0连接。
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