虚拟仪器课程设计题目虚拟相关法相位差测量仪.docx
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虚拟仪器课程设计题目虚拟相关法相位差测量仪
目录
1、前言3
2、Labview和相位差测量仪简介4
2.1LabVIEW介绍及特点4
2.1.1LabVIEW简介4
2.1.2LabVIEW主要特点4
2.1.3虚拟仪器的硬件系统5
2.1.4虚拟仪器的软件系统6
2.2相位差测量仪的概述7
2.2.1相位差的定义7
2.2.2相位差检测仪的应用7
3、总体方案的设计8
3.1方案的比较8
3.1.1方案一8
3.1.2方案二9
3.2方案的比较论证和选择9
4、虚拟相关法测量相位差仿真仪的设计原理10
5、软件设计11
5.1前面板设计11
5.2前面板中常用的控件简介12
5.2.1波形显示控件12
5.2.2其他控件13
5.3程序设计14
5.3.1系统的程序设计流程框图14
5.3.2相关法相位测量仪流程图的设计15
6、系统调试16
7、测试参数18
8、系统功能19
9、设计总结20
10、致谢21
11、参考文献22
1、前言
当代科学技术的迅猛发展，极大的推动了测量技术的发展，同样测量技术的发展，也有效的促进了现代科学技术的发展。
目前，由于传感器技术的发展，电子测量技术几乎渗透到科学技术与国名经济的所有部门。
虚拟仪器在电子测量中的应用是一项有关电子测量领域的新技术，其中体现在电子测量仪器的转变上。
随着计算机技术、电子技术、通信技术、计算机信息处理技术的迅猛发展,传统的仪器正向软件化、数字化和虚拟化方向发展,这标志着21世纪电子仪器领域发展的一个重要方向。
而信号的相位差测量仪在电工技术，工业自动化，智能控制，通讯及电子技术等许多领域都有着广泛的应用。
传统电子模拟式相位差测量采用乘法器法，二极管鉴相法等，有硬件电路完成。
电路的温漂，噪声级干扰信号，都会导致测量结果产生误差，因此，传统的相位差检测方法正逐渐被软件测量方法所替代，通过软件算法来消除温漂，噪声及干扰信号的影响，使测量结果更加精确。
虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的。
它是以个人计算机为核心的、通过测量应用软件支持的（若干独立仪器功能由软件实现）、具有虚拟仪器面板、足够的仪器硬件以及通信功能的测量信息处理设备。
在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法,很方便的改变、增减仪器系统的功能和规模。
由于PC机强大的数据处理能力,借助于一台通用通用的数字化仪表,用户可以通过软件构造出几乎具有任何功能的仪器。
LabVIEW是一个图形化程序开发环境，主要用于数据采集、数据分析、测试和仪器控制等领域。
它与传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化的编程特点等。
但二者最大的区别在于：
传统编程语言用文本语言编程；而LabVIEW使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等），以框图的形式编写程序。
2、Labview和相位差测量仪简介
2.1LabVIEW介绍及特点
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
2.1.1LabVIEW简介
与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。
LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
虚拟仪器（virtualinstrumention）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。
上面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。
2.1.2LabVIEW主要特点
虚拟仪器的主要特点有：
尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。
可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。
用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
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。
虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。
PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。
对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。
目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW2009，LabVIEW2009为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。
使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEWReal-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。
普通的PC有一些不可避免的弱点。
用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。
目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。
每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。
这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。
VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。
2.1.3虚拟仪器的硬件系统
虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。
按照测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、VXI、PX工和DAQ四种标准体系结构：
（1）GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。
GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准棗工EEE488.1和工EEE488.2。
它是最早的仪器总线。
典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。
（2）VXI（VMEbusextensionforInstrumentation）即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年山主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。
VXI体系结构综合了GPIB和VEM总线的优点，它集成的系统硬件集成度高、数据传输率快、便携性好，是当今倍受业界关注的体系结构。
（3）PXI（PCIextensionforInstrumentation）PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。
其核心是CompactPCI结构MicrosoftWindows软件。
PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。
由于其总线吞吐率高、硬件的价格较低被业内人士认为是符合国情的一种体系结构。
（4）DAQ（DaraAcQuisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC/104等）的内置功能插卡。
它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。
利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer-BasedInstruments），实现“一机多型”和“一机多用”。
在PC计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器。
虚拟仪器中各种标准仪器的互连及与计算机的连接目前多使用IEEE488或GPIB协议。
未来的仪器也应当是网络化的。
2.1.4虚拟仪器的软件系统
虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬、软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化）。
基于软件在VI系统中的重要作用，NI提出了“软件就是仪器（ThesoftwareiStheinStrument）”的口号。
虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：
VISA库、仪器驱动程序、应用软件。
VISA（Virtual1nstrumentationsoftwareArchitecture）虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。
一般称这个I/0函数库为VISA库。
它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。
它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。
仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。
它是应用程序实现仪器控制的桥梁。
每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。
应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。
虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式：
①用通用编程软件进行编写。
主要有Microsoft公司的VisualBasic与VisualC++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder。
②用专业图形化编程软件进行开发。
如HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW和Labwindows/CVI等。
图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。
应用软件还包括通用数字处理软件。
通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，如频域分析的功率谱估计、FFT、逆FFT等：
时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等。
以及数字滤波等等。
这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，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TCP／IP、Acvex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流程图。
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。
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。
2.2相位差测量仪的概述
2.2.1相位差的定义
相位差:
两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。
这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。
例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差。
如果电路是纯电阻，那么交流电压和电流电流的相位差等于零。
也就是说交流电压等于零的时候，交流电流也等于零，交流电压变到最大值的时候，交流电流也变到最大值。
这种情况叫做同相位，或者叫做同相。
如果电路含有电感和电容，交流电压和交流电流的相位差一般是不等于零的，也就是说一般是不同相的，或者电压超前于电流，或者电流超前于电压。
加在晶体管放大器基极上的交流电压和从集电极输出的交流电压，这两者的相位差正好等于180°。
这种情况叫做反相位，或者叫做反相。
2.2.2相位差检测仪的应用
信号的相位差测量仪在电工技术，工业自动化，智能控制，通讯及电子技术等许多领域都有着广泛的应用。
随着计算机和软，硬件的日益发展。
在测试系统中越来越得到广泛的应用。
比如：
在实际工作中，常常会遇到两列频率相同的信号之间存在相位差，那么就需要测量他们之间的相位差，电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这时要精确测量两列工频信号之间的相位差。
相位差测量在动态测试，如：
振动和噪声控制，传感器的校准，以及超声测距和成像等领域越来越重要。
3、总体方案的设计
对于虚拟相关法测量相位差仿真仪的设计方案，这里选取了两种方案进行对比。
3.1方案的比较
3.1.1方案一
通过调用计算
，
的子程序来实现对Φ的计算。
其程序流程框图如图3-1所示。
图3.1
3.1.2方案二
通过直接调用labview中的互相关子程序，对两同频正弦信号进行相关处理，然后通过计算得出两波形的相位差。
其程序流程框图如图4.2所示。
图3.2
3.2方案的比较论证和选择
两个方案都是通过相关法测量两个同频正弦信号的相位差，整体的思路大方向上是一致的。
但是相比之下，方案一实现过程比较复杂，方案二的思路更为清晰明了，实现过程也更加直观。
所以我们选取了方案二作为本次设计的最终方案。
4、虚拟相关法测量相位差仿真仪的设计原理
相关法利用两同频率正弦信号的延时_=0时的互相关函数值与其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，因而利用该方法测量相位差能很好的抑制噪声的干扰。
假设有两个同频信号，其描述如下：
…………..…………………
（1）
显然两信号的相位差为：
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：
………..………………………
（2）
其中：
T为信号周期，将式
（1）代入式
（2）当
=0时,可得：
理想情况下，噪声和信号之间，噪声之间并不相关，积分后得：
所以有：
另外：
信号的幅值和在延时
=0时的自相关函数值又有下述关系：
这样，通过两信号的自相关、互相关就可以求得它们的相位差。
5、软件设计
5.1前面板设计
前面板是程序与用户交流的窗口，一个设计良好前面板可以给用户一种友好的感觉，甚至是一种享受。
前面板主要由控件构成，程序前面板用于设置输入量和观察输出量。
它模拟真实仪器的前面板。
其中，输入量被称为Controls（控件），用户可以通过控件向VIA中设置输入参数等；输出量被称为Indicators（指示器），VI通过指示器向用户提示状态获输出数据等。
用户还可以用以使用各种图标，如旋钮、开关、按钮、图表及图形等，使前面板易看懂。
本设计放置控件:
一个输出显示型数字空间,显示相位差测量结果,单位为度;一个输出波形显示器,用于观察两个信号的信号波形;放一个开关型控件,用于运行或关闭仪器;放三个数字控件,用于设置采样点数、采样频率、信号频率三个参量;放四个数字控件,分别用于设置两个正弦波的幅值和相位。
前面板如图5.1所示。
图5.1虚拟法测相位差前面板
5.2前面板中常用的控件简介
5.2.1波形显示控件
LABVIEW是以模拟真实仪器操作面板提供了强在的交互式界面设计功能。
传统的仪器仪表中，除了最简单的数码显示外，能够显示测量信号波形和仪器工作状态的CRT荧光屏正在广泛应用，包括数字示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪等，这些高级的仪器都必需具备实时图形显示能力。
一幅精心设计的画面为用户提供的信息量，远远超过完全由数字或文字组成的报告。
因此能够将大量测量数据转换为意义明确的显示曲线或三维图形的控件是设计虚拟仪器所必需的。
按照处理测量数据的方式和显示过程的不同，LABVIEW波形显示控件主要分为两大类，一类为事后记录呼（Graph）,另一类为实时趋势图（Chart），这两类控件都是用来对波形或图形进行显示的，它们的区别在于两面三刀者的数据组织方式及波形刷新方式不，同。
结于事后记录图Graph方式来说，它的基本数据结构为数组，也就是就Graph显示是将构成数组的全部测量数据一次显示完成；而实时趋势图Chart方式是实时显示一个或几个测量数据，而且新接收数据点要接在原有波形的后面连续显示。
它的基本数据结构是数据标量，也可以是数组。
显示控件包括事后记录波形控件（WaveFormGraph）、实时趋势图控件（WaveFormChart）、XY波形记录控件（XYGraph）、密度图形显示控件（IntensityGraph）、密度趋势控件（IntensityChart）等
XY波形记录控制器（XYGraph）是一次完成波形显示刷新，XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的变化，所以它的输入数据结构是由两个数组打包构成的簇，簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X、Y坐标。
波形显示控件如图5.2所示。
图5.2波形显示控件
5.2.2其他控件
其他控件主要有数值显示控件、数值输入控件、按钮控件。
主要作用在于相关参数的设定、输入和运行结果的显示和系统的停止运行。
如图5.3所示。
图5.3旋钮、数值输入、按钮控件
5.3程序设计
5.3.1系统的程序设计流程框图
系统的程序设计流程图如图5.4所示
图5.4设计流程框图
5.3.2相关法相位测量仪流程图的设计
图5.5相关法相位测量仪流程图的设计
6、系统调试
系统调试过程中首先运行虚拟相位差测量仪，然后设定信号频率、采样频率、采样点数、两波形的相位和幅值。
然后面板显示效果如图所示。
改变波形相位，相位差跟随改变，并在波形显示窗口直观的显示波形情况。
调试过程前面板显示情况如下图所示。
图6.1调试过程前面板显示情况
图6.2调试过程前面板显示情况
图6.3调试过程前面板显示情况
图6.4调试过程前面板显示情况
7、测试参数
本系统实现了通过虚拟相关法测量两信号相位差的功能要求。
由于资金与实验条件所限，本设计模拟了两个同频率的正弦波代替实际采集的波形，都够比较准确的测量两信号的相位差。
数据记录如下列表格所示：
表7.1
参数设置
信号频率f=
采样频率f=
采样点数n=
信号1相位（度）
信号2相位（度）
相位差（度）
表7.2
参数设置
信号频率f=
采样频率f=
采样点数n=
信号1相位（度）
信号2相位（度）
相位差（度）
表7.3
参数设置
信号频率f=
采样频率f=
采样点数n=
信号1相位（度）
信号2相位（度）
相位差（度）
表7.4
参数设置
信号频率f=
采样频率f=
采样点数n=
信号1相位（度）
信号2相位（度）
相位差（度）
8、系统功能
本系统利用LabVIEW7.0图形编程语言，设计了一种方便实用的相位差仿真仪。
其充分利用了计算机的强大功能，该仪器的主要特点如下：
（1）采用了LabVIEW作为开发平台,软件编程方便、简洁,效率高；
（2）利用数据采集卡采集数据可测量两个同频正弦波信号的相位差；
（3）在现有的基础上，通过改变软件的设计，可以实现别的仪器功能。
如虚拟函数发生器,虚拟示波器等。
9、设计总结
经过近几星期的时间，终于完成了课程设计。
通过设计有很深的感触。
虚拟仪器应用系统的开发过程是极其细致、繁琐的过程，是以确定系统的功能和技术指标开始的。
首先要明确各项任务与要求，细致分析、研究实际问题，综合考虑系统的先进性、可靠性、可维护性以及成本、经济效益，拟订出合理可行的技术性能指标。
在对应用系统进行总体设计时，应根据应用系统提出的各项技术性能指标，拟订出性价比最高的一套方案。
而在本次设计中，我们按照要求完成了虚拟法测相位差题目所要求的基本功能。
在设计开始前我们对各个模块进行了详尽的分析和设计准备工作，设计过程中，我们及时与同学交流，遇到不懂得问题也及时请教老师。
实现了基本的测量功能。
在设计过程中，对Labview这门课程有了更进一步的了解，也从实践的例子中区去感受到了Labview技术给我们的设计带来的改变。
在设计过程中，我了解了更多在实际应用中需要考虑的问题，也明白了将理论知识用于实践的不易。
在设计过程中，我了解了软件设计的流程，并在实际操作中熟悉了软件Labview软件的操作和使用，也学会了软件的调试方法，以及学会了分析相应的错误，以便对设计进行改进。
在这个过程中，我们提高了自学能力以及团队协作能力，并进一步提高了对本专业的兴趣。
本次课程设计对自己的信心也有很大提高，在以后的学习中，我们会再接再厉。
这次课程设计让自己学到了很多东西，丰富了我对软件设计的使用及各方面的知识，对我今后的学习有很大的益处。
尤其是大家在学习的同时锻炼了我们的动手能力，同时也加强了同学间的协作，体现了大家的团对精神。
但是从设计完成的过程中也暴露出来了自己不少的问题，硬件方面和软件方面的都有，说明在一些知识的掌握上自己还有不足的地方。
所以我觉得自己还需要有所提高，只有把基础打牢靠，更加努力地与学习不怕困难，才能够逐渐提升自己的水平。
在困难当中学习，提高自己的水平
10、致谢
在这次虚拟仪器课程设计过程中遇到了不少的困难，最终能顺利完成这个课程设计除了自己的积极努力之外，还有夏老师和同学们为我提供的大量帮助，这些都是我能完成并做好这个设计必不可少的因素。
在夏老师的悉心指导和帮助下，我获得了很多的经验，并且巩固和加强了专业知识面，提高了综合和灵活运用所学知识的能力，正确使用技术资料的能力。
同时为夏老师我们提供了种种专业知识上的建议，对设计存在的问题和不足进行了批评和指正，不厌弃烦的进行讲解，让我受益匪浅，本次设计的顺利完成和老师的悉心指导密不可分。
同时向本组的其他同学表示感谢，大家对我这次设计提供了很大的帮助。
对于我向他们请教的设计中存在的问题，他们总是不遗余力的给予我指导和帮助。
11、参考文献
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