基于LABVIEW的虚拟万用表设计与实现.docx

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基于LABVIEW的虚拟万用表设计与实现

1.1引言………………………………………………………………………………1

1.2虚拟仪器.....................................................................................................................1

1.2.1虚拟仪器的概念………………………..……………………………..…...…1

1.2.2虚拟仪器的构成………………..………………………………………..…...2

1.3课题现状………………………………..……………………………………………3

2.4LabVIEW应用解决方案………………………………………………….………..9

2.5protues简介………………………………………………………………….……...9

2.5.1protues功能特点………………………………………………………..…9

2.5.2protues所提供的资源……………………………………………..……..10

2.5.3protues在“单片机原理与应用技术”中的作用………………………10

2.6KeiluV3简介…………………………………………………………………..…11

3.3SST89E516RD单片机…………………………………………………………….16

3.3.1单片机SST89E516RD单片机简介…………………………………………16

3.3.2仿真器电路和工作原理……………………………………………………..16

第四章详细设计与系统实现……………………………………………………………...18

4.1硬件电路的具体设计

4.1.1硬件的设计步骤

4.1.2硬件电路的连接

4.2Keil与Proteus联机调试

4.3虚拟万用表程序设计

4.4虚拟万用表实现

4.4.1创建虚拟万用表的前面板VI

4.4.2虚拟万用表的实现

第五章总结………………………………………………..………………………………….

基于LABVIEW的虚拟万用表设计与实现

摘要

虚拟技术的发展使模拟电子技术实验的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。

这样，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进模拟电子技术实验教学的现代化。

本文介绍了基于LabVIEW的模拟电子技术实验系统——虚拟万用表的设计与实现。

此系统具有参数调节方便、易实现、可靠度高等优点。

在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。

作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。

关键词

万用表，虚拟仪器，LabVIEW，Proteus，Keil

LABVIEW-baseddesignandimplementationofvirtualmultimeter

Abstract

Thedevelopmentofvirtualtechnology,theanalysisofanalogelectronictechnologyexperimentdesignprocesstothecomputereasily,accuratelyandquicklycompleted。

Ontheonehandtoovercomethelabcomponentsandspecificationsconstraints,toavoiddamagetoequipmentandotherunfavorablefactors,ontheotherhandtheexperimentisindependentoftimeandspaceconstraints,soastopromoteexperimentalteachinganalogelectronicstechnologymodernization。

ThisarticledescribesthesimulationofelectronictechnologybasedonLabVIEWexperimentalsystem-thedesignandimplementationofvirtualmultimeter。

Thissystemhastheparameteradjustmentisconvenient,easytorealizetheadvantagesofhigherreliability.Higherengineeringeducationintheuseofvirtuallaboratoriesthatcanfundamentallysolvethesevereshortageoffundingforexperimentalandpracticalproblems.Asacomplementtraditionalelectronictechnologyexperiment,sothatstudentsmastertheinitialsimulationsoftwaretechnology,contentcanexperimentcloselycontentsandrelativelycomprehensiveoverviewandreflecttheknowledgelearnedsomepoint,theclasscontentspecific。

KeyWords

Multimeter，VirtualInstruments，LabVIEW，Proteus，Keil

第一章绪论

1.1引言

LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）专门为开发虚拟仪器应用软件而设计的图形化编程环境,它的最大优点是直观易学，编程效率高，用它来开发各种仪器及虚拟电路具有独到之处。

LabVIEW的核心是VirtualInstrument简称VI,VI由一个人机对话的用户界面———前面板和类似于源代码功能的方框图（程序框图）组成。

前面板接受来自方框图的指令。

在前面板中,控件模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI；而指示器则模拟了仪器的输出装置并显示由程序框图获得或产生的数据。

LabVIEW不仅广泛应用于科学研究及工业自动化中,在学校的实验室及电子课程辅助教学中也有着较好的应用。

由于LabVIEW的控件模板中不仅提供了仿真度较高的各种仪器面板、按钮、开关、指示灯、波形显示器等电路器件,还提供了易使用的绘图工具,教学辅助模板中又提供了各种波形信号发生器的仿真程序,在LabVIEW功能模板的布尔运算子模板中,包含着功能齐全的逻辑运算功能,因此可很容易地利用其制作数字电路示教板及仿真演示实验。

在制作中,为了提高制作效率,先将实验中用到的各集成电路（包括集成电路芯片）分别编制成子程序,然后制作仿真实验的通用平台,在不同实验中只要调用不同集成电路的子程序并对连线作相应的修改即可。

1.2虚拟仪器

1.2.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器（virtualInstrument）是日益发展的计算机硬件、软件和计算机技术在向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育的一项新成果。

虚拟仪器的出现和兴起改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们的仪器观。

到21世纪初，虚拟仪器的生产厂家超过千家，品种达到数千种，市场占有率占到电测、电控仪器的50%!

这一项预测使从事电测、电控仪器研究开发的科学家和工程师们看清了虚拟仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到在21世纪虚拟仪器将成为仪器的发展方向，并将在相应的仪器领域内逐一取代传统硬件化仪器，将成千上万种硬件化电测与电控仪器演变成计算机软件，成为一系列文件融入到计算机中。

虚拟仪器是以计算机为仪器统一的硬件平台，对测试仪器的功能和控件进行建模，并根据模型将这些功能和形象逼真的仪器面板控件形成相应的软件，以文件形成存放于机内的软件库中，同时在计算机的总线槽内插入对应的、可实现数据交换的模块化硬件接口卡，若使库内仪器的测试功能和控件的软件以及由接口卡输入至机内的数据在计算机系统管理器的统一指挥和协调下运行，便构成了一类全新概念的仪器——虚拟仪器。

由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，故虚拟仪器被认为是“软件即仪器”。

这是对虚拟仪器概念的延伸，是仪器技术一次突破性的发展。

由于虚拟仪器充分利用了软件技术，又享用计算机的运算、存储、显示、打印、管理等功能，因此，它是智能化的仪器。

虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。

虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力。

1.2.2虚拟仪器的构成

虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分构成。

1、虚拟仪器的硬件平台

由两部分组成：

（a）计算机：

一般为一台PC机或者工作站，其为硬件平台的核心。

（b）I/0接口设备：

I/0接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、A/D转换。

不同的总线有其相应的I/0接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集板卡、GPIB总线、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、串行总线仪器等。

虚拟仪器总线形式有GP-IB、串口、并口、USB、IEEE-1394、DAQ、VXI和PXI等多种，其中VXI和PXI是两种常用的总线形式。

2、虚拟仪器的应用软件

目前虚拟仪器软件开发工具有如下两类：

文本式开发平台如VisualC+、VisualBasic、LabWindows/CVI等；图形化开发平台如LabVIEW、HPVE等。

.

虚拟仪器软件由两部分组成，即应用程序和I/0接口仪器驱动程序.应用程序又包含实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序.I/0接口仪器驱动程序完成对特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。

虚拟仪器硬件平台需要在软件的支持下才能发挥潜能。

因此虚拟仪器的关键技术之一就是应用软件，应用软件应完成三个主要功能：

提供一个集成的开发环境、一个与仪器硬件的高级接口和一个图形用户接口。

虚拟仪器系统应用软件开发环境主要包括两种：

一种是基于传统的文字语言的软件开发环境，主要是NI公司的Lab/windows/CVI、Microsoft公司的VisualC++、VisualBasic、BasicBorland公司的Delphi等；另一种是基于图形化编程的环境平台，如HPVEE、LabVIEW,其中LabVIEW最流行、是目的应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件，图形化软件开发系统是用工程人员最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，可以大大减轻系统开发人员的负担，使其将主要精力集中投入到系统设计中，而不再是具体软件细节的推敲上。

1.3课题现状

现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。

人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器的出现又使得测量仪器进步入了高科技的殿堂。

随着微电子技术、计算机技术、网络技术和现代测量技术的迅速发展，一种新型的先进仪器——虚拟仪器称为当前研究的热点。

虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活。

因此它在各个领域都得到广泛的应用。

国内单位和院校都在积极地开展这些方面的研究和开发。

虚拟仪器应用程序的开发主要有两种：

一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有labwindows/cvi、visualbasidc等；一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有labview和hpvee。

其中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，深受专业人士的青睐。

1.4目的与意义

用LABVIEW构建一个模拟电子技术虚拟实验系统——万用表。

从现实的意义上来说，在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。

作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。

同时，利用虚拟仪器技术实现对仪器设备的远程、分布式控制。

一方面，继承实物实验可操作性、参与性强的优点；另一方面，又可利用计算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验教学方式，进一步提高教学效率。

第二章主要应用软件

2.1LabVIEW开发平台简介

LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。

LabVIEW与VisualC++、VisualBasic、LabWindows/CVI等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码（Code），而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码。

LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。

LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。

LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VIs”。

在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面版（FrontPanel）；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。

程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。

一般来说，每一个VI都可以被其他VI调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的。

LabVIEW是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。

它提供了用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的应用程序模块。

LabVIEW可方便的调用Windows动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数；LabVIEW还提供了CIN（CInterfaceNode）节点使得用户可以使用由C或C++语言，如ANSIC,编译的程序模块，使得LabVIEW成为一个开放的开发平台。

LabVIEW还直接支持动态数据交换（DDE）、结构化查询语言（SQL）、TCP和UDP网络协议等。

此外，LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够很方便的设置断点，动态的执行程序来非常直观形象的观察数据的传输过程，以及进行方便的调试。

LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯·诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。

传统的计算机语言（如C）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替；从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（DataFlowMode），这种方式确保了程序中的函数节点（FunctionNode）只有在获得它的全部数据后才能够被执行。

也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。

既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。

这样，LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。

从而，我们可以通过相互连接函数节点快速简洁的开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程（Multithreading）。

LabVIEW的核心是VI。

VI有一个人机对话的用户界面——前面板（FrontPanel）和相当于源代码功能的框图程序（Diagram）。

前面板接受来自框图程序的指令。

在VI的前面板中，控件（Controls）模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序；而指示器（Indicators）则是模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据。

当把一个控件或指示器放置到前面板上时，LabVIEW便在框图程序中相应的产生了一个终端（Terminals），这个从属于控件或指示器的终端不能随意的被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才会随之一起被删除。

用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。

首先，从函数面板（FunctionPalette）中选择需要的函数节点（FunctionNode），将之置于框图上适

当的位置；然后用连线（Wires）连接各函数节点在框图程序中的端口（Port），用来在

函数节点之间传输数据。

这些函数节点包括了简单的计算函数、高级的采集和分析VI以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。

用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。

我们可以将之用于顶层（TopLe

vel）程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。

一个VI用在其它VI中，称之为subVI，

subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的；为了区分各个subVI，它们的图标是可编辑的。

LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。

用户可以把一个应用任务分解成为一系列的子任务，每个子任务还可以分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合。

首先设计subVI完成每个子任务，然后将之逐步组合成为能够解决最终问题的VI。

图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。

随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最有前途的发展方向。

2.2LabVIEW的优势

虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相得益彰。

在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。

在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。

专家们指出，在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在21世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命。

LabVIEW是NI推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。

LabVIEW采用图形化编程语言--G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。

特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样；因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习LabVIEW驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用LabVIEW。

也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。

LabVIEW这么容易学习和使用，是不是LabVIEW的功能十分有限呢？

不。

像C或C++等其它计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。

LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。

LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。

而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点：

其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言--G语言。

LabVIEW程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器；但LabVIEW程序很容易改变设置和功能。

因此，LabVIEW特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。

总之，由于LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。

与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。

使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。

例如，用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作。

可以预见，由于LabVIEW这些其他语言无法比拟的优势，已经成为该领域的一朵奇葩！

最终将引发传统的仪器产业一场新的革命。

2.3LABVIEW应用概述

1、建立虚拟仪器前面板。

根据所设置的虚拟仪器的要求从控制模板上选择所需要的对象。

如：

数字式表头、指针式表头、按钮、开关、键盘等等。

有时为了在感官上更逼真的模拟真实的测量仪器，还要选择一些用于美化界面的对象。

如表外壳等对象。

2、图形化的流程图。

从功能模板上选择用图标表示的对象。

3、流程序设计（框图程序设计）。

LABVIEW采用独特的数据流程序设计模式取代传统的文本式语言的程序设计方法用户可以根据自己定义的各对象的数据流来决定程序运行的顺序。

4、程序的优化。

由于LABVIEW软件是带有编辑器的图形化编程环境，用户可以对实时性要求很高的部分程序代码进行优化。

同时，用户还可以调用LABVIEW软件内置的功能强大的数据库，在测量过程中可以完成所需的信号调理、信号转换和消除噪声等工作。

例如可以调用相关的数据处理函数来完成频谱分析、数字滤波这些工作。

2.4LabVIEW应用解决方案

LabVIEW自1986年正式推出，至今已发展到以最新版本LabVIEW7.0Express为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制和PID控制等众多软件包，可运行于现今所有Windows系统、Linux,Macintosh,Sun和HP-UX等多种平台的工业标准软件开发环境。

其已被广泛应用于包括航空航天、工业自动化、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范围内的众多领域，其概括如下:

1、LabVIEW应用于测试与测量

LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB,VXI,PLC、串行设备和插卡式数据采集板卡可以构成实际的数据采集系统。

它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet,ActiveX,DE、和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试测量任务变得简单易行.

2、LabV