虚拟仪器实验教案.docx
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虚拟仪器实验教案
课程教案
课程名称：
虚拟仪器实验
***********
所属院部：
电气与信息工程学院
教学班级：
自动化1201-02、自动化卓越班1301
教学时间：
2015—2016学年第1学期
湖南工学院
课程基本信息
课程
名称
虚拟仪器实验
课程代码
G0291154
总计：
16学时
讲课：
0学时
实验：
16学时上机：
0学时
课程设计：
周
学分
1
类别
必修课（√）选修课（）理论课（）实验课（√）
任课
教师
杜鸣笛
职称
专职教师
授课
对象
专业班级：
自动化1201-02、自动化卓越班1301共3个班
课
程
简
介
（不超过1000字）
虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科的最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形化软件编程技术于一身，实现了测量仪器的集成化、智能化、多样化及可编程化，在实验教学中，虚拟仪器软件编程环境给学生提供了一个充分发挥自己才能和想象力的空间，有利于学生能力的培养。
本课程的任务是让学生学习和了解虚拟仪器的原理及开发技术，掌握虚拟仪器软件平台LabVIEW的基本的编程方法及调试技术，并结合多功能数据采集卡来完成一种虚拟仪器的程序设计。
本实验主要有软件和硬件两部分组成，通过一系列实验加深和巩固学生对所学专业课的理解和认识，扩展知识面，学会一些实用的技术和实验技能。
基本
教材
和主
要参
考资
料
1．教材：
《虚拟仪器实验指导书》，自编
2．参考资料：
[1]刘君华编著，《虚拟仪器图形化编程语言》,西安：
西安电子科技大学出版社，2001
[2]李刚编著，《LabVIEW易学易用的计算机图形化编程语言》,北京：
北京航空航天大学出版社，2001
[3]王磊等编著，《精通LabVIEW8.0》，北京：
电子工业出版社，2007
[4]NationalInstruments.LabVIEWHelp,2006
[5]NationalInstruments,LabVIEWUsermanual,2006
湖南工学院教案用纸p.1
实验一LabVIEW软件基本操作
（一）（设计性实验）
一、实验目的
1．了解LabVIEW的编程与运行环境。
2．掌握LabVIEW的基本操作方法，并编制简单的程序。
3．掌握使用调试工具调试VI程序。
4．掌握VI子程序的建立和调用过程。
二、实验原理与说明
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器集成环境）是一个高效的图形化程序设计环境，也是一个功能强大而又灵活地仪器和分析软件应用开发工具。
它结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言，提供了一个直觉式的环境，与测量紧密结合，能让工程师与科学家们迅速开发出有关数据采集、测量控制、数据分析、存储及显示的解决方案。
现今数以万计的工程师、科学家以及技术人员正在使用LabVIEW来构建测量与自动化系统。
LabVIEW的基本编程环境，包括启动界面，前面板，程序框图，图标/连线板、菜单、工具栏、三大操作选板（工具选板，控件选板，函数选板）等。
在编程环境中可以创建、调试和调用VI，完成虚拟仪器的设计。
三、实验内容及任务
1、创建自己的第一个VI。
创建一个VI，该VI功能：
输入3个参数后，求其和，再开方。
2、子VI的创建与调用
将上述VI创建成一个子VI，再编一个VI调用上述子VI。
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四、实验报告要求
1．调试编辑以上VI，按顺序打印以上VI的前面板与程序框图后，贴在实验报告上；实验报告中要求详细说明设计步骤要点。
2．理解基于数据流编程的基本编程思路。
3．总结VI基本编程的快捷操作。
4．简述VI程序有什么构成，其各部分的功能是什么。
5．思考：
在前面板和框图程序中，如何区分控制器和指示器。
6．心得体会及其它。
五、实验仪器与器材
安装有LabVIEW的计算机
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实验二LabVIEW软件基本操作
（二）（设计性实验）
一、实验目的
1．熟悉VI的数据类型；
2．掌握顺序结构和循环结构（For循环、While循环）的编程；
3．学习并掌握如何创建、使用数组、簇函数的功能和应用，掌握它们的区别以及相应操作。
二、实验原理与说明
LabVIEW顺序结构功能：
强制程序按一定的顺序执行。
顺序结构包含一个或多个按顺序执行的子程序框图或帧。
两种顺序结构：
平铺式顺序结构和层叠式顺序结构。
在各个子程序框图之间传递数据时，平铺顺序结构可以直接连线，但层叠顺序结构要借助于顺序局部变量。
While循环和For循环在函数（Function）的结构（Structures）选项板中可以找到。
创建循环的具体方法是，选择该循环后，先在欲放入循环内执行的对象左上方单击，然后按下鼠标，拖曳出一个矩形框包围执行对象。
释放鼠标时就创建了一个指定大小和位置的循环。
While循环可以反复执行循环体的程序，直至到达某个边界条件。
它类似于普通编程语言中的Do循环和Repeat-Until循环。
While循环的框图是一个大小可变的方框，用于执行框中的程序，直到条件端子接收到的布尔值为FALSE。
字符串、数组和簇是LabVIEW中的三种数据类型。
字符串是可显示的或不可显示的ASCII字符序列。
字符串有4种显示类型：
正常显示、”\”代码显示、密码显示、十六进制显示。
LabVIEW的字符串子选板中有多个字符串处理函数。
数组是相同类型数据的组合。
一个数组可以是一维、二维或者多维，每一维最多可有231-1个元素。
可以通过数组索引访问数组的每个元素，索引的范围是0到n–1（其中n是数组中元素的个数）。
创建数组有两种方法：
前面板上创建和程序框图上创建。
LabVIEW的数组函数子选板中有多个数组函数。
簇是由不同类型的数据元素组成的一种数据类型，类似于C语言中的结构体。
簇的创建方法与数组类似。
LabVIEW的簇函数子选板中有多个簇函数。
三、实验内容及任务
1、数据操作。
编写一个温度监测器，如右图所示，当温度超过报警上限，而且开启报警时，报警
灯点亮。
温度值可以由随即数发生器产生。
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2、循环结构。
利用顺序结构和循环结构写一个跑马灯，如下图所示，5个灯从左到右不停的轮流点亮，闪烁间隔由滑动条调节。
3、字符串、数组、簇和矩阵。
利用簇模拟汽车控制，如右图所示，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。
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四、实验报告要求
1．调试编辑以上VI，按顺序打印以上VI的前面板与程序框图后，贴在实验报告上；实验报告中要求详细说明设计步骤要点。
2．说明For循环与While循环的区别。
3．心得体会及其它。
五、实验仪器与器材
安装有LabVIEW的计算机
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实验三LabVIEW软件基本操作（三）（设计性实验）
一、实验目的
1．学习并掌握图表和图形的使用，理解它们的区别；
2．掌握Express技术来快速简便地搭建专业的测试系统；
3．学习并掌握LabVIEW中的文件I/O操作。
二、实验原理与说明
LabVIEW图形显示控件主要包括：
波形图表、波形图、XY图、强度图/图表、数字波形图、三维图形等。
波形图和波形图表——显示采样率恒定的数据。
波形图通常先将数据采集到数组中，再将数据绘制到图形中（逐块绘制）；波形图表将新的数据点追加到已显示的数据点上以形成历史记录（逐点绘制）。
XY图——显示采样率非均匀的数据及多值函数的数据。
强度图/图表——在二维图上以颜色显示第三个维度的值，在二维图上显示三维数据。
数字波形图——以脉冲或成组的数字线的形式显示数据。
三维图形——在前面板ActiveX对象的三维图上显示三维数据。
ExpressVI面板包含大量的ExpressVI函数，主要分为六大类：
信号输入、信号分析、输出、信号操作、执行控制和程序结构体、算数和比较。
通过这六大类函数基本上就能实现测试系统所需要的各种常用功能。
LabVIEW可读写的文件格式主要有：
文本文件、二进制文件、数据记录文件。
LabVIEW中的“文件I/O”子选板有多个文件操作函数（比如写入/读取电子表格文件、写入/读取文本文件、写入/读取二进制文件、写入/读取数据记录文件等），合理选用将可以实现新建、打开、关闭、读/写、删除、复制、移动等各种文件操作。
三、实验内容及任务
1、图形化显示数据——图表和图形。
利用随机数发生器仿真一个0到5V的采样信号，每200ms采一个点，共采集50个点，采集完后一次性显示在WaveformGraph上。
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在上例基础上再增加1路电压信号采集，此路电压信号的范围为5到10V，采样间隔是50ms，共采100个点。
采样完成后，将两路采样信号显示在同一个WaveformGraph中。
2、ExpressVI——快速搭建专业测试系统。
利用ExpressVI产生一个带白噪声的正弦信号，然后用功率谱分析ExpressVI对其进行功率谱分析，并将原信号与分析结果写入测量文件。
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3、文件I/O。
有一个测量程序，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，如右图所示。
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四、实验报告要求
1．调试编辑以上VI，按顺序打印以上VI的前面板与程序框图后，贴在实验报告上；实验报告中要求详细说明设计步骤要点。
2．总结Chart和Graph的使用区别。
3．心得体会及其它。
五、实验仪器与器材
安装有LabVIEW的计算机
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实验四NIELVISII平台工作环境（验证性实验）
一、实验目的
1．了解NIELVISII平台工作环境；
2．熟悉软前面板（SFP）工具；
3．熟悉LabVIEW应用程序编程接口（API）；
4．熟悉Multisim应用程序编程接口（API）；
二、实验原理与说明
NIELVISII环境由以下几部分组成：
硬件工作区用于创建电路及接口实验NIELVISII软件（在NILabVIEW软件中实现），包括以下：
•软前面板（SFP）工具
•LabVIEW应用程序编程接口（API）
•Multisim应用程序编程接口（API）
通过API，用户可使用在Multisim内编写的LabVIEW程序及仿真程序实现NIELVISII工作站的自定义控制及访问。
三、实验内容及任务
1、量器件值。
（1）使用提供的USB线将NIELVISII工作站与计算机连接。
USB一端连接于NIELVISII工作站，USB方口端与计算机相连。
打开计算机并启动NIELVISII（接通工作站背面的开关）。
USBACTIVE（橘色）LED显示ON。
稍等一会儿后，ACTIVATELED将显示OFF，USBREADY（橘色）
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LED显示ON。
（2）在计算机屏幕上点击NIELVISmx仪器启动图标，或点击快捷方式。
NIELVISII仪器条将在屏幕上显示。
现在您已经完成测量的准备了。
图4-2.NIELVISmx仪器启动图标条
（3）用双头香蕉型接口连接数字万用表（DMM）输入及工作站左侧的[COM]端。
另一头连接一个电阻器。
（4）点击NIELVISmx仪器启动中的DMM图标，选择数字万用表。
图4-3.数字万用表，欧姆计配置
您可以使用DMMSFP实现各类操作，如电压、电流、电阻、电容等的测量。
通过DMM[X]符号来表示X操作。
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本次测量的正确连接方法显示在DMM前面板上。
（5）点击Ohm按钮[]来使用数字欧姆表功能，DMM[]。
点击绿色箭头[Run]来开始测量采集。
测量3个电阻R1，R2，及R3。
将数据填写到下表：
R1_______（1.0k标称值）
R2______（2.2k标称值）
R3_______（1.0M标称值）
如果要停止采集，可点击红色方形[Stop]按钮。
注释：
通过点击模式按钮，可将{自动量程}改为{指定量程}，并通过点击量程按钮选择最适当的量程。
2、在NIELVISII开发板上创建分压电路
（1）使用R1和R2两个电阻在NIELVISII开发板上搭建以下电路。
图4-4分压电路
（2）将输入电压Vo连接至[+5V]引脚接口。
（3）将共地端连接至[GROUND]引脚接口。
（4）将外部线一端连至DMM电压输入[VÙ]及NIELVIS工作站一侧的[COM]，另一端连接2.2k电阻。
（5）检查电路后将上推电源开关至上端[–]使开发板上电。
3个电源LED指示灯，+15V、–15V及+5V此时应均呈绿色并点亮。
图4-5.NIELVIS开发板上的电源LED指示灯
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注释：
如果这些LED中的任何一个呈黄色，而其它为绿色，电源的可重置保险丝都将跳断。
此时需要关闭开发板电源以重置保险丝。
检查电路可能存在的短路情况。
重新给开发板上电。
此时LED将均呈绿色。
（6）将DMM[V]测试端连至Vo，并通过DMM[V]功能测量输入电压。
按下点击[Run]来采集电压数据。
V0（测量值）_______________
根据电路原理，R2上的输出电压V2应由以下公式得到：
（7）使用上面的测量值R1，R2及Vo来计算V2。
接下来，使用DMM[V]来测量电压V2的真实值。
V2（计算值）________________
V2（测量值）________________
（8）测量值与计算值是否匹配？
3、使用DMM测量电流
根据欧姆定律，以上电路的电流（I）等于V2/R2。
（1）使用V2及R2的测量值计算电流。
（2）将连接至[V]的外部连线连至电流输入端（A），进行电流的直接测量。
将另一端连至电路，如下所示。
图4-6.测量电流的修改电路
（3）选择功能DMM[A]，并测量电流。
I（计算值）________________
I（测量值）________________
（4）测量值与计算值是否匹配？
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4、观察RC瞬态电路的电压变化
采用DMM[]功能来测量1µF的电容。
（1）将电容的导线连接到阻抗分析仪的输入端[DUT+]和[DUT–]上。
你可以在NIELVISII原型板的左下方接线块上找到这两个端口。
（2）要测量电容和电感，必须为原型板供电，需将原型板的电源切换为ON状态。
（3）单击电容按钮[]，使用DMM[]功能来测量电容C。
按下Run按钮获取电容值。
（4）建立一个如下图所示的RC瞬态电路。
该电路中采用了分压电路，其中R1由R3（1M电阻）取代，而R2则由1µF的电容C取代。
将DMM的导线移至输入插孔[V]和[COM]。
其它两端则分别接到电容上。
图4-7RC瞬态电路
（5）选择DMM[V]并单击RUN。
（6）给电路上电后电容两端的电压指数将上升。
将DMM的电压范围设置为{指定范围}[10V]。
打开原型板的电源，观察数字显示器和%FS线性范围上的电压变化。
（7）大概几秒钟之后才能获得Vo的稳态值。
切断电路电源后，电容两端电压指数将下降到0V。
试试看吧！
注意该练习只是描述了NIELVISII数字万用表的一种特殊功能。
即
使当原型板的电源断开时，它甚至还可以工作。
5、可视化RC瞬态电路的电压
（1）移除+5V电源引线，并采用一根连接到可变电源插口[SUPPLY+]的导线来取代。
将输出电压VC连接到模拟输入插口[AI0+]和[AI0–]，如下图所示。
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图4-8.NIELVISII原型板上的RC瞬态电路
关闭NIELVISII并启动LabVIEW。
在NIELVISII的程序库文件夹中，选择RCTransient.vi。
该程序采用LabVIEWAPI，将可变电源的电压调为+5V并持续5s，接着将VPS电压重新设置为0V并持续5s；与此同时，测量电容两端的电压，并在LabVIEW图表中实时显示该电压。
图4-9.RC瞬态电路的充电和放电波形
这种方波激励可以非常明显地显示简单RC电路的充电和放电特性。
（2）看看LabVIEW方框图，来了解该程序是如何工作的。
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图4-10.RCTransient.vi程序的LabVIEW方框图
在该四帧序列的第一帧中，NIELVISmx可变电源虚拟仪器（VI）向NIELVISII原型板上的RC电路输出+5.00V电压。
第二帧以1/10秒为间隔、顺序读取50次电容两端的电压值。
在for循环中，DAQ助手以1000S/s的速率读取100个数据，并将这些值传送至一个簇阵列中（粗的蓝/白线）。
从该簇中将数据阵列（粗的橘色线）传送至MeanVI中，返回这100个读数的平均值。
然后，将该平均值通过一个本地的变量终端<>，传送至LabVIEW图表中。
下一帧将VPS+电压设置为0V。
最后一帧则测量放电循环中的另外50个平均采样值。
该程序记录了RC电路的一个完整的充电和放电周期。
如果要重复该周期，可以将上述程序放入一个while循环中。
四、实验报告要求
1．按上述实验内容的指导进行操作，将结果贴在实验报告上。
2．NIELVISII平台工作环境由哪几部分组成的。
3．如何使用NIELVISII工作站进行电器元件特性测量。
4．心得体会及其它。
五、实验仪器与器材
安装有LabVIEW的计算机
所需软面板（SFPs）：
数字欧姆计[]
数字电容计[
]
数字电压计[V]
所需器件：
k电阻，R1，（棕，黑，红）
2.2k电阻，R2，（红，红，红）
1.0M电阻，R3，（棕，黑，绿）
1F电容C
需用电阻–7.5k,1k,2k,4k,及8k标称值
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实验五电子温度计实验（设计性实验）
一、实验目的
1．熟悉NIELVISII可变电源（VPS）的使用；
2．掌握虚拟控件的使用；
3．掌握使用LabVIEW的输入和显示控件，结合NIELVISIIAPI构建数字温度计。
二、实验原理与说明
热敏电阻是用半导体材料制造的二线元件。
它具有非线性响应曲线和负温度系数。
热敏电阻为在宽动态范围内测量温度提供了理想的传感器，在温度报警电路中特别有用。
本实验介绍NIELVISII可变电源（VPS）。
您可以使用工作台上的面板控件或计算机屏幕上的虚拟控件进行使用，您还可以将它嵌入到LabVIEW程序中。
VPS激励在分压电路中的10k热敏电阻。
热敏电阻两端测量到的电压与其电阻值相关，从而也就与温度相关。
本实验演示了您如何使用LabVIEW的输入和显示控件，结合NIELVISAPI构建数字温度计。
三、实验内容及任务
1、测量电阻元件阻值
（1）启动NIELVISII。
（2）从仪器软件前面板列表中选择数字万用表（DMM）。
（3）点击欧姆按钮。
（4）将测试接头分别连接到DMM的【V】和【COM】端。
（5）测量10k电阻和热敏电阻。
（6）填写下表：
10k电阻________________欧姆
热敏电阻________________欧姆
（7）保持连接热敏电阻的状态下，将热敏电阻拿在指尖处，使它升温，观察电阻变化。
电阻阻值随着温度的升高将会降低（负温度系数），这是热敏电阻的重要特性。
热敏电阻使用半导体材料制造的，其电阻特性关于环境温度呈指数关系，因此会得到非线性响应。
热敏电阻响应与RTD（100铂电阻温度设备）比较，如下图所示。
图5-1：
热敏电阻与RTD的电阻-温度曲线
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2、操作可变电源
完成以下步骤，设置一个或两个可变电源的电压等级。
（1）从软件前面板菜单中，选择【VPS】图标。
NIELVISII共有两个可控电源，0至-12V以及0至+12V，每个最大都可以输出500mA电流。
在默认模式下，您可以使用上述虚拟面板控制VPS。
在虚拟旋钮上设置输出电压，点击【运行】对话框。
输出电压显示在您所选择的电源的上方显示区域（以蓝色显示）。
在点击停止按钮之后，原型板的输出电压被重置为零。
说明：
要将输出电压在一定的电压范围内扫描，先确保您按下了【停止】按钮。
选择电源（＋或－）、开始电压、停止电压、阶跃大小、阶跃间隔，点击【扫描】。
要进行手动操作，点击手动栏，使用NIELVISII工作站右侧的旋钮，设定输出电压。
要查看显示区域的输出电压，请点击在LabVIEW标签旁边所出现的白框。
图5-2：
可变电源的虚拟软件前面板
（2）将接头从标有可变电源【电源＋】和【地】的原型板接头连接到DMM电压输入上。
（3）选择DMM【V】点击运行选VPS前面板，点击运行。
（4）旋转虚拟VPS的电源＋控件，观察在DMM【V】显示上出现的电压变化。
说明：
您可以使用【重置】按钮快速将电压重置为零。
（5）点击手动栏，激活工作站右侧的真实控件。
虚拟控件被灰色显示。
观察站的绿色手动
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模式LED已经点亮。
（6）旋转＋电源旋钮，观察DMM上的变化。
说明：
VPS－的工作方式完全相同，只是输出电压是负的。
3、热敏电阻电路
完成以下步骤，构建并测试热敏电阻电路。
（1）在工作站原型板上，使用10k电阻和热敏电阻建立分压器电路。
输入电压被连接到【电源＋】和【地】接头上。
热敏电阻两端的电压输出到DMM【V】接头上。
图5-3：
使用热敏电阻的温度测量电路
图5-4：
NIELVIS原型板上的实际热敏电阻电路
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（2）确保可变电源电压被设置为零。
为原型板加电，观察DMM上电压的显示值。
将电压从0增加到＋5V。
热敏电阻两端的被测电压VT将大约增加到2.5V。
（3）将电源电压减小为＋3V。
这样确保了热敏电阻中自己产生的热量（焦耳热）不会影响外部温度读数。
（4）用您的指尖加热热敏电阻，观察电压降低。
您可以重新安排分压方程，按如下方法计算热敏电阻阻抗：
RT=R1*VT/（3-VT）
在环境温度为25℃度的情况下，热敏电阻阻抗大约
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