电气.docx

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电气

摘要

目前，在中国许多高校中使用的教学仪器，仍大多为相当落后的传统仪器。

随着科学技术的不断发展以及相应学科高等教育课程教学内容的更新，传统仪器日益暴露出一些缺陷和不足。

为了改善实验条件，改善实验教学方法，更新实验教学内容，提高实验教学课程的开设水平，把虚拟仪器引入实验教学已成为一种必然趋势。

本文就是基于虚拟仪器在电气实验教学的应用设计。

拟仪器的开发环境——LabVIEW软件，总结了LabVIEW软件的特点，简单地介绍了它的操作工具，除此之外还对G语言编程作了简单地介绍；接下来对数据采集以及与其相关的信号调理、仪器驱动、缓冲触发的基本概念作了说明；然后重点针对所设计的实验——电子测量技术课程用到的电子电压表，异步电动机机械特性曲线测定实验和异步电动机的调速实验，从模型建立、功能介绍、程序说明、实验结果等方面作了详细的阐述；最后是本文的结论，对整个设计进行总结并对将来作了展望。

关键词：

虚拟仪器,LabVIEW,软件开发,实验教学,虚拟示波器，异步电动机

Abstract

Atpresent,theteachinginstrumentthatusedinalotofuniversitiesinChinaisstillmostlyquitebackwardtraditionalinstruments.Withthedevelopingofscienceandtechnologyandrenewalofcorrespondingcontentofcoursesofhighereducationcourse,thetraditionalinstrumentexposessomedefectsanddeficienciesdaybyday.Inordertoimprovetheexperimentconditions,improvetheteachingmethodoftheexperiment,upgradethecontentofcoursesoftheexperiment,improvethecompetenceofofferingofteachingcourseoftheexperiment,leadingthevirtualinstrumentintoexperimentteachinghThereisgreatsignificanceintherespectofexcitingtheenthusiasmthatstudentsstudyindependently,promotingstudentstostarttopractiseandstrengtheninginnovativeconsciousness.

Thenintroducedtheresearchobject-----virtualinstrument,hasexplaineditsdefinition,composition,function,characteristicanddevelopmentprospect;Thenhasintroducedthedevelopmentenvironmentofthevirtualinstrument-----LabVIEWsoftware,hassummarizedthecharacteristicofLabVIEWsoftware,hasintroduceditsoperationtoolbriefly,inadditionhasalsointroducedthelanguageprogrammingofGbriefly;Andthenhasintroducedthedatahasmodelsettingup,functionintroduction,procedureproving,experimentalresult,etc.;Itisaconclusionofthisthesisfinally,todesigningandsummarizedandlookedforwardtofutureentirely.

keywords：

virtualinstrument,LabVIEW,engineeringofsoftware,experimentteaching,VirtualOscilloscope,inductionmotor

目录

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.1.1目前高校实验教学存在的问题1

1.1.2国内外虚拟仪器在实验教学中的应用现状2

1.2研究意义4

1.3研究内容4

第2章虚拟仪器技术6

2.1虚拟仪器概述6

2.2虚拟仪器的组成8

2.2.1虚拟仪器硬件平台8

2.2.2虚拟仪器的软件系统10

2.3虚拟仪器的功能及特点12

2.3.1虚拟仪器的功能12

2.3.2虚拟仪器的特点12

第3章LabVIEW软件开发平台15

3.1概述15

3.2LabVIEW软件的特点17

3.3LabVIEW应用程序的构成17

3.3.1前面板简介17

3.3.2流程图简介18

3.3.3图标/连接器简介19

3.4LabVIEW的操作模板20

3.4.1工具模板简介20

3.4.2控制模板简介21

3.4.3功能模板简介22

3.5LabVIEW的网络特性22

3.6LabVIEW设计虚拟仪器的方法23

第4章基于LabVIEW的电气实验设计25

4.1虚拟电子电压表的设计25

4.1.1虚拟电子电压表前面版的设计25

4.1.2虚拟电子电压表程序框图的设计26

4.2异步电动机机械特性测定实验28

4.2.1设计背景与意义28

4.2.2研究方法28

4.2.3异步电动机的数学模型28

4.2.4异步电动机模型子VI的建立31

4.2.5前面板与程序框图设计33

4.2.6实验曲线测定36

4.3异步电动机的调速实验40

4.3.1前面板和程序框图设计40

4.3.2实验曲线测定42

4.4数据采集技术在设计中的应用说明44

结论46

致谢47

参考文献48

第1章绪论

1.1课题背景

实验在理工科教学中占有十分重要的地位，而且是教学活动中一个必不可少的环节，很多课程都是以实验为基础的。

实验可以加深学生对所学理论知识的理解，增强学习兴趣，锻炼动手能力，及在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力。

在大力倡导素质教育的今天，办好实验对于培养学生的综合素质和实践技能是至关重要的。

实验条件也是反映办学水平和科研水平的重要标志之一。

但是近年来各高校大这对调度学生学习积极性，培养创新精神，加强实践动手能力都十分不利。

尤其是对于像电机学这样抽象、复杂的实验，简单的几次实验是不能让学生完全理解掌握的，必须从不同的角度反复实验，增加印象，这样才能最终真正的学会学懂[1]。

1.1.1目前高校实验教学存在的问题

传统的实验教学使用实物仪器，其设备往往比较陈旧，不能及时更新，从而跟不上教育的飞速发展。

目前高等工科院校仍然沿用着传统的实验教学方法，其缺点主要表现在以下几个方面:

1.实验内容和实验设备依附与理论课程进行划分，各实验室和实验内容没有形成一个有机的整体，缺乏系统的观念。

2.实验设备重复建设，沉积较多。

3.实验设备层次不齐，大部分设备落后于课程建设的需要。

4.实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，每个学生的实验内容千篇一律，将学生的思维限定在一个狭窄的范围内，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。

5.滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，实验教学处于应试教育。

这些在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。

究其原因，不能不说在科技迅猛发展的今天，以教育有限的投入无法满足实验设备价格昂贵、更新速度快的要求，是其最根本的原因。

这就要求从事实验教学研究的工作者，开发能够满足现代实验教学要求、物美价廉的实验教学仪器，以提高实验教学水平，培养高素质的适应时代要求的合格人才。

本文正是在这种背景下，以作者所在自动化专业的重点实验科目——电机与拖动为依托进行设计的。

1.1.2国内外虚拟仪器在实验教学中的应用现状

1.国内应用现状

目前，在我国已有部分高校入信号减和输出信号功率放大的功能。

实验箱是为在虚拟仪器环境下开设若干有典型意义基础实验和若干综合性提高实验而专门设计制作的,提供有足够量的多种电路元器件、指零仪表和集成电路芯片等[2]。

另外，国内许多大学和研EVlab系统的过程中，采用了QTVR和VRML相结合的作法，通过结合VRML较强的用户交互功能和QTVR实景建模的功能，可以构建真实感很强的、具有良好交互性的虚拟实验室。

2.国外应用现状

美国的JohnC.Waller和NatalieFoster用屏幕拷贝监视器显示的方法设计了一个虚拟的气相色谱质谱仪（GC-MS）。

学生可以在Web上使用这个虚拟仪器，从而可以较快地掌握这种复杂仪器的使用方法，而真实的仪器则能被用来进行更有价值的实验和获取数据。

澳大利亚RMIT大学的方楚地了解到学生面临的困难。

这个虚拟实验使用了多种人机交互手段，为学生提供了一个易于使用的实验学习环境[4]。

纵观国内国外，虚拟仪器在电机实验教学上的应用还不是很广泛、深入，希望本文能以前人之凿，修己之石，引后人之玉。

1.2研究意义

传统仪器下的高校实验教学，己严重滞后于信息时代和工程实际的需要。

其根本原因在于实验教学内时性好、具有良好的人机界面。

虚拟仪器正可以实现这些要求。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下优点:

1.在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；

2.仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由生产厂家定义好的；

3.仪器性能的改进和功能的扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要购买新的仪器；

4.研制周期较传统仪器大为缩短，且成本低廉；

5.虚拟仪器具有开放性和灵活性，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。

目前，取长补短，学习国外先进经验，将我国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢。

1.3研究内容

本文共分为六个部分，第一部分介绍课题的研究背景，纵观了该课题在国内外的研究现状，并指出了研究的意义。

第二部分介绍了本课题的研究对象——虚拟仪器，阐述了它的定义、组成、功能、特点及发展前景。

第三部分介绍了虚拟仪器的开发环境——LabVIEW软件，总结了LabVIEW软件的特点，简单地介绍了它的操作工具，除此之外还对G语言编程作了简单地介绍。

第四部分对数据采集以及与其相关的信号调理、仪器驱动、缓冲触发的基本概念作了说明。

第五部分是全文的重点部分，针对所设计的实验，从模型建立、功能介绍、程序说明、实验结果等方面作了详细的阐述。

第六部分是结论部分，对整个设计进行总结并对将来作了展望。

第2章虚拟仪器技术

2.1虚拟仪器概述

仪器技术发展至今，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器以及单台仪器、层叠式仪器系统阶段，从20世纪80年代进入虚拟仪器系统时代。

电子技术的飞速发展及助于PC机强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的“虚拟的”仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。

这种与PC机结合构成的，包含实际仪器使用与操作信息软件的仪器，称为“虚拟仪器”。

1986年，美国NI公司功能强大的应用软件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驱动软件，它们在一起共同完成传统仪器的功能。

VXI（VMEbuseXtensio，体积将会更小，甚至可以移植到被测试的设备或电路中去，并且具有自我诊断、自我校准和自我感知的能力[6]。

1986年10月，美国NI公司推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LabVIEW，它采用独特的图形化编程方式，编程过程简单方便，是目前最受欢迎的虚拟仪器主流开发平台。

在软件上，为了兼顾其他高级语言开发者的习惯，NI还推出了LabWindows/CVI.ComPonentworks等交互式开发平台。

所谓虚拟仪器种测试功能。

虚拟仪器是基于计算机的及操作系统为依托，实现各种仪器功能。

虚拟仪器主要是指这种方式。

下面的框图2.1反映了常见的虚拟仪器方案。

图2.1常见虚拟仪器的应用方案

“虚拟”二字主要包含两方面的含义：

第一、虚拟仪器的面板是虚拟的：

虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。

如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的通、断；被测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置；测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。

第二、虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的：

在以PC机为核心组成的硬现了测试技术与计算机技术深层次的结合。

2.2虚拟仪器的组成

虚拟仪器一般由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分组成。

2.2.1虚拟仪器硬件平台

构成虚拟仪器的硬件平台有两大部分:

1.计算机:

一般为一台PC机或者工作站，它是硬件平台的核心。

虚拟仪器使用的个人计算机中，微处理器和总线成为最重要的因素。

其中，微处理器的控制和其它控制系统中。

总线技术的发展据采集结合在一起。

2.I/O接口设备:

主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换及数/模转换和信号输出控制等。

可根据不同的总线情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口仪器等，虚拟仪器构成方式有五种类型，如图2.2框图所示。

图2.2虚拟仪器的构成方式

a.PC-DAQ系统:

以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。

采用计算机本身的总线PCI或ISA，故将数据采集卡版（DAQ）插入计算机空槽中即可。

PC-DAQ/PCI插片式虚拟屏蔽、散热条件差等。

但PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器在五种虚拟仪器系统中，是虚拟仪器最基本最廉价的构成形式。

b.GPIB系统:

以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。

GPIB总线虚拟仪器测一个GPIB总线虚拟仪器测试系统，也可以作为独立的单台仪器使用。

c.VXI系统:

以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。

VXI总线系统具有标准化、通用化、系列化、模块化的显著优点，它集测量、计算、通信功能于一体，是国际上20世纪如年代的一项高新科技。

它不仅继承了GPIB智能仪器和VME总线的特点，还具有高速、模块化、易于使用等优势。

VXI总线系统可简化为资源管理器和组态寄存器两种结构。

d.PXI系统:

以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。

PXI的重要特性之一是维用的基本功能而不是完整的PXI特性。

e.串口系统:

以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。

RS-232总线是早期总线。

尤其是IEEE1394总线，它是一种高速串行总线，由它构建的虚拟仪器系统，数据传输速度己经达到100Mb/s。

无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。

其中，PC-DAQ测量系统是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。

2.2.2虚拟仪器的软件系统

虚拟仪器软件由两大部分构成，即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。

1.应用程序（它包含两个方面的程序）：

a.实现虚拟面板功能的前面板软件程序；

b.定义仪器测试功能的流程图软件程序。

2.I/O接口仪器驱动程序：

这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。

输入/输出（I/O）接口软件存心。

在VPP系统规范中，详细规定了虚拟仪器系统输入/输出（I/O）接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器系统输入/输出（I/O）接口软件定义为VISA软件。

每个仪器模块均有自。

仪器驱动程序是连接上层应用软件与底层输入/输出（I/O）软件的纽带和桥梁。

在过去，用户只能见到仪器源程序也容易理解。

这样，用户就可以修改仪器驱动程序，可以对仪器功能进行扩展，将仪器使用的主动权真正交给了用户。

开发虚拟仪器，必须有合适的软件开发平台，目前己经有多种虚拟仪器的软件开发平台，大体可分为两类：

a.基于文本式编程语言：

alBasic,Labwindows/CVI等。

b.基于图形化编程语言：

如LabVIEW,HPVEE等。

这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。

本文采用的是NI公司的图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW8.0。

2.3虚拟仪器的功能及特点

2.3.1虚拟仪器的功能

虚拟仪器的基本功能主要有以下三点[9]：

1.信号调理与采集功能

此项功能主要是由虚拟仪器总线接口的仪器，如GPIB,VXI,PXI,STD,PCI总线仪器和网络化仪器等。

2.数据分析与处理功能

虚拟仪器充分利用了计算、统计处理、数值计算、信号分析、数据压缩、模式识别等数字信号处理。

3.参数设置和结果表达功能

虚拟仪器充分参数印，网络传输等。

虚拟仪器最常见的应用是取代传统的台式仪器。

随着插入式数据采集板速率的提高和触发技术的改进，插入式数据采集板技术使台式仪器获得了新生。

2.3.2虚拟仪器的特点

虚拟仪器技术就是基于PC技术的、用户自定义的测试和测量解决方案，其四大优势在于：

性能强性价比高、扩展性强、开发时间短，以及出色的集成功能。

1.性能强性价比高

以软件为主的测量系统字转换器放置在PC机中，就能以高达每秒100Mb的速度将数据导入磁盘。

另外，由于传送的信号大多是数字信号，数据的处理几乎是软件实现的，从而大大降低了环境干扰和系统误差的影响。

2.扩展性强

虚拟仪器的硬、软件具有开入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不必购买一个全新的系统，大大有利于测试系统的功能扩展。

虚拟仪器改变了传统仪器由功能，故虚拟仪器可作为许多仪器设备来使用。

3.开发时间短

在驱动和应用两个层面上地配置、创建、部署和维护高性能、低成本的测量和控制解决方案。

另外，由于充分利用理，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活和简单，增强了数据处理能力。

4.出色的集成

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。

随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，但是这些不同设备间的连接和集成总需耗费大量时间，并不是轻易可以完成的。

虚拟仪器软件平台为大部分I/O设备提供了标准的接口，例如数据采集、视觉、分布式I/O等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

第3章LabVIEW软件开发平台

3.1概述

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,实验室虚拟仪器工程平台）是美国NI公司（NationalInstrumentCompany）推出的一种基于G语言（GraphicsLanguage,图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。

用LabVIEW编制出的图解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。

首先设subVI完成每个子任务，然后将之逐步组合成能够解决最终问题的VI[12]。

3.2LabVIEW软件的特点

归纳起来LabVIEW软件开发平台具有以下优点[13]：

1.图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。

2.提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。

3.采用数据流编程模式，是能够同时运行多个程序的多任务系统。

4.既提供了传统的程序调试手段，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。

5.32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。

6.囊括了DAQ，GPIB，各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。

7.提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLs（动态连接库）、DDE（共享库）、ActiveX、MATLAB等。

8.强大的Internet功能，内置了便于应用TCP/IP，DDE，ActiveX等软件标准的库函数。

支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。

图形化程序设计编程简单、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流行的发展趋势。

3.3LabVIEW应用程序的构成

所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），都包括前面板（frontpanel）、流程图（blockdiagram）以及图标/连结器（icon/connector）三部分。

3.3.1前面板简介

前面板开发窗口如图3.1所示。

窗口中包含主选单栏和快捷工具栏。

设计者制作虚拟仪器前面板就是用工具模板中相应的工具去取用控制模板上的有关控件，并摆放到窗口中的适当位置上。

图3.1前面板开发窗口

前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。

图3.2所示是一个随机信号发生一系列随机数。

还有一个控制对象——开关，可以启动和停止工作。

显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。

3.3.2流程图简介

流程图是图形化程序的源代码，是VI测试功能软件的图形化表述。

虚拟仪器通过软件编程来实现测试功能。

图3.3所示为流程图编辑窗口。

选用工具模板中相应的工具去取用功能模板上的有关图标来设计制作虚拟仪器流程图，以完成虚拟仪器的设计工作。

图3.3流程图编辑窗口

在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。

流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。

图3.4是与图3.2对应的流程图。

我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。

随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个WhileLoop循环，由开关控制这一循环的结束。

3.3.3图标/连接器简介

VI具有层次化和结构化的特征。

一个VI可以作为子程序，这里称为VI（SubVI），被其他VI调用。

图标与连接器在这里相当于图形化的参数。

构造一个子VI主要的工作就是定义它的图标和联接器。

每个VI在前面板和标编辑器的窗口。

可以用窗口左边的各种工具设计像素编辑区中的图标形状。

编辑区右侧的一个方框中显示了一个实际大小的图标。

图3.5图标编辑器窗口

联接器是VI数据的输入输出接口。

如果用面板控制对象或者显示对象从子VI中输出或者输