基于labview的光耦测频实验Word格式.docx
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3.1.4传感器的测量精度与结构
3.1.5传感器的型号的确定
3.2信号调理电路...................................................20
3.2.1信号调理电路的选择
3.2.2信号调理电路的设计
3.2.3信号调理电路的计算
第四章系统软件设计
4.1系统软件设计..................................................21
4.1.1系统软件程序流程图
4.1.2前面板与框图程序的设计及功能实现方法
第五章系统总体调试、运行及其结果..................................34
第六章收获、总结与体会............................................36
参考文献...........................................................38
第一章《测控系统综合设计》设计任务书
题目：
基于虚拟仪器技术的光耦测频系统设计
一、设计任务
本课题要求通过直流电机的转动带动光栅转动，光栅又控制着光电开关的通断，将直流电机的转动转换成具有周期性的矩形脉冲电压信号，送入NIELVISII数据采集平台的模拟输入通道，然后利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW来开发系统软件，以实现对直流电机转速和频率信号的采集、分析、处理与报表生成等。
具体指标与要求如下：
（一）硬件设计要求
1、理解光电器件测频的基本原理，通过光电开关将电机的转速转换成具有周期性的矩形脉冲信号，实现对电机转速和频率的测量。
要求对光电测频器件进行选型，对光电器件测频信号调理电路进行设计与调试，说明其工作原理。
2、理解NIELVISII数据采集平台的工作原理，通过NIELVISII数据采集平台对光耦传感器及其调理电路出来的电压信号进行采集、分析与处理。
（二）软件设计要求
要求采用状态机的软件设计结构来设计光耦测频系统软件。
系统软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。
具体要求如下：
1、系统初始化
光耦测频系统软件运行后，首先进入系统初始化状态。
系统初始化状态主要可以对NIELVISII数据采集平台，所用的数据采集通道及软件界面上的所有控件进行初始化。
系统初始化结束后，软件进行等待状态中，等待其他功能的选中与运行。
2、系统等待
在系统等待状态下，用户可选择其他功能并运行。
要求系统等待状态采用事件驱动结构来实现。
3、数据采集
要求系统可以对光耦测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。
包括对所用NIELVISII数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数等参数的设置。
将采集到的时域波形、频率（Hz）、电机转速（rpm）等参数进行实时显示。
对信号进行频谱分析并显示其频谱波形。
4、报表生成
报表生成功能可以实现对光耦测频信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NIELVISII数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数、时域波形、频率（Hz）、电机转速（rpm）、频谱波形等参数或波形作为报表的内容进行保存。
5、打开报表
打开报表功能可以对保存的报表进行打开以便进行离线进行分析和处理。
6、退出
按下“退出”键，将退出系统软件。
要求系统软件界面设计友好，方便操作。
在系统软件界面即前面板上必须有状态显示栏，以显示软件当前运行的状态。
二、设计目的
通过本次设计使学生具备：
（1）初步了解测控系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对专业理论知识的理解，能够综合运用所学的《传感器原理与检测技术》、《虚拟仪器技术》、《测控电路》、《测控系统原理与设计》等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。
（2）通过制定测控系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各电路和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握测控系统综合设计过程和方法的目的。
（3）进行设计基本技能的训练。
如：
计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。
（4）了解现代仪器科学与技术的发展前沿，学习和掌握基于虚拟仪器技术的测控系统组成和工作原理；
进一步掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧。
（5）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；
提高学生的论文撰写和表述能力；
培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；
培养学生的创新能力和运用知识的能力。
三、设计要求
1、了解和掌握整个以虚拟仪器技术平台构建的测控系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景。
2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据测控系统的功能和工作原理，确定测控系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板。
3、合理选择传感器的种类与型号，设计信号调理电路；
利用虚拟仪器技术软件开发平台LabVIEW来编写与调试系统软件。
4、按学校课程设计的撰写规范撰写且提交一份完整的设计报告。
四、设计内容
1、基于虚拟仪器技术的光耦测频系统硬件设计。
2、基于虚拟仪器技术的光耦测频系统软件设计。
具体设计内容详见前面的设计任务。
五、设计报告要求
报告中提供如下内容：
1、目录
2、正文
（1）设计任务书（只需要打印指导教师提供的设计任务书，不要对任务书的内容进行任何的修改）；
（2）总体设计方案（包括对现代测控系统发展的概述，构建一个测控系统的总体结构图，光电器件测频的基本原理、发展与概述等，光电器件测频信号调理电路的设计，并根据任务书要求，选择合适的技术参数和技术方案，对多种设计方案进行分析比较，系统总体结构图概述等）；
（3）系统硬件设计，包括传感器的选择（测量原理分析，传感器的量程、测量精度与结构、型号的确定）、信号调理电路的选择、设计及计算（根据测量要求、传感器的类型及特点，选择或设计合适的信号调理电路，并绘制电气系统原理图。
）；
（4）系统软件设计，包括系统软件程序流程图、前面板与框图程序的设计及功能实现方法等；
（5）系统总体调试、运行及其结果；
要求有程序和运行结果等。
3、收获、总结与体会
4、参考文献（不低于20篇）
六、设计进度安排
本课程设计共需3周（按15天来计算）时间，其具体要求与安排见下表:
序号
内容
时间安排
1
设计动员、布置设计任务
第1天上午
2
查找与消化相关资料
第1天下午，第2天
3
总体方案设计
第3天
4
系统硬件设计
第4-5天
5
系统硬件调试
第6天
6
系统软件设计
第7-10天
7
系统软件调试
第11-12天
8
系统总体调试及性能分析与总结
第13天
9
撰写设计报告
第14天
10
完成设计报告并上交
第15天上午
11
答辩
第15天下午
七、设计考核办法
本设计满分为100分，从设计平时表现、设计报告及设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。
第二章总体设计方案
2.1测控系统的简介
现代测控技术是一门高新技术，以测控、测量、电子等学科为基础，涉及计算机技术、信息处理技术、电子技术、自动控制技术、测试测量技术、仪器仪表技术及网络技术等领域。
随着现代科学技术的飞速发展和不断融入，加快了现代测控技术的发展，使其正朝着智能化、集成化、微型化、虚拟化、网络化和远程化的方向大步迈进。
作为一门实践性很强的技术，现代测控技术在工业、农业和国防等领域的应用广度和深度正不断的扩大，并将为改进技水平和提高生产率做出巨大的贡献。
测控技术就是一门研究如何测量周边物理量和如何控制周边物理量的技术。
对于测量来说，它包括了传感技术和电子电路（包括模数转换技术）等，还包括了物理量的显示技术（模拟/数字表头的显示，时间曲线显示，X-Y曲线显示等等）和数据存储技术。
而对于控制来说，它包含了控制理论，电子电路，执行机构的拖动技术等。
测控技术经历了机械式，电子电路，到当前普遍使用的单片机和PC-Based（即虚拟仪器）几个发展阶段。
基于个人计算机的系统，简称PC-Based，随着个人电脑的普及、性能的高速提升，已经成为目前高速发展的高科技行业之一。
其中虚拟仪器，即PC-Based测控系统又是PC-Based系统中发展最早，目前应用最广的领域之一。
虚拟仪器正在大规模地替代传统的测控仪器，尤其在新建项目中的非标测控仪器。
现代测控系统是一个综合系统，其目的是实现生产过程的自动化控制，它以计算机技术为核心，并集控制和测量为一体。
现代测控系统的组成大致可以分为五个部分，即：
①控制器部分。
是系统的控制中心和指挥中心，主要指计算机、小型机、单片机等。
②程控设备和仪器。
包括：
激励源、程控伺服系统、各种程控开关及仪器、执行元件、存储器件、显示器件等。
测控应用软件。
包括I/O接口软件、可执行应用程序和仪器驱动程序等。
④总线与接口部分。
包括连接器、电缆、插槽、机械接插件等。
它是连接控制器与各种设备、程控仪器的通路以完成数据、命令及消息的交换与传输。
⑤被测对象。
主要是指生产线、系统、子系统、被测设备等，通过电缆、开关、接插件等于测控设备相连接。
根据测控任务的不同，被测对象也是千差万别的。
2.1.1.2现代测控系统的基本类型
按照结构不同，现代测控系统可以分为三类：
基本型、闭环控制型和标准通用接口型。
基本型测控系统主要由传感器、数据采集卡、信号调理和计算机组成。
它能够完成对多点的实时、快速测量，并能进行信号和数据分析，消除干扰，最终
做出判别。
闭环控制型是指应用于闭环控制系统的测试系统，其过程的自动控制可归纳为实时数据采集、实时控制、实时判断决策三个阶段。
标准通用接口型是由模块组合而成，并且所有模块的对外接口都是按照规定标准设计的。
2.1.2现代测控技术的特点
现代测控技术的特点可以概括为：
智能化、数字化、网络化、分布式化。
（1）智能化现代测控系统中应用的仪器仪表都是智能化的仪器，以微处理器为基础，具有方便使用、灵巧、多功能等特点。
随着微电子技术的发展和更多的人工智能的不断引入，智能化仪器的计算能力和计算方法将得到大大增强。
（2）数字化数字化在测控领域中的应用主要体现在：
控制器到远程终端设备的数字化控制，传感器的数字化控制，通信、信号处理等过程的数字化控制等。
（3）网络化传感器技术、测控技术、计算机技术与网络技术的结合，使分布式、网络化的测控系统的组建变得十分便捷。
随着计算机网络技术的迅猛发展及其他相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更加庞大，其在航空航天、气象、通信和国防等领域的应用也更为广泛。
（4）分布式化分布式测控技术是以网络技术和微型计算机术为基础，采用分布式的结构将系统内所使用设备连接起来，从而组合成符合要求的分布式测控系统。
在生产过程的控制中，分布式测控系统可以实现测量———控制———管理的全自动化，大大降低了测控成本，提高了测控效率。
2.1.3现代测控技术的应用
现代科学技术的融入不但使现代测控技术在各方面得到广泛应用，而且加快了现代测控技术的发展,形成了现代测控技术朝微型化、集成化、远程化、网络化、虚拟化等方向发展。
同时，现代测控技术是一门实践性非常强的技术，既包括硬件、软件的设计，又包括系统的集成，随着其在国防、工业、农业等领域应用的深度和广度的扩大，它将为提高生产效率、改进技术水平做出巨大的贡献。
新型传感器技术、现代测控总线技术、虚拟仪器技术、远程测控技术、测控系统集成技术等，都是这门涉及广泛的学科的发展趋势和方向。
传感技术是当今世界发展最迅速的高新技术之一。
为了适应现代科学技术的发展，新型传感器逐渐融入了诸如计算机技术、智能技术和网络技术等新技术，使其结构更加完善，功能更加强大。
新型传感器技术的应用体现在：
①微型化气体传感器广泛应用于交通、医学、化工、机器人、国防、防伪等领域。
②数字化传感器在实际生产和生活中应用广泛，如：
银行监控、测量环境温度、图像传感器等。
③集成化传感器主要用于温度测量、压力测量和视觉测量。
④智能化传感器的典型应用，如：
火车机车的状态监测、心内压监控系统等。
⑤网络化传感器在工业、农业、军事国防、医疗、抢险救灾、环境监测、城市管理、反恐等许多领域具有潜在的实用价值和重要的科研价值。
在现代测控系统中，利用总线技术可以在很大程度上简化测控系统结构，增加系统的可靠性、开放性、兼容性及可维护性，从而降低系统成本。
现代测控总线技术的应用有：
①GPIB总线技术利用计算机实现了对仪器的操作和控制，促使测控技术向大规模测控系统的方向迅速发展。
②USB总线具有低成本、速度快、使用灵活、即插即用、易于扩展等优点，在低速设备上应用广泛。
③IEEE总线具有支持多种总线速率、支持等时和异步两种传输方式、分层的硬件和软件、支持点对点传输、可扩展总线、错误检测和处理等优点，成为外部硬盘、视频设备、高度数字音频和其他高速外设的首选接口。
④自动化系统与设备正朝着现场总线体系结构的方向前进，将极大的促进企业网络和自动化相关行业的发展。
⑤LXI总线有着巨大的竞争潜力和广阔的发展空间，尤其适合于多个单位合作研究开发生产的项目和分布在不同地区的研发机构。
2.1.3.3虚拟仪器技术
虚拟仪器技术是计算机辅助测试领域的一项重要技术，是现代仪器技术和现代计算机技术深层次结合的产物，具有功能强大、交互性、灵活性、系列化和模块化、网络化等优点。
虚拟仪器技术的应用也较广泛，如：
①利用虚拟仪器技术测量不同进口压力和转速下的液力变矩器的性能参数。
②虚拟仪器技术用于蚕茧无损质量检测。
③利用虚拟仪器计算机视觉软件和开发工具，开发出计算机自动化秧苗分析系统，可用于预测在最后发芽期限发芽良好的秧苗数量及监视秧苗质量。
④虚拟仪器技术用于农机监控、检测上及农机现代化管理与教育。
常见的远程测控技术有：
专线远程测控技术、电话网远程测控技术、以太网远程测控技术和无线通信远程测控技术。
远程测控技术的应用主要有：
①基于Internet的远程测控技术，在核电站检测、电网运行监控、石油输送管道的远程监控、机器人的远程监控等领域应用广泛。
②基于现场总线的远程测控技术，主要应用于现场总线仪表、现场总线网络、现场总线远程测控系统等的监测。
③基于无线通信的远程测控技术特别适用于用户密度不高、距离较远、不易布线和地理环境复杂的地区和情况
随着计算机技术的发展，各领域逐渐开始采用以信息的获取与应用为中心的方式，以实现工业生产、仪器仪表的自动化控制。
同时，数据处理技术、信号传感技术、计算机控制技术等先进技术也在飞速发展，促使现代测控技术发生深刻的变化。
现代测控技术的未来发展将朝着智能化、系统化、标准化及系统功能的综合性等趋向，并更加的开放化、标准化，为促进技术水平的提高做出巨大的贡献。
2.2LabVIEW虚拟仪器介绍
LabVIEW是由美国NI公司开发的、优秀的图形化编程开发平台，是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench的简称，即实验室虚拟仪器工程平台，是目前应用范围最广、功能最为强大的虚拟仪器开发平台。
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、ActiveX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框图。
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。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率
与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：
智能化程度高，处理能力强虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。
用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
复用性强，系统费用低应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。
这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。
通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。
可操作性强，易用灵活虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。
使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。
测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。
虚拟仪器较之于传统仪器,有显而易见的优势，见下表。
虚拟仪器与传统仪器的对比表
虚拟仪器
传统仪器
开放、灵活，与计算机技术保持同步发展
封闭，仪器间相互配合差
核心是软件，系统性能升级方便
关键技术是硬件，升级成本高
价格低廉，资源可重复利用
价格昂贵，仪器间一般不能相互利用
用户可根据需要定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能
可与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备
开发与维护费用可降至最低
开发与维护费用高
技术更新周期短（一般来说，1～2年）
技术更新周期长（一般来说，5～10年）
2.2.3虚拟仪器技术的发展动向及展望
在虚拟仪器系统的组建和开发中,研究、开发适于广大测试技术人员使用的测试软件开发平台（也称软件开发工具或软件开发环境）,提高编程效率、节省调试时间和编程费用,一直是测试领域人们关心的重要技术问题。
许多公司已经开发出一些使用方便、功能强大的专用的虚拟仪器软件开发平台,目前世界上具代表性的3个专用的虚拟仪器软件开发平台是美国NI公司的LabWindows/CVI、LabVIEW和HP公司的HPVEE。
其中LabWindows/CVI属于可视化的文本型开发平台,而LabVIEW与AgilentVEE属于图形化的软件开发平台。
2.3系统总体结构图概述
3.1系统硬件设计
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。
当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。
测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：
量程的大小；
被测位置对传感器体积的要求；
测量方式为接触式还是非接触式；
信号的引出方法，有线或是非接触测量；
传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
2、灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。
因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。
但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。
因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的于扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。
当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；
如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
3、响应特性（反应时间）
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测
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