基于LabVIEW的秒表的设计与实现.docx

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基于LabVIEW的秒表的设计与实现

摘要

现今社会快速进展，各类各样的软件产品被开发出来，为人们的生活、工作提供便利。

与此同时各类软件也深刻阻碍社会的进展。

在各类软件的开发中，精准的计时按时对软件功能的完整实现有着重大的阻碍，现今社会需要精准按时计时报警的领域也愈来愈多，因此开发准确稳固的计时按时软件迫在眉睫。

本次多功能秒表设计是基于LabVIEW2020虚拟仪器平台，利用图形化编程语言，设计一个按时计时显示报警的实例，它要紧通过条件结构的分支选择及平铺式顺序结构和while循环来确保程序按必然顺序执行，通过对系统和操作人员的输入进行检测和响应，进而实现相应的秒表计时，按时报警，闹钟唤醒和时钟报时功能。

本次基于LabVIEW的秒表的设计具有按时计时精度高、占用系统资源少、软件开发周期相对较短、可移植性强、能够与其他软件无缝合成，功能扩展性强等特点，能够在各类软件中可实现精准按时计时报警显示时刻。

关键词：

LabVIEW，虚拟仪器，秒表

Abstract

Withtherapiddevelopmentoftoday'ssociety,moreandmorepeoplegetintothedesignanddevelopmentofsoftwareproductsforthewaypeoplelivingandworkingconvenient.Inthedevelopmentofalltypesofsoftware,precisetiminghasasignificantimpactonthefunctionsofthesoftware,andallkindsoftimingsoftwareconstantlyenrichpeople'sentertainmentlife.

LabVIEWisanindustry-leadingindustrystandardsoftwaretoolsforthedevelopmentoftest,measurementandcontrolsystem.Atthesametime,theLabVIEWvirtualinstrumentdevelopmentisacompletelyopensystemapplicationsoftware,anduseittosetupatestsystemcangreatlysimplifyprogramming.

ThestopwatchdesignisavirtualplatformbasedonLabVIEW2020,usingagraphicalprogramminglanguage,itisprimarilyselectedbythebranchoftheconditionalstructureandflatsequencestructuretoensurethesubroutineaccordingtoacertainorderexecution,andtodetectandresponsfromsystemandoperatorinput,andrealizethecorrespondingfunction,teachthroughlivelyactivitiesandhighlightthebreadthoftheLabVIEWprogramming.

KeyWords:

LabVIEW,virtualinstrument,stopwatch

1绪论

G语言与虚拟仪器的概述

G语言的概述

G语言是一款LabVIEW采纳的图形化编程语言。

LabVIEW作为一个功能比较完整的软件开发环境，称其为编写应用程序的语言，除编程方式的不同，LabVIEW具有其他高级编程语言的所有特性，因此又称它为G语言。

G语言作为一种编程语言适合于任何编程任务，其具有扩展函数库的通用编程语言。

G语言和传统高级编程语言的最大的不同在于编程方式上的不同，一样高级语言采纳的方式为本编程，而G语言采纳图形化编程方式。

G语言编写的程序称之为虚拟仪器VI（VirtualInstrument），因为它的界面和功能与真实仪器大体相似，在LabVIEW环境平台下开发的应用程序都会被冠以.VI的后缀，以表示虚拟仪器的含义。

G语言概念了数据类型、结构类型和模块挪用语法规那么等编程语言的大体要素等，在功能的完整性和应用的灵活性上毫不不逊于任何高级语言，G语言同时还具有丰硕的扩展函数库。

这些扩展函数库要紧面向数据搜集、GPIB和串行仪器操纵、数据分析、数据显示与数据存储等途径。

G语言还包括经常使用的程序调试工具，例如包括断步伐试、许诺设置断点、数据探针和动态显示执行程序流程等功能[1]。

虚拟仪器的产生

随着电子技术、运算机技术的高速进展和其在电子测量技术与仪器领域中的普遍应用，新的测试理论、测试方式、测试领域和仪器结构的不断的出现，电子测量仪器的功能和作用也发生了质的转变，仪器与运算机技术的深层次的结合产生了全新的仪器的结构概念——虚拟仪器的诞生。

它的显现使测试仪器与运算机之间的界限消失，从此开始了测量仪器的新时期[2]。

虚拟仪器的概述

虚拟仪器（VirtualInstrument）是现代运算机技术和仪器技术的深层次的结合的产物，是现今运算机辅助测试领域的一项重要的技术。

虚拟仪器作为运算机的硬件资源、仪器和测控系统的硬件资源和虚拟仪器的软件资源三者的有效结合。

虚拟仪器的应用程序的开发环境平台要紧有两种。

一种是基于传统的文本编程语言软件的开发环境，经常使用的有VisualBasic、VC++等。

另一种确实是是基于图形化的语言的软件开发平台，经常使用有LabView和HpVee等图形化编程语言。

图形化的软件开发系统确实是用工程人员所熟知的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，其具有界面友好，操作简便，可大大缩短系统的开发周期等优势，深受广大软件工作者青睐。

与传统的仪器不同，虚拟仪器是基于运算机和总线技术的模块化的系统，通常它是由操纵模块、仪器模块和软件三部份组成，在虚拟仪器中软件起着至关重要的作用，仪器的大部份功能都需要通过软件来实现的，因此软件作为虚拟仪器的核心，有着“软件确实是仪器”的说法，从本质上反映了虚拟仪器的特征[3]。

虚拟仪器的概念初始是由美国的国家仪器公司（NationalInstruments）提出。

所谓虚拟仪器即是基于运算机的软硬件的测试开发平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、信号发生器、频谱分析仪等仪器；可集成于自动操纵，工业操纵系统当中；可自行的构建成专有仪器系统。

虚拟仪器是继智能仪器以后的新一代的测量仪器。

虚拟仪器是基于运算机软硬件的仪器。

运算机和仪器的紧密的结合是当前仪器进展前景的一个重要方向。

随着运算机的功能的日趋壮大和其体积日趋缩小，相应的这种仪器的功能也将愈来愈为壮大。

另一种方式即是将仪器装入运算机，以通用运算机的硬件和操作系统作为依托，对各类仪器的功能进行实现。

虚拟仪器要紧指的确实是这种方式[4]。

虚拟仪器的组成和工作原理

图1-1虚拟仪器组成图

1.虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部份组成。

1）通用仪器硬件平台。

虚拟仪器的硬件平台由两个部份组成。

①I/O接口设备。

主若是完成被测输入信号的搜集、放大、模/数转换等功能。

②运算机。

一样是一台PC机或事工作站，它作为硬件平台的核心，也确实是是虚拟仪器软件的承载体。

数据搜集采纳的不同的总线及其相应的I/O接口硬件设备，例如利用PC机总线的数据搜集卡版（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等，虚拟仪器组成方式要紧有5种类型。

其虚拟仪器组成图如图1-1所示[5]。

PC-DAQ系统：

它以数据搜集板、信号调理电路及运算机为仪器硬件平台为组成部份的插卡式虚拟仪器系统。

这种系统采纳PCI或ISA运算机本身的总线，故将数据搜集卡/板插入运算机的空槽中即可。

GPIB系统：

它由GPIB标准总线仪器和运算机的仪器硬件平台组成，是一种虚拟仪器的测试系统。

VX1系统：

作为虚拟仪器测试系统，它由VXI（VMEbusExtensionforInstrument）标准总线仪器模块与运算机的仪器硬件平台组成。

PXI系统：

它是由PxI标准总线仪器模块和运算机仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。

串口系统：

它是由Serial标准总线仪器和运算机的仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。

不管上述哪一种VI虚拟仪器系统组成一台虚拟仪器后，都是通过应用软件将仪器硬件与通用运算机进行结合，其中，PC-DAQ作为测量系统也是组成VI的最大体的方式，也是最廉价的方式[6]。

常见典型的虚拟仪器结构如图1-2所示[7]。

图1-2典型的虚拟仪器结构

2）软件结构。

虚拟仪器得软件结构由两大部份组成。

①I/O接口仪器的驱动程序。

I/O接口仪器驱动程序的要紧功能是完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。

开发虚拟仪器必需有适合的相应软件平台，目前虚拟仪器的软件开发平台有以下两大类：

传统的文本式编程语言，如VisualC++、VisualBASIC等；图形化编程语言，如LabVIEW、HPVEE等。

这些软件开发平台为用户们设计虚拟仪器提供了良好的开发环境。

②应用程序。

应用程序含两个方面：

实现虚拟面板功能的前面板软件程序；概念测试功能的流程图软件程序。

2.虚拟仪器的大体工作原理。

虚拟仪器是利用运算机和相应软件，和其硬件设备，以运算机为核心的，

利用运算机壮大图形界面和数据处置能力，成立虚拟仪器界面面板，对测量数据进行了分析和显示，称为既拥有一般仪器的大体功能，又有一样仪器所没有的特殊功能的高级低价的新型仪器[8]。

虚拟仪器的优势

与传统仪器相较，虚拟仪器在智能化程序、处置能力、性能价钱比、可操作性等方面都具有明显的特点和技术优势，具体表现为：

1.不强调物理上的实现形式

虚拟仪器能够通过软件功能来实现对数据的操纵与搜集、数据处置与分析和数据显示这三部份的物理功能。

2.在系统内实现软硬件的资源共享

虚拟仪器的最大的特点确实是将运算机的资源与仪器硬件、DSP技术相结合，在系统内部共享软硬件资源。

它快速的打破了以往的由厂家概念仪器功能的固定模式，而变成了由用户自己能够概念仪器的功能。

即便利用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，也可实现功能完全不同的测量仪器。

3.图形化软件面板

虚拟仪器没有常规仪器的操纵面板，而是利用运算机的壮大的图形环境，采纳可视化的图形化编程语言和平台，以在运算机屏幕之上成立图形化的软面板来替代传统的仪器面板。

软面板上有着与实际的仪器相类似的旋钮、开关、指示灯和其他的操纵部件。

在操作时，用户通过鼠标或着键盘操作软面板，来查验仪器的通信和操作[9]。

除上述特点外，与传统仪器相较较，虚拟仪器还拥有以下几个方面的优势：

1）虚拟仪器用户可依照自己需要灵活的来概念仪器功能，通过不同的功能模块的组合来组成多种仪器，因此可不能受限于仪器厂商提供的特定的功能。

2）虚拟仪器将所有仪器操纵信息都集中在软件模块中，可采纳多种方式显示搜集的数据和分析的结果和操纵进程。

这种关于关键部份的转移进一步的增加了虚拟仪器的灵活性。

3）虚拟仪器的关键在于软件，硬件的局限性比较小，因此与其他仪器设备连接比较容实现。

而且虚拟仪器能够方便的与网络、外设及和其他应用连接，还能够利用网络进行多用户的数据共享。

4）同时虚拟仪器可实时地和直接地对数据进行编辑，同时也可通过运算机的总线将数据传输到了存储器或打印机。

如此做一事解决了数据传输的问题，二是充分利用了运算机的存储能力，使虚拟仪器具有了几乎无穷数据记录的容量。

5）虚拟仪器利用运算机得壮大的图形用户界面（GUI），利用运算机直接读数。

依照工程实际的需要，利用人员能够通过软件编程和采纳现有的分析软件，实时和直接地对数据进行各类分析和处置。

6）虚拟仪器价钱低廉，基于软件的体系还大大节省了开发与保护费用[10]。

虚拟仪器的进展与现状

电子测量仪器进展历史

第一代模拟仪器:

这种仪器在某些实验室里还能看到，他是以电磁感应大体定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等。

第二代分立元件式仪器:

当20世纪50年代显现电子管、60年代显现晶体管时，便产生了以电子管火晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器——分立元件式仪器。

第三代数字化仪器:

20世纪70年代，随着集成电路的显现，诞生了已集成电路芯片为基础的第三代仪器——数字式仪器。

这种仪器相当普及，如数字万用表、数字频率计等。

第四代智能仪器:

随着微电子技术的进展和微处置器的普及，以微处置器为核心的第四代仪器——智能式仪表迅速普及。

这种仪器内置微处置器，能够进行自动测试和数据处置功能，适应上称为智能仪器。

其缺点是他的功能都是以硬件的形式存在，不管是开发仍是应用，都缺乏灵活性。

虚拟仪器:

目前，电子测量仪器领域显现了一种全新的仪器——虚拟仪器。

虚拟仪器与智能仪器有点类似，它是将仪器装入运算机，以通用的运算机硬件和操作系统为依托，来实现各类仪器功能。

采纳虚拟仪器技术构建的测试仪器，具有开发效率高、可保护性强、测试精度高、稳固性和靠得住性好等优势，因此具有较高的性能价钱比，便于节省投资、设备更新和功能转换与扩充[11]。

虚拟仪器的现状

第一台虚拟仪器诞生于1987年，尔后虚拟仪器的进展势头迅猛，到1994年，已有95个厂家的1000多种产品销售。

工业发达国家已经将虚拟仪器技术普遍应用于航天、讯、生物医学、地球物理、电子、机械等各个领域，进行工程技术和科学研究。

国内对虚拟仪器的研究与工程应用也取得了很多功效，在产品性能测试、设备故障诊断、生产进程操纵中取得普遍应用。

虚拟仪器关于测量仪器的深刻意义在于：

测量仪器的功能能够由用户依照需要自行设计软件来概念或扩展，而不是由厂家实现概念固定不可改变[12]。

LabVIEW的简介

LabVIEW是美国国家仪器公司（NationalInstruments，以下简称NI公司）研制的一个能够独立运行、便于开发、易于学习且具有多种仪器驱动程序和工具库的大型仪器系统开发平台。

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种图形化的编程语言，它普遍地被工业界、学术界和研究实验室所同意，被视为一个标准的数据搜集和仪器操纵软件。

LabVIEW集成了与知足各类主流协议的硬件及数据搜集卡通信的全数功能。

它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能壮大且灵活的软件，利用它能够方便地成立自己的虚拟仪器，其图形化的界面似的编程及利用进程都生动有趣[13]。

图形化的程序语言又称为“G”语言，它与C++、C、Pascal、Basic等传统编程语言有着诸多相似的地方，如相似的数据类型、数据流操纵结构、程序调试工具和层次化、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利用图形语言（即各类图标、图形符号、连线等），以框图的形式编写程序。

用LabVIEW编程无需具有太多编程体会，因为LabVIEW利用的都是测试工程师熟悉的术语和图标，如各类按钮、开关、波形图、结构图等，界面丰硕直观。

LabVIEW作为一个面向最终用户的工具，它能够增强构建科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据搜集系统的便利途径，利用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，能够大大提高工作的效率[14]。

LabVIEW是一种用图标代替文本行成立应用程序的图形化的编程语言。

与其它基于传统文本编程语言相较，LabVIEW具有如下特点：

1.通用编程系统

LabVIEW的功能并无因图形化编程而受到限制，仍然具有通用编程系统的特点。

LabVIEW有一个可完成任何编程任务的庞大的函数库。

该函数库包括数据搜集、GPIB、串口操纵、数据分析、数据显示及数据存储等。

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通进程序的结果、单步执行等，便于程序的调试。

LabVIEW的动态持续跟踪方式，能够持续、动态地观看程序中的数据及其转变情形，比其他语言的开发环境更方便、更有效。

2.直观、易学易用。

与VisualBasic、VisualC＋＋等运算机编程语言相较，图形化编程工具LabVIEW不采纳基于文本的语言产生代码行，而利用图形化编程语言G编写程序；产生的程序是框图的形式，用框图代替了传统的程序代码。

因此可在很短的时刻内被把握并应用到实践中去，专门适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和利用[15]。

3.形象传神的数据显示

示部份依照不同功能分成几个不同的方面，如教据显示、报告生成、数据库数据显示与连接。

这些控件和连接方式使仪器加倍形象，程序开发加倍直观，LabVIEW提供的一组完整的控件和工具能够方便地完成数据显示与控件联接工作。

4.模块化

LabVIEW还有一个特点是模块化，体此刻两个方面。

第一，LabVIEW中利用的大体节点和函数等确实是一个个小的模块，能够直接利用；另外，由LabVIEW编写的程序——即虚拟仪器模块（VirtualInstrument，VI），除作为独立程序运行外，还可作为另一个虚拟仪器模块的子模块（即子VI）供其他模块程序利用[16]。

本文的研究内容

大伙儿在现实生活中或多或少都见到过秒表。

可是基于LabVIEW设计的集秒表闹钟按时器和时钟于一身的多功能秒表目前尚未。

本次毕业设计利用LabVIEW设计一个运行于运算机的多功能秒表软件，软件实现计时保留读取、按时报警、时钟、闹钟报警功能、设按时刻功能和界面的不同风格等。

2秒表的简介

秒表的分类

机械秒表

机械秒表简称秒表，它分为单针和双针两种。

单针式秒表只能测量一个进程所经历的时段，双针式秒表能别离测量两个同时开始不同时终止的进程所经历的时刻。

图2-1所示的秒表是一种单针式秒表。

秒表由频率较低的机械振荡系统，锚式擒纵调速器，操纵秒针起动、制动和指针回零的操纵机构（包括按钮），发条和齿轮等机械零件组成[17]。

图2-1机械秒表

利用机械秒表测量所产生的误差可分为两种情形。

（1）短时刻的测量（几十秒内），其误差主若是按表和读数的误差；

（2）长时刻的测量（1min以上），其误差主若是秒表走动快慢与标准时刻之差。

对不同的秒表，这种误差有所不同。

因此，在进行长时刻测量前，应先用标准钟对利用的秒表进行校准[18]。

电子秒表

电子秒表的利用功能比机械秒表要多。

此刻经常使用的都是电子秒表，它是一种较先进的电子计时器，一样来讲,咱们常常见到的电子秒表一样都是利用石英振荡器的振荡频率作为时刻基准，采纳6位液晶数字显示时刻。

它不仅能显示分、秒，还能显示时、日、月及礼拜，而且有1／l00s的功能。

一样的电子秒表持续累计时刻为59min，可读到1／l00s，平均日差±。

电子秒表配有三个按钮，大体显示的计时状态为“时”、“分”、“秒”[19]。

LabVIEW实现秒表的大体思路

本次设计基于LabVIEW对秒表进行模拟仿真，通过LabVIEW中的经常使用编程控件，来实现秒表大体的计时功能。

然后通过功能扩展来实现其他功能，最后利用挪用子程序和子面板来实现功能的集合，完本钱次多功能秒表的设计。

因此本程序能实现秒表大体计时功能，还有按时报警功能，软件实现计时保留读取、按时报警、时钟、闹钟报警功能、设按时刻功能和界面的不同风格等。

LabVIEW实现秒表的大体框架

秒表最终设计界面图如图2-2所示。

图2-2秒表设计界面

本次基于LabVIEW的秒表的设计的要紧功能确实是，在该秒表启动以后，显示的是一副完整的图片，也确实是咱们那个秒表最后要完成的成效图。

在界面框中，放置了将要实现的功能[2]。

在点击开始运行后，秒表开始运行，点击“计时”后，会实现计时功能而且左侧的记录框会依照顺序记录时刻，点击“开始/暂停”后，计时会暂停或从头开始。

计时完成以后，时刻记录会保留在excel表格中方便查询和打印。

计时完成后点击“停止”那么停止计时。

除计时功能，这次秒表设计还能够实现按时报警，时钟显示，闹钟功能

第一个按钮是“按时器”。

点击该按钮后，程序将当即显示按时面板，提示操作者输入定不时刻。

点击“运行”时开始倒计时，倒计时完成以后会报警提示。

第二个按钮是“时钟”。

点击该按钮后，程序将当即进入时钟显示界面，完成时钟功能。

第三个按钮是“闹钟”。

点击该按钮后，程序将当即显示闹钟面板。

操作者能够依照需要采纳系统时刻或用户自概念时刻。

同时还能够设置闹钟唤醒时刻，抵达闹钟时刻后，会自动振铃警示。

最后,通过编程设计出秒表、按时器、时钟和闹钟四个程序VI,将它们利用子面板技术组合在一路，并对其界面排版进行设计。

秒表的设计原理

本次秒表设计主若是基于LabVIEW2020虚拟平台，利用图形语言编程，设计一个兼有时钟闹钟按时计时报警功能的多功能秒表。

设计原理是：

第一，软件系统默许的是执行秒表计时功能，操作者需要执行其他相应的功能，能够按下相应功能的按钮，这时软件对运行环境进行初始化，等待检测用户需要实现的功能，若是用户按下按时器按钮，那么按钮显示为秒表，表示现在处于按时功能，同理按下秒表按钮，那么按钮显示为按时器，表示现在处于秒表计时功能。

相应的，按下时钟、闹钟按钮，那么会相应实现时钟或闹钟功能。

每次都要对按下的按钮进行检测和分析，判定出按下的按钮；然后显示为相应功能的界面，等待操作者选择需要执行的动作，以此来实此刻每一个功能中不同的操作。

图2-3多功能秒表整体功能流程图

最后，通过子面板的设计和程序挪用，将秒表、按时器、时钟和闹钟四个程序VI,将他们组合在一路[2]。

多功能秒表整体功能流程图如图2-3所示。

本设计要紧包括四个部份：

秒表模块、按时器模块、闹钟模块、时钟模块，下面就别离着重介绍四个模块的功能。

多功能秒表设计要紧模块

秒表模块

秒表模块的要紧功能是计时读取。

点击运行后，秒表开始计时，点击“计时”按钮，左侧下拉框会显现计时点时刻的时刻，以此能够进行多次计时，并对其按计不时刻排序，最后保留在EXCEL表格中，方便操作者保留和读取。

计时完成后能够选择清除记录，如此就完成秒表的所有功能。

第一点击程序运行按钮即能够初始化程序运行环境，程序默许运行秒表,条件结构进入“真”模式，通过“1小时=60分钟=3600秒=3600000毫秒”的比例来实现计时数据间的单位转换，并将取得的数据数值在面板上部显示出来。

在计时进程中能够点击“计时”按钮来实现计不时刻的搜集，而且依照前后顺序保留在EXCEL表格中。

同时，在计时进程中能够通过“开始/暂停”按钮来实现计时进程的开始和暂停。

时刻记录程序要紧用两层while循环程序组成，最里层的的wh