湖 南 科 技 大 学
课 程 设 计
课程设计名称： 《虚拟仪器》课程设计 学 生 姓 名： 黄 俊 学 院： 机电工程学院 专业及班级 ： 测控技术与仪器一班 学 号： 1203030120 指 导 教 师： 毛征宇 郭迎福
年 月 日
课程设计任务书
1、设计目的：
在学习和了解虚拟仪器及总线技术与LabVIEW开发平台的基本原理和方法的基础上，使学生理论与实践相结合，深入了解虚拟仪器技术及LabVIEW编程技术在工程常见领域的测量与分析的应用，提高学生将虚拟仪器、测试技术和电子、机械、通讯等多学科的综合应用能力和实际动手能力。
2、学生提交设计期限：
在本学期20xx年12月14日至20xx年12月25日完成，设计必须学生本人交指导老师评阅，指导教师将组织部分学生答辩。
3、本设计参考材料：
《LabVIEW2010基础教程》 《基于LabVIEW的虚拟仪器设计》《虚拟仪器》 《虚拟仪器技术分析与应用》 《测试技术》
4、设计题目的选定：
参考设计题目附后页，必须选二题（一般信号分析的虚拟仪器设计和工程测试实验教学虚拟仪器各一题）。
5、设计要求：
1、 查阅相关资料；
2、 提出整体系统设计方案；
3、 详细设计虚拟仪器各部分的原理、组成及具体实现过程；
4、 说明前面板控件布置、流程图（节点和图框）编辑和数据流实现方法；
5、 运行检测（仿真检测和实测检测。）
6、设计成果及处理说明书主要章节：
1.设计成果（包括说明书、前面板窗口设计和程序代码编辑及其程序软件）；
2． 设计说明书格式及主要章节：
a. 封面（参照学院规定标准）；
b. 设计任务书（包括选定设计题目与要求）；
c. 目录
d. 说明书正文；（主要章节包括：系统总体方案分析及确定；虚拟仪器设计步骤详细介绍；程序调试运行与结果分析等）
e. 设计总结及体会；
f. 参考文献
7、设计所得学分及成绩评定：
本设计单独算学分及成绩：占2个学分。
考核与评分主要分四个方面：
1． 学生平时出勤及工作态度；
2． 虚拟仪器设计正确性及前面板布置实用、美观程度；
3． 说明书、软件编写规范、调试分析结果及独立工作能力；
4． 答辩成绩。
8、设计进度与答疑：
1、 确定设计题目及查阅资料，并确定方案：12.14~12. 15日；
2、 虚拟仪器设计及编程 12.16~12.21日；
3、 运行调试检测与修改，撰写课程设计报告：12.22～12.25日；
4、 提交设计报告，学生答辩：12.26～12.28日。
学生签名： 指导老师签名：
学 号：
日 期： 日 期：
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目 录
第一章 虚拟调制解调器?????????????????4
1. 方案确定?????????????????????????4
1.1 开发平台????????????????????????4
1.2 调制解调器???????????????????????4
1.3 调制解调器的作用????????????????????4
1.4 调制解调器的工作原理??????????????????5
2. 调制解调原理???????????????????????5
2.1 调幅波的数学表达以及特性????????????????5
2.2 调幅波的解调??????????????????????6
3. 设计步骤?????????????????????????7
3.1 程序总体设计??????????????????????7
3.2 前面板设计???????????????????????8
3.3 程序设计????????????????????????8
4. 运行检验?????????????????????????9
第二章 应变测试虚拟仪器??????????????????10
1. 方案确定?????????????????????????10
2. 应变测试?????????????????????????10
2.1 应变测量的特点?????????????????????10
2.2 应变测量仪器的种类???????????????????10
2.3 应变测试原理??????????????????????11
3. 设计步骤?????????????????????????14
3.1 应变测试前面板?????????????????????14
3.2 压力测试前面板?????????????????????15
4. 程序设计?????????????????????????16
4.1 应变测试程序图?????????????????????16
4.2 程序图中主要节点????????????????????17
4.3 压力测量程序框图????????????????????17
5. 程序运行与结果分析???????????????????18
5.1 应变测试与调试结果分析?????????????????18
5.2压力测试与结果分析???????????????????18 总结???????????????????????????20 参考文献?????????????????????????20
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第一章、虚拟调制解调器
1. 方案确定
1.1 开发平台
在虚拟仪器系统中，信号的获取与采集是由计算机为核心的硬件平台来完成的。在此硬件的基础上，调用测试软件赖完成某种功能的测试任务，便可构成该种功能的虚拟测量仪器。在同一个硬件平台上，调用不同的测试软件就可以构成不同的测试软件。如对采集的数据局通过测试软件进行标定和数据点的显示就构成了一台数字示波器；如对采集的数据利用软件进行FFT变换，就构成了一台频谱分析仪??
在这里我们就使用LabVIEW,对一个发生信号和一个载波信号，通过波特沃斯低通滤波器对两个信号进行处理，以及之后使用两个示波器对两个信号进行分别的显示。
1.2 调制解调器
调制解调器，是计算机与电话线之间进行信号转换的装置，由调制器和解调器两部分组成，调制器是把计算机的数字信号调制成可在电话线上传输的声音信号的装置，在接收端，解调器再把声音信号转换成计算机能接收的数字信好。通过解调器和电话线就可以实现计算机之间的数字通信。
1.3 调制解调器的作用
调制解调器是调制器—解调器的简称。它安装在电脑和电话之间，使电脑可以通过电话线与另一台电脑进行信息交换。
电话系统的主要功能是传输声音信号。由于电话线分布很广，为电脑之间的连接提供了条件，也为人们连入互联网提供了方便。电话线路是传输声音信号的，而电脑发送的是数字信号，要使数字信号能够通过电话线路传输，必须使用解调器。调制是将数字信号与音频载波组合，产生适用于电话线上传输的音频信号（模拟信号），解调是从音频信号中恢复出数字信号。
调制解调器从电脑接收到数字信号后，将它们转换成声音信号，然后通过电话 4
系统传输出去；在接收端，另一个调制解调器将这些声音信号转换成数字信号，即进行解调，再发送给电脑。这样，通过电话线就把两台电脑连接起来了。它是为数据通信的数字信号在具有有线宽带的模拟信道上进行远距离传输而设计的，一般由基带处理、调制解调、信号放大和滤波、均衡等部分组成。
1.4 调制解调器的工作原理
调制解调器由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部分组成。数据终端设备以二进制串行信号形式提供发送的数据，经接口转换为内部逻辑电平送入发送部分，经调制电路调制成线路要求的信号向线路发送。接收部分接受来自线路的信号，经滤波、反调制、电平转换后还原成珊瑚籽信号送入数字终端设备。电话线可以使通信的双方在相距几千公里的地方相互通话，是由于每隔一定距离都设有中继放大设备，保证话音清晰。在这些设备上若再配置调制解调器，则能通电弧的地方就可以传输数据。
调制解调器一般有三种工作方式：挂机方式、通话方式、联机方式。电话线未接通是挂机方式；双方通过电话进行通话是通话方式；调制解调器已联通，进行数据传输是联机方式。
2. 调制解调原理
2.1 调幅波的数学表达式及其特性
u(t)?Emz(t)sinw0t （1-2-1） 上式中，
Emw0是常量； —高频载波角频率；
z(t)—低频还变信号，其上限角频率为Ω
w 该式就是调幅波的一般数学表达式，它反映了低频缓变信号z(t)对一高频（0）
振荡信号（sin(w0)）的控制。通常w0?(5?10)Ω。
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一般将控制高频信号的缓变信号称为调制信号，载送缓变信号的高频（荡信号w0）振sinw0t称为载波。利用信号z(t)来控制或改变高频振荡的幅值称为调制过程。如下图：
图1.1 调制原理框图
2.2 调幅波的解调
调幅波u(t)的幅值反映调制信号z(t)熟知的变化，在调制器之后加解调器，可将被测的调制信号z(t)与调幅波u(t)分离，并最后提取出来。解调器由乘法器和低通滤波器组成，其原理框图如下图所示：
rr0
图1.2 解调原理框图
解调器中的乘法器有两个输入信号，一个是待解调的调幅波u(t):
u(t)?Ez(t)?sinw0t （1-2-2）
w0相同的高频信号，考 式中，E—比例常数。 乘法器的另一个输入信号ur(t)成为参考信号，它应是与载波频率
虑到实际情况，载波信号
sinw0t会有一个相位差?，则ur(t)为： ur(t)?Ur?sin(w0??) （1-2-3）
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于是，乘法器输出y(t)为：
y(t)?Az(t)sinw0tsin(w0t??)
Az(t)[cos??cos(2w0??)]2
AA?z(t)cos??z(t)cos(2w0t??)22 （1-2-4） ?
当乘法器后接的低通滤波器的截止频率远远小于频率
率Ω时，式中的频率分量2w0，并大于信号在z（t）的最高频cos(2w0t??)项将被低通滤波器大大衰减，而只有差频信号Az(t)cos?2输出，于是解调器的输出f(t)为：
f(t)?
Acos?z(t)?kz(t)2 （1-2-5）
k?
式中，Acos?2为比例常量，可由实验标定得出。
3. 设计步骤
3.1 程序总体设计
程序整体设计分为前面板设计和程序设计，流程如下：
图1.3 程序流程图
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3.2 前面板设计
在前面设计版面添加九个输入型数字控件，供使用者输入采样频率、采样点数、高频信号频率、低频信号频率等。
添加两个输出显示型控件，两个输出显示型控件分别代表调制波和解调波。执行新式》图形》波形图操作，调入图形控件，横轴为时间，纵轴为幅值。
前面板设计如下图1.4所示：
图1.4 虚拟调制解调器前面板设计图
3.3 程序设计
在设计虚拟正弦波信号发生器的流程图基础上再增加一个正弦波发生器图标，即执行信号处理》信号生成》正弦波，就可以加入正弦波发生器图标。另外执行函数》信号处理》滤波器》Butterworth滤波器，就调入了巴特沃斯滤波器的图标。连线组成完整流程图，如下图1.5所示：
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图1.5 虚拟调制解调器程序图设计
4. 运行检验
运行程序，对程序当中设计的数据进行修改，是程序前面板上能够清楚地表达出设计
0结果。设置低频调制信号的频率为1Hz，幅值为1V，初始相位0；设置载波高频信
0号的频率为1OHz，幅值为1V，初始相位0 ；设置巴特沃斯滤波器的低截止频率为
2Hz ； 设置对调制和载波信号的采样率均为50Hz，采样点数均为200点。所得结果如下图1,6
所示：
图1.6 程序运行结果示意图
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第二章 应变测试虚拟仪器设计
1. 方案确定
为实现多个信号之间的相互切换，需要有一个发生器能产生多种波形，并能实现各个输入参数的即时改变，实现信号的同事显示，设计一个虚拟仿真信号发生器是一种很好地方法。
应变测试技术是机械工程中应用最广泛的技术一一，传统的应变测试技术已经不能够适应现代测试技术发展的需要。虚拟仪器技术以计算机我为核心，是目前测试技术的发展方向。 现参考传统的应变测试流程，设计软件系统的执行流程，从底层开发了完成基本测试与控制功能的模块：初始化参数、调平衡、滤波、应力及载荷的显示、系统的静态标定等。最后再利用测试系统进行测试。
现代计算机的虚拟仪器技术具有以下的特点：软件是核心、灵活性和可扩展性、性价比高、人机界面良好、能和其他设备进行互联。因此虚拟仪器可以取代传统的一起，在重组一起的功能和技术性能方面具有经济新和灵活性，因而比较适合当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测试测量需求。
2. 应变测试原理
2.1 应变测量的特点
应变测量是眼界机械结构和机械强度问题的一种重要手段。目前测定构建应变测量的方法主要有电阻应变测量、光测弹性力学、脆性涂层法、云纹方法等。在各种应变测量方法中，电阻应变测量法师实验应力分析中运用最广的一种方法。
2.2 应变测量仪器的种类
应变测量仪器的种类很多，分类的方法也很多，按照测量仪器的工作频率范围以及测量对象的频带，主要分为六种：静态应变仪、数字静态应变仪、静动态应变仪、动态应变仪、
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超动态应变仪、应变测量数据采集系统。
2.3 应变测试原理
应变测量时一种有效的测试和转换技术，用于多种物理量的检测与计量。在各种应变测量的方法中，电阻应变测量方法是实验应力分析中应用最广泛的的一种方法。
应变测试是研究构件应力状态的重要手段，通过应变测试还可以了解构建的变形；应变测试的方法也可以推广到与应变有密切关系的其他机械量测试中。
本次实验用的应变测试虚拟仪器硬件组成如下图：
图2.1 应变测试的虚拟仪器结构
电阻应变片将被测对象的变形转换为电阻值的变化，根据测试的具体要求可以选择不同种类的电阻应变片和不同的不知与组桥方式。本次实验用BF120-5AA型电阻银边片，平行粘贴在贴在传感器是烟台的等强度悬臂梁上距中性层距离相等的上下两面，其示意图如下图所示：
根据材料力学理论，应变值为：
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??
Pxy12Pxy?EIEbh3 （2-2-1）
式中：P——载荷（N）。
X——在合作用电到应变测量点的距离（m）。
Y——力的作用点到构建中性层的距离（m）。
910Pa）。 E——材料的弹性模量（
b——应变测量点的构件宽度（m）。
h——应变测量点的构件高度（m）。
全桥测试电路如图2.3（a）所示，图中EX是信号调理卡提供的2.5V激励电压，信号分别连接到信号调理卡0通道“CH(0)+”和“CH（0）-”输入端。
如图2.3（b）所示，半桥测试时用应变片R5和R6介入电桥相邻两臂组成应变测试电路。图中EX是信号调理卡提供的2.5V激励电压；Rc是信号调理卡提供的组桥电阻。“CH(1)+”是信号正极，接信号调理卡1通道正极；“CH（1）-”是信号负极，在信号调理卡内部引到信号调理卡1通道负极。
（a） 全桥 （b 半桥
图2.3 应变测试电路
当变形构件变形产生应变?时，应变片的电阻变化率为： ?R?K?R (2-2-2)
式中： K为应变片的灵敏度系数。
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全桥测试的电压信号为： Vsgf??RVEX?K?VEXR （2-2-3） 半桥测试的电压信号为： Vsgh??R1VEX?K?VEX2R2 (2-2-4) 实际测试时，由于构件变形前各种原因造成的电桥不平衡，使得
应变计算公式要比式2-2-3和式2-2-4复杂一些。 Vsg0?0，因此实际的
LabVIEW的转换应变计读数VI在编程》数值》缩放函数子选板中，下图所示为它的图标及参数：
图2.4 应变转换函数
图2.4 中各选项及其含义如下。
? Rg： 应变片未变形的电阻值，默认值120Ω。
? GF： 应变片灵敏度系数，默认值为2.使用时应根据应变片参数输入准确直。 ? V： 泊松比。仅在某些组桥方式时需要输入。
? Vsg: 应变测量信号电压。默认数据类型是波形，可以选择为标量数据。如果输入波形
数据，则输出的应变数据类型也是波形。
? Vex: 激励电压，默认值为3.33V。根据所用信号调理设备选择。
? Vinit： 初始电压，即开始应变测量前的信号电压。这个VI进行应变转换时总是将当
前信号电压值与初始电压值进行比较，进行相对计算。由于构件变形前各种原因造成的电桥不平衡，使得Vinit?0，所以一般情况下不应该忽略这个参数。
? Rl: 导线电阻。导线不超过2m时可以忽略导线电阻。
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? 应变值： 通常来说用“应变”这个单位太大了，一直与数据值太小，所以应该乘以10，
将它转换为微应变。
? 电桥配置—选择应变测试的电桥配置方法。
求出构件应便后，根据它的几何尺寸和材料力学公式，很容易得到它的挠曲轴表达式和挠度值。
SC-2043-SG是专门的应变信号调理卡，有8个应变信号输入通道，具有组桥、放大、低通滤波、过电压保护和2.5V电压激励等功能。应变信号经信号调理卡处理后用数据采集卡转换成数字信号，最后用计算机软件得到测试结果。
电阻应变式压力传感器安装在压力信号发生器上，压力信号发生器内部装有压力可调的液体，同时有指针式压力表便于观察对照。流体的压力作用在传感器膜片上使弹性筒变形，弹性筒上粘有4片电阻应变片并联成全桥。电桥电压的变化就反映了压力的变化，因此采用电阻应变式压力传感器进行压力测试可以参考全桥应变的实验原理。压力信号接入信号调理卡2通道；计算机软件根据采集的电信号和创去年起出厂标定数据计算得到压力值。
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3. 设计步骤
3.1 应变测试前面板
（1）执行“控件>>图形显示控件>>Express XY图”放置一个显示波形的控件， 单击右键，找到“显示项>>标签”把它的标签改为挠曲轴。
（2）执行“控件>>图形显示控件>>波形图表”在放置好的波形图表控件
上点击鼠标右键，找到将图表分格显示，
（3）连续执行“控件>>数值输入控件>>数值输入”放置两个数值输入控件分别按照前面的的该标签步骤把它的标签分别改为应变灵敏度系数、激励电压，用来
控制灵敏度和电压。
连续执行“控件>>数值显示控件>>数值显示控件”放置三个数值显示控件，并把
（4） 它们的标签改为应变值、最大 挠度 、电压值，用以显示测试所得到的的结果
（5）执行“控件>>新式>>修饰>>上凸盒”用来装饰所有控件使之美观。如图2.5所示： 14
图2.5 应变测试实验前面板
3.2 压力测试前面板：
（1） 执行“控件>>数值显示控件>>量表”放置一个表盘，并把数值显示项取出。
（2） 执行“控件>>数值输入控件>>数值输入控件”取出三个数值输入控件，并把它们的标签改为输出灵敏度、零点输出、量程，用以显示控制值。
（3） 执行“控件>>图形显示控件>>波形图表”放置在前面板，并把它的属性改为量程是5。如图2.6所示：
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图2.6 压力测试实验前面板
4. 程序设计
4.1 应变测试程序框图：
（1）执行“函数>>编程>>数组>>索引数组”放置在程序框图
（2）执行“函数>>编程>>Express>>仿真信号”放置在程序框图
（3）执行“函数>>数学>>概率与统计>>均值”放置在程序框图中
（4）执行“函数>>编程>>比较>>选择”放置两个在程序框图中
（5）执行“函数>>编程>>数学>>数值>>缩放>>转换应变计读数”放置两个在程序框图中
（6）执行“函数>>编程>>数值>>最近数取整”
（7）执行“函数>>编程>>数值>>向下取整”
（8）执行“函数>>编程>>簇、类与变体>>捆绑”
（9）按照设计思想连线即可完成设计，设计框图如图2.7所示：
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图2.7 压力测试程序框图
4.2 程序框图中主要节点有：
1、 “从动态数据转换”VI将采集的两个通道的动态数据转换为二维数组；
2、采样数据除以10（应变调理卡10倍增益），转换为原始电压值；
3、索引数组函数从采样数据中分离出全桥测量电压信号的半桥测量电压信号；
4、用“均值”VI分别取两通道100个采样数据的平均值；
5、Convert Strain Gauge Reading VI 将信号电压值转换为应变值；
6、应变转换为变形的的VI；
应变转换函数的应变片电阻参数使用默认值120?；初始电压值Vinit由“置零”按钮控制，可以随时取初始变形参考点。函数的输出为应变值，乘以10转换为微应变。
4.3 压力测量程序框图：
（1）执行“函数>>数学>>概率与统计>>均值”放置一个在程序框图中
（2）执行“函数>>编程>>数值>>取绝对值”放置一个在程序框图中
（3）执行“函数>>数值”分别拿出四则运算符号放置在程序框图中
（4）按照设计思路连线即可，程序框图如图2.8所示：6
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图2.8 压力测试程序框图
5. 程序运行与结果分析
5.1 应变测试与调试结果分析
电阻式应变片压力传感器安装在压力信号发生器上，压力信号接入信号调理可得到实验结果，如图2.9所示：
图2.9 应变测试程序运行结果
分析上图结果可知，我们在利用DAQ助手模拟输入信号的时候是比较准确地，然而，在利用仿真信号作为输入信号的时候是不能较为准确的调出想要的结果，从这一点可以看出，不是所有的结果都会尽如人意，误差总是存在的，不要忽视误差，我们在设计的时候应该考 18
虑到会发生的意外的情况，所以可以把数值稍微改大一点，避免出现很大的差距。
5.2 压力测试与结果分析
图2.10 压力测量实验结果显示
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总 结
事实证明将虚拟仪器技术引入到数学实验中是行之有效的解决方案。应用虚拟仪器技术，使我们能够在计算机上按照自己的需求赖设计实验与仪器，方便灵活而且开发周期短。它可以提高实验效率、降低实验成本、增强学生学习的积极向，取得较好的教学效果，其具有传统实验所无可比拟的优势。本文中所设计的调制解调器、应变测试以及压力测量都是通过LabVIEW环境下的各种虚拟器件以及虚拟信号发生器的显示波形实现了模电实验的仿真。 通过本次课程设计，我对虚拟以其技术有了比较深刻的印象和认识，加深了对这门课程的理解。我能够较好地对书上所学的理论知识，通过自己查资料，能更好的为自己所用。我个人认为学习一门课程，不在于你是否能够取得高分，而在于你是否能够将它灵活的运用，真正学好一门课程在于这个知识是否能在你未来的工作当中产生作用。时间才能够帮助我们探求自身的不足，实践能更好的检验理论的正确与否，。通过这次的论文使我明白了许多，做任何事情都需要我们有一颗细腻的心，外加认真的态度，不管做深，都需要我们有坚韧不拔的毅力。
参考文献：
[1]肖成勇，雷振山，魏丽.LabVIEW2010基础教程，中国铁道出版社，2012.
[2]雷振山.LabVIEW实用技术教程，中国铁道出版社，2005.
[3]彭云辉，刘冬.Vxi总线与虚拟仪器技术，电子工业出版社，2003.
[4]林月芳，吉海彦，智能仪器及其发展趋势，国防工业出版社，2003.
[5]侯国屏，王坤，叶齐鑫.LabVIEW编程与虚拟仪器设计，清华大学出版社，2005. 20