課程設(shè)計(jì)—連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析

1、目 錄目 錄I1.引言12.虛擬儀器開發(fā)軟件Labview入門22.1 Labview介紹22.2 利用Labview編程完成習(xí)題設(shè)計(jì)23. 利用Labview實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析的設(shè)計(jì)193.1 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析的基本原理193.2 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析的編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)193.3運(yùn)行結(jié)果及分析204.總結(jié)205.參考文獻(xiàn)201.引言虛擬儀器（virtual instrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小

2、，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。上面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。 虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)NI公司的LabVIEW。 虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在 Microsof t公司的 Windows 誕生之

3、前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計(jì)算機(jī)上推出了LabVIEW2.0 以前的版本。對(duì)虛擬儀器和 LabVIEW 2長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。目前LabVIEW 的最新版本為 LabVIEW2011，LabVIEW 2009 為多線程功能添加了更多特性，這種特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEW Real-Time 工具對(duì)嵌入式平臺(tái)開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計(jì)的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的首選。 普通的 PC 有一些不可避免的弱點(diǎn)。用它構(gòu)建的虛

4、擬儀器或計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計(jì)算機(jī)化儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向是制定了VXI 標(biāo)準(zhǔn)，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個(gè)插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的 VXI 機(jī)箱，再與計(jì)算機(jī)相連，就組成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。VXI 儀器價(jià)格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的 PXI 標(biāo)準(zhǔn)儀器。 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。Labview程序又稱為虛擬儀器（

5、Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI）。它的表現(xiàn)形式和功能類似于實(shí)際的儀器，而它同時(shí)又很容易改變?cè)O(shè)置和功能。因此，Labview特別適用于實(shí)驗(yàn)室、多品種小批量的生產(chǎn)線等需要改變儀器和設(shè)備參數(shù)和功能的場(chǎng)合，以及對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、研究、傳輸?shù)葓?chǎng)合。通過本次課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步對(duì)LABVIEW學(xué)習(xí)和應(yīng)用，從而更熟悉LABVIEW的原理和相關(guān)設(shè)計(jì)并提高了開發(fā)軟件，硬件的能力。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)基于LABVIEW的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，頻譜分析儀。從而達(dá)到對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生、測(cè)量、處理和傳輸特性的深入理解。2.虛擬儀器開發(fā)軟件Labview入門2.1 Labview介紹LabVIEW（Laboratory Virtu

6、al Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是美國(guó)NI公司（National Instrument Company）推出的一種G語(yǔ)言（Graphics Language，圖形化編程語(yǔ)言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。是一個(gè)劃時(shí)代的圖形化編程系統(tǒng)，它提供了一套全新的程序編寫方法，用于測(cè)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)采集與控制，及過程監(jiān)控等方面，可通過圖形化前面板來控制系統(tǒng)，并顯示所得結(jié)果。 在測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有最大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)。用戶可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成一套完整的從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、顯示

7、和存儲(chǔ)的自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。它被廣泛地應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。 LabVIEW不僅可以用來快速搭建小型自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)，還可以被用來開發(fā)大型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。在美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)花費(fèi)2000萬(wàn)美金的極為復(fù)雜的飛秒激光切割系統(tǒng)就是基于LabVIEW開發(fā)的。 在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)二期工程北京譜儀慢控制系統(tǒng)中，大約有30種物理量共7000多點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)采集控制和分析記錄等。2.2 利用Labview編程完成習(xí)題設(shè)計(jì)1.寫一個(gè)類正弦波發(fā)生器，要求頻率和幅度可調(diào)圖2.1習(xí)題1前面板圖圖2.2習(xí)

8、題1程序面板圖2. 新建一個(gè)VI，進(jìn)行如下練習(xí)：任意放置幾個(gè)控件在前面板，改變它們的位置、名稱、大小、顏色等等。在VI前面板和后面板之間進(jìn)行切換并排排列前面板和后面板窗口圖2.3習(xí)題2前面板圖圖2.4習(xí)題2程序面板圖3. 編寫一個(gè)VI求三個(gè)數(shù)的平均值，如右圖所示。要求對(duì)三個(gè)輸入控件等間隔并右對(duì)齊，對(duì)應(yīng)的程序框圖控件對(duì)象也要求如此對(duì)齊。添加注釋分別用普通方式和高亮方式運(yùn)行程序，體會(huì)數(shù)據(jù)流向。單步執(zhí)行一遍圖2.5習(xí)題3前面板圖圖2.6習(xí)題3程序面板圖 4. 寫一個(gè)VI判斷兩個(gè)數(shù)的大小，當(dāng)AB時(shí)，指示燈亮圖2.7習(xí)題4前面板圖圖2.8習(xí)題4程序面板圖5.寫一個(gè)VI獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，并將其轉(zhuǎn)換為字符串

9、和浮點(diǎn)數(shù)。這在實(shí)際編程中會(huì)經(jīng)常遇到圖2.9習(xí)題51前面板圖圖2.10習(xí)題5程序面板圖6. 寫一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器，當(dāng)溫度超過報(bào)警上限，而且開啟報(bào)警時(shí)，報(bào)警燈點(diǎn)亮。溫度值可以由隨即數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。圖2.11習(xí)題6前面板圖圖2.12習(xí)題6程序面板圖 7. 給定任意x, 求如下表達(dá)式的值圖2.13習(xí)題7前面板圖圖2.14習(xí)題7程序面板圖8.利用順序結(jié)構(gòu)和timing面板下的tick count VI，計(jì)算for循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為20000點(diǎn)的隨機(jī)波形所需的時(shí)間圖2.15習(xí)題8前面板圖圖2.16習(xí)題8程序面板圖9. 為習(xí)題6添加一個(gè)While循環(huán)和定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的溫度采集監(jiān)測(cè)圖2.17習(xí)題9前面板圖圖2.1

10、8習(xí)題9程序面板圖10. 計(jì)算學(xué)生三門課（語(yǔ)文，數(shù)學(xué)，英語(yǔ)）的平均分，并根據(jù)平均分劃分成績(jī)等級(jí)。要求輸出等級(jí)A,B,C,D,E。90分以上為A，8089為B，7079為C，6069為D，60分以下為E。圖2.19習(xí)題10前面板圖圖2.20習(xí)題10程序面板圖11.為習(xí)題9連續(xù)溫度采集監(jiān)測(cè)添加報(bào)警信息，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)輸出報(bào)警信息，例如“溫度超限！當(dāng)前溫度78.23”，正常情況下輸出空字符串。圖2.21習(xí)題11前面板圖圖2.22習(xí)題11程序面板圖12.將一些字符串和數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的輸出字符串，輸出的字符串是一個(gè)GPIB命令字符串，它可以用來與串口儀器進(jìn)行通信圖2.23習(xí)題12前面板圖圖2.24習(xí)題1

11、2程序面板圖13.用for循環(huán)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組，并用圖形顯示輸出的數(shù)組圖2.25習(xí)題13前面板圖圖2.26習(xí)題13程序面板圖14.利用簇模擬汽車控制，如右圖所示，控制面板可以對(duì)顯示面板中的參量進(jìn)行控制。油門控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速油門*100，檔位控制時(shí)速,時(shí)速檔位*40，油量隨VI運(yùn)行時(shí)間減少。圖2.27習(xí)題14前面板圖圖2.28習(xí)題14程序面板圖15.利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個(gè)0到5V的采樣信號(hào)，每200ms采一個(gè)點(diǎn)，利用實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線實(shí)時(shí)顯示采樣結(jié)果。圖2.29習(xí)題15前面板圖圖2.30習(xí)題15程序面板圖16. 在習(xí)題15的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號(hào)采集，此路電壓信號(hào)的范圍為5到10V圖2.31習(xí)題16前面

12、板圖圖2.32習(xí)題16程序面板圖17.利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個(gè)0到5V的采樣信號(hào)，每200ms采一個(gè)點(diǎn)，共采集50個(gè)點(diǎn)，采集完后一次性顯示在Waveform Graph上。圖2.33習(xí)題17前面板圖圖2.34習(xí)題17程序面板圖18. 在習(xí)題17的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號(hào)采集，此路電壓信號(hào)的范圍為5到10V，采樣間隔是50ms，共采100個(gè)點(diǎn)。采樣完成后，將兩路采樣信號(hào)顯示在同一個(gè)Waveform Graph中圖2.35習(xí)題18前面板圖圖2.36習(xí)題18程序面板圖3. 利用Labview實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析的設(shè)計(jì)3.1 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析的基本原理二階齊次微分方程的一般算子形式為由此可

13、解出1，2. 又由 可解出,將以上結(jié)果代入方程得3.2 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析的編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 圖3.1程序面板圖3.3運(yùn)行結(jié)果及分析圖3.2運(yùn)行結(jié)果圖4.總結(jié)為期兩周的LABVIEW課程設(shè)計(jì)，是理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐的一個(gè)過程。在這過程中，收獲很大，同時(shí)也證明了自己的知識(shí)掌握的還不夠深，今后一定會(huì)用心學(xué)習(xí)，踏踏實(shí)實(shí)地掌握好所學(xué)知識(shí)。本設(shè)計(jì)根據(jù)要求完成了函數(shù)發(fā)生器、頻譜分析儀、消噪演示儀的基本功能，并作了一些擴(kuò)充，在現(xiàn)有條件下應(yīng)該是完成了應(yīng)該達(dá)到的或可以達(dá)到的功能。當(dāng)然，本設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步豐富功能，但擴(kuò)充需要根據(jù)需求來添加。還是說說本設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的地方。首先是程序流水線式設(shè)計(jì)運(yùn)行不夠人性化，其次是沒有機(jī)會(huì)增加存儲(chǔ)功能。由于時(shí)間有限，只能留下這些遺憾了，希望以后有時(shí)間繼續(xù)完善?？傊?，在這個(gè)制作并學(xué)習(xí)的過程里，自己的收獲很大。學(xué)習(xí)了知識(shí)并且收獲