虚拟仪器基础实验课程教学大纲(2014)

虚拟仪器实验指导书东北大学信息学院自动化仪表所编写人：杨钢前言实验是教学活动中必不可少的一个环节，尤其对于理工类的学科，如物理、化学、机电等实践性要求较强的学科，实验教学环节对学生掌握该课程有着重要影响。

学生只有通过足够的验证性实验和综合性实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，获得一定的实验创新能力，并初步具有处理实际问题的能力。

因此，充实实验内容，增加创新、综合性实验项目，进一步加强实验室建设，不断改革实验教学是十分必要的。

近年来，基于虚拟仪器技术的实验室建设方案克服了开设综合性实验所需仪器过多、价值昂贵、体积大、互换性不佳等缺点，充分利用计算机技术，达到用户根据自身需要，设计自己的多种仪器系统，满足综合性实验要求。

通过例证，在实际运用中，取得了良好的教学效果，在国内外高校都得到了广泛的应用。

虚拟仪器实验系统组成虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。

本实验教程中的虚拟仪器实验主要包括三大部分：1. nextpad教学软件平台；2. next_ 教学硬件平台；3. 实验课程nextpad教学软件平台nextpad是北京泛华恒兴科技有限公司开发的程教育创新平台，助力于各类学科的教学、实验与创新。

借助NI LabVIEW的图形化开发、界面技术与硬件的无缝连接，nextpad实现了―用最形象、互动与创新的方式‖进行工程教育。

nextpad内置nextmarket，提供上百种应用程序，其内容包括演示、实验再现、创意教学。

其范围涵盖物理学、模拟电路、数字电路、电工电子、信号处理、通信、图像处理、车辆工程、船舶工程、计算机、自动化、机械等多门学科。

在本实验系统中，nextpad作为软件平台，用于实验教学中。

下图为nextpad的操作界面。

图1. Nextpad操作界面Nextboard教学硬件平台nextboard是泛华专门为理工科院校师生设计的用于工程教学的实验平台。

平台基于先进的虚拟仪器技术，配合泛华及第三方自主开发的实验模块，可以完成传感器、电工、模拟电路、数字电路、通信原理、基础物理、控制原理等实验。

学生更可自己动手在平台上搭建电路或自行设计实验及模块，在教与学之外，培养了动手和创新能力。

图2. 通用工程教学实验平台nextboardNextboard平台提供nextsense、nextwire、nextcontrol、nextIoT系列模块，分别是针对传感器、虚拟仪器及测试测量的实验模块，针对电工电子、电路原理及模电数电的实验模块，针对自动控制的实验模块，针对物联网教学的产品。

本实验教程中使用到的实验模块主要为nextsense传感器模块。

实验课程本课程分为软件实验部分和硬件实验部分：实验一至实验二为软件实验部分，主要学习图形化编程软件LabVIEW的原理及编程方法，按照实验内容和要求进行操作，循序渐进地掌握VI程序及子程序的创建和调用、编辑和调试，各种结构、图表、图形和数组的使用，以及字符串和文件I/O的操作，熟悉LabVIEW的各种函数以及菜单、选项的作用和功能；实验三至实验四为硬件实验部分，主要掌握信号采集的基本原理及编程方式。

目录实验一VI程序的创建与结构控制 (6)实验二、数据的记录和回放 (19)实验三温度预警系统 (30)实验四基于声卡的数据采集系统 (44)实验一VI程序的创建与结构控制一、实验目的：1. 创建一个VI程序，以便以后作为子VI程序使用。

2. 应用本课程所学到的结构、移位寄存器、图表、数组以及波形图（表）知识编写一个温度测试虚拟仪器程序。

二、实验设备1.安装有LabVIEW的电脑；2. 软件代替DAQ数据采集卡。

使用Demo read voltage子程序来仿真电压测量，然后把所测得的电压值转换成摄氏或华氏温度读数。

三、实验原理：1.子VI是层次化和模块化VI的关键组件，它能使VI易于调试和维护。

子VI可以从VI中创建，或从选定的内容中创建（选择现有的VI组件并将其放入子VI中）。

2.在任意一个VI程序的框图窗口里，都可以把其他的VI程序作为子程序调用，只要被调用VI程序定义了图标和联接器端口即可。

用户使用功能模板的Select a VI来完成。

当使用该功能时，将弹出一个对话框，用户可以输入文件名。

四、实验内容及步骤：1. 创建一个VI程序模拟温度测量。

假设传感器输出电压与温度成正比。

例如，当温度为70°F时，传感器输出电压为0.7V。

本程序也可以用摄氏温度来代替华氏温度显示。

本程序用软件代替了DAQ数据采集卡。

使用Demo Read Voltage子程序来仿真电压测量，然后把所测得的电压值转换成摄氏或华氏温度读数。

最后创建图标Temp，创建连接器端口，并将文件命名为Thermometer.vi。

前面板：图1.1 实验内容1前面板(1).用File菜单的New选项打开一个新的前面板窗口。

(2).把温度计指示部件放入前面板窗口。

a.在前面板窗口的空白处点击鼠标键，然后从弹出的Numeric子模板中选择Thermometer。

b.在高亮的文本框中输入―温度计‖，再点击鼠标键按钮。

(3).重新设定温度计的标尺范围为0.0到100.0。

使用标签工具A，双击温度计标尺的10.0，输入100.0，再点击鼠标键或者工具栏中的V按钮。

(4).在前面板窗口中放入竖直开关控制。

a.在面板窗口的空白处点击鼠标键，然后弹出的Boolean子模板中选择Vertical Switch,在文本框中输入―温度值单位‖，再点击鼠标键或者工具栏中的V按钮。

b.使用标签工具A，在开关的―条件真‖（true）位置旁边输入自由标签―摄氏‖，,再在―条件假‖（false）位置旁边输入自由标签―华氏‖。

框图程序：图1.2实验内容1框图程序(1). 从Windows菜单下选择Show Diagram功能打开框图程序窗口。

(2). 点击框图程序窗口的空白处，弹出功能模板，从弹出的菜单中选择所需的对象。

本程序用到下面的对象：Demo Read Voltage VI程序（Tutorial子模板）。

在本例中，该程序模拟从DAQ卡的0通道读取电压值。

Multiply（乘法）功能（Numeric子模板）。

在本例中，将读取电压值乘以100.00，以获得华氏温度。

Subtract（减法）功能（Numeric子模板）。

在本例中，从华氏温度中减去32.0，以转换成摄氏温度。

Divide（除法）功能（Numeric子模板）。

在本例中，把相减的结果除以1.8以转换成摄氏温度。

Select（选择）功能（Comparison子模板）。

取决于温标选择开关的值。

该功能输出华氏温度（当选择开关为false）或者摄氏温度（选择开关为True）数值。

数值常数。

用连线工具，点击你希望连接一个数值常数的对象，并选择CreateConstant功能。

若要修改常数值，用标签工具双点数值，再写入新的数值。

字符串常量。

用连线工具，点击你希望连接字符串常量的对象，再选择CreateConstant功能。

要输入字符串，用标签工具双击字符串，再输入新的字符串。

(3). 使用移位工具（Positioning tool），把图标移至图示的位置，再用连线工具连接起来。

Demo Read Voltage VI子程序模拟从数据采集卡的0通道读取电压，我们的程序再将读数乘以100.0转换成华氏温度读数，或者再把华氏温度转换成摄氏温度。

(4). 选择前面板窗口，使之变成当前窗口，并运行VI程序。

点击连续运行按钮，便程序运行于连续运行模式。

(5). 再点击连续运行按钮，关闭连续运行模式。

(6). 创建图标Temp：此图标可以将现程序作为子程序在其他程序中调用。

创建方法如下：a.在面板窗口的右上角的图标框中点击鼠标，从弹出菜单中选择Edit Icon功能。

b.双点选择工具，并按下Delete键，消除缺省的图标图案。

c.用画图工具画出温度计的图标。

使用文本工具写入文字，双击文本工具把字体换成Small Font。

当图标创建完成后，点击OK以关闭图标编辑。

生成的图标在面板窗口的右上角。

(7). 创建联接器端口：a.点击右上角的图标面板，从弹出菜单中选择Show Connector功能。

LabVIEW将会根据控制和显示的数量选择一种联接器端口模式。

在本例中，只有两个端口，一个是竖直开关，另一个是温度指示。

b.把联接器端口定义给开关和温度指示。

c.使用连线工具，在左边的联接器端口框内按鼠标键，则端口将会变黑。

再点击开关控制件，一个闪烁的虚线框将包围住该开关。

d.现在再点击右边的联接器端口框，使它变黑。

再点击温度指示部件，一个闪烁的虚线框将包围住温度指示部件，这即表示着右边的联接器端口对应温度指示部件的数据输入。

e.如果再点击空白外，则虚线框将消失，而前面所选择的联接器端口将变暗，表示你已经将对象部件定义到各个联接器端口。

以后我们会讲到如何使用SubVI From Selection功能来创建子程序SubVI。

(8).用文件菜单的SA VE功能保存上述文件，并将文件命名为Thermometer.Vi。

现在，该程序已经编制完成了。

它可以在其他程序中作为子程序来调用，在其它程序的框图窗口里，该温度计程序用前面创建的图标来表示。

联接器端口的输入端用于选择温度单位，输出端用于输出温度值。

(9). 关闭该程序2. 创建一个VI程序，进行温度测量，并把结果在波形图表上显示。

该VI程序使用我们前面创建的温度计程序(Thermometer.vi)作为子程序。

前面板：图1.3 实验内容2前面板(1). 打开一个新的前面板窗口，在里面放一个竖直开关（在Boolean逻辑部件子模板），给该开关标注为―Enable‖。

你可以用该开关来开始/停止数据采集。

(2). 在前面板内再放置一个趋势图（Graph子模板中的Waveform Chart），标注为―温度历史趋势‖。

该图表将实时地显示温度值。

(3). 由于趋势图将它的图标注解plot自动地标注为―plot 0‖，你可以用标注工具将其重新标注为―Temp‖。

(4). 因为趋势图用于显示室内温度,需要对它的标尺进行重新定标。

将Y轴的―10‖改为―90‖，而将―0.0‖改为―20‖。

(5). 此时暂时不要创建模式转换开关，我们将尝试从框图程序窗口创建前面板的部件。