常熟理工学院课程设计报告
第1章 课程设计任务书
《测控系统综合设计》设计任务书(三)
题目：基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统设计
一、设计任务
本课题要求通过直流电机的转动带动了磁钢的转动，通过霍尔元件采集磁场的变化，将直流电机的转速转换成具有周期性的矩形脉冲电压信号，送入NI ELVIS II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、理解霍尔器件测频的基本原理，通过霍尔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。要求对霍尔测频器件进行选型，对霍尔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NI ELVIS II数据采集平台的工作原理，通过NI ELVIS II数据采集平台对霍尔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霍尔测频系统软件。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
霍尔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NI ELVIS II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
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要求系统可以对霍尔测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。包括对所用NI ELVIS II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。要求系统可以对霍尔测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。 4、报表生成
报表生成功能可以实现对霍尔测频信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NI ELVIS II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；
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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霍尔测频系统硬件设计。 2、基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统软件设计。 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，霍尔器件测频的基本原理、发展与概述等，霍尔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。)；
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(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周时间，其具体安排见下表: 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
内容 设计动员，布置设计任务 查找与消化相关资料 总体方案设计 系统硬件设计 系统硬件调试 系统软件设计 系统软件调试 系统总体调试及性能分析与总结 撰写设计报告 完成设计报告并上交 答辩 时间安排 第1天上午 第1天下午，第2天 第3天 第4-5天 第6天 第7-10天 第11-12天 第13天 第14天 第15天上午 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%。
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第2章 总体设计方案
2.1虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别：
2.1.1虚拟仪器的定义及组成
虚拟仪器（Virtural Instrument, VI）的概念是由美国国家仪器公司提出来的，虚拟仪器本质上是虚拟现实一个方面的应用结果。也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大的突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。
虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机和仪器的紧密结合是目前仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器就是在通过计算机上加一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计使用的专用的传统电子仪器。
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。
虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其他接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。
一般来说, 虚拟仪器是由通用仪器硬件平台(简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成的。
（1）虚拟仪器的硬件平台
构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。
(Ⅰ) 计算机。一般为一台PC 机或工作站, 是硬件平台的核心; (Ⅱ) I/ O 接口设备。
I/ O 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模/ 数转换。不同的总线其相应的I/ O 接口硬件设备,如利用PC 机总线的数据采集卡/ 板(DAQ) 、GPIB 总线仪器、VXI 总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的I/ O 接口设备主要有5 种类型。①PC -DAQ 系统。PC - DAQ 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成
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