目录

实验五 热电偶测温 2

一、实验目标 2

二、硬件介绍 2

2.1测量原理 2

2.2仪表放大器 4

三、实验步骤 5

3.1 硬件电路连接 5

3.2 labview运行 6

3.3 设置冷端温度 7

3.4 观察测量 8

四、LabVIEW程序解读 8

4.1 整体框图 8

4.2 程序流程图 10

4.3初始化设置 11

4.4 While循环 12

4.5 冷端补偿程序 14

一、实验目标

1.熟悉热电偶测温原理和仪表放大器电路；

2.调用EPI提供的子vi编写测量温度程序；

3.通过万用表和示波器观测传感器输出动态变化。

二、硬件介绍

热电偶和称重实验板共用一块实验板，主要由应变片（用于测量重量）、热电偶（用于测温）、仪表放大器电路（约x1000倍）组成。

热电偶/称重电路板

2.1测量原理

当两种不同成份的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端；另一端温度为T0
，称为自由端（也称参考端）或冷端。回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。

热电偶是两根不同金属的线缆，两者之间有绝缘层包裹。线缆的A端进行焊接，B端是分开的。当A和B处于不同温度时，在B端的两根线上会产生电压差。这个电压差只跟金属的合金成分有关，跟线的粗细、长度无关。由于热电偶是接仪表放大器，仪表放大器的输入阻抗很高，热电偶线里几乎没有电流，所以热电偶线的长度产生的电阻不会影响这个电压差。热电偶线的粗细是用来控制线的机械强度。热电偶的A端可以装入多种材料的防护套内，称为铠装热电偶。

B端是接在实验板上，A端是悬空，可以用手摸等方法改变A端的温度，从而改变B端的电压差。

热电偶B端 热电偶A端

热电偶丝会配有温度电压表格，称作标准分度表，不同合金的温度电压表格不一样。需要配合对应型号的热电偶来用。下表给出实验板上K型热电偶的分度表，只选取了实验室内常见的温度。根据分度表可以方便的将测得的电压转换为温度。

冷端补偿。使用热电偶测温，一般需要冷端补偿。因为分度表给的是参考端是0度时的情况。A端是测温端，放在待测温的物品处。分开两根线的B端是冷端，在本地电路板上。由于B端一般不是0度，所以使用分度表时需要进行冷端补偿。常见方法是在B端检测温度后，根据B端的温度进行补偿。计算方法如下

1. 测试B端温度，根据温度查分度表得到电压V1.

2. 测试B端经过仪表放大器后的电压V2.

3. 本例放大倍数为1000倍，用V2反推B端的电压 V3=V2/1000

4. 冷端补偿 V= V3+V1. 用V来查分度表得到 A端的温度。

例如，实验中测试B端（冷端）温度为19度。用19度来查表得到V1=0.758mV。测试放大器输出为V2=404mV，本例中放大倍数为1000倍，因此V3=
404/1000= 0.404mV。 从而得到V= V1+V3=
1.162mV。用V来查表得到温度约为29度。这就是A点的测试温度。

2.2仪表放大器

仪表放大器使用的INA128，将RG取50欧姆，设计增益为约1000倍。称重传感器和热电偶温度传感器共用仪表放大器。用开关SW1和SW2来切换。两个开关都拨到左侧时，将热电偶线接入仪表放大器。

REF是仪表放大器的参考端，用于调节仪表放大器的输出直流电压。输出相对于REF的增益为1，例如REF上加100mV电压，则输出增加100mV电压。本实验中REF接地。

三、实验步骤

3.1 硬件电路连接

首先需要将SW1,SW2开关拨到左边进行，使放大器输入连接在热电偶输出，然后需要将REF连接到GND，再将万用表和示波器接入放大器输出。

下表列出传感器板和EPI设备连接关系（也可以使用其他连接方式）：

3.2 labview运行

Labview运行后，选择数据采集方式为“万用表”，热电偶类型选为“K”型。

3.3 设置冷端温度

测量出冷端温度，手动填写冷端温度“22.1”。

3.4 观察测量

1. 读取温度计测得当前温度。观察【温度数据】波形图，记录温度测量数据。

2.
有条件的实验室可使用多种型号热电偶，如：K型、J型、E型分别测量冰水混合物及沸水，分别测量0℃及100℃时各种型号热电偶测得的温度，并验证各种型号热电偶在这两种参考温度下的输出电压。

四、LabVIEW程序解读

程序使用 E-PI 提供的接口函数通过软件编程实现传感器控制/测量。主要使用“初始化.vi”
、“数据采集.vi” 、“采样率设置.vi” 、“采样量程设置.vi” 、“S1设置.vi”
、“万用表数据.vi”等。

程序采用事件结构，事件处理结构中，“超时”中一直进行数据采集，采集可以通过示波器和信号源来采集，当前面板设置值改变时，事件处理结构处理完事件后再回到“超时”中进行数据采集。

4.1 整体框图

图4&5
展示了本实例的运行界面和程序框图。实例运行效果需在“冷端温度”处输入当前温度。

图 4 运行界面

初始化和While循环

图5 while循环

4.2 程序流程图

程序流程图如图6所示，先进行初始化，然后一直再while循环中采集数据，将采集到的数据计算得到当前温度值。

图6 实例流程图

4.3初始化设置

程序初始化设置状态，该状态完成EPI
通信端口设置、电源开启（设置±V为±12V）、示波器通道设置（采样率，采样量程，耦合）。初始化代码如图
7 所示：

图7 初始化

（1）初始化.vi：该 VI 会自动查找 EPI
的通信端口，找到后其会设置该端口参数，返回一个端口设置结果； 当设备初始化.vi
返回“4/5/6”时才对设备进行设置，即在“4..6”分支中设置，若返回其他值表示初始化设备失败，不进行任何操作。

（2）正电压设置.vi：该 VI 用于设置对外输出正电源的电压12V，电流300mA，输出使能。

（3）负电压设置.vi：该 VI
和正电压设置VI类似，用于设置EPI的对外输出负电源的电压为-12V，电流300mA，输出使能。

（4）采样率设置.vi：该VI用于设置EPI的采样率为100kHz和采样深度5000。

（5）采样量程设置.vi：该VI用于设置EPI的AIN1采样量程为±800mV。

（6）万用表功能选择.vi：该VI用于设置万用表的功能，设置为直流电压测量。

（7）AIN耦合.vi：该VI用于设置EPI的AIN1为DC耦合。

4.4 While循环

While循环中放置事件结构，在超时事件结构中，设置“超时”事件为200ms，相当于每隔200ms空闲事件处理一次“超时”结构里面的程序。在该状态下主要进行示波器/万用表数据采集和计算温度。该状态代码如图8所示：

While循环 – 示波器采集和显示

while循环程序 – 万用表采集和显示

4.5 冷端补偿程序

冷端补偿代码如图9：

图 9

超时结构中这部分代码，用于将冷端电压带入计算进行补偿，并将采集到的电压值反推成热电偶当前两端电压值，然后通过当前电压值，计算得出当前热电偶温度值。

目录

实验六 应变片称重实验 2

一、实验目标 2

二、硬件介绍 2

2.1测量原理 2

2.2仪表放大器 3

三、实验步骤 4

3.1 硬件电路连接 4

3.2 运行校准 5

3.3 称重 6

3.4 观察测量 7

四、LabVIEW程序解读 7

4.1 整体框图 8

4.2 程序流程图 9

4.3初始化设置 9

4.4 While循环 10

4.5 计算程序 12

实验六 应变片称重实验

一、实验目标

1.熟悉应变片原理和仪表放大器电路；

2.调用EPI提供的子vi编写测量重量程序；

3.通过万用表和示波器观测传感器输出动态变化。

二、硬件介绍

应变片称重实验板和热电偶共用一块实验板，主要由应变片（用于测量重量）、热电偶（用于测温）、仪表放大器电路（约x1000倍）组成。

热电偶/称重电路板

2.1测量原理

金属箔式应变片贴在铝合金力臂上，用硅胶封闭保护。有4根引线输出。构成称重传感器。原理图如下。

图 1称重传感器原理图

金属应变片的电阻为1K，4个组成电桥，分别贴在铝合金力臂的上方和下方。力臂一端受力后，发生轻微变形，应变片的电阻就会改变，在白和绿线之间产生电压差。由于电阻变化很微小，这个电压差需要经过仪表放大器放大1000倍后才能测量。

2.2仪表放大器

仪表放大器使用的INA128，设计增益为1000倍。称重传感器和热电偶温度传感器共用仪表放大器。用开关SW1和SW2来切换。两个开关都拨到右侧时，将称重传感器接入到仪表放大器。

图2仪表放大器电路

REF测试点，是仪表放大器的参考端，用于调节仪表放大器的输出直流电压。输出相对于REF的增益为1，例如REF上加100mV电压，则输出增加100mV电压。REF上可以加正负电压。实验中，REF可用于对称重传感器清零，称重传感器上不放置砝码时，调节REF电压，使仪表放大器输出为0V。

三、实验步骤

3.1 硬件电路连接

首先需要将SW1,SW2开关拨到右边，使放大器输入连接在应变片输出，然后需要将REF连接到S1，再将万用表和示波器接入放大器输出。

应变片称重电路板连接

下表列出传感器板和EPI设备连接关系（也可以使用其他连接方式）：

3.2 运行校准

为了计算出称重台的重量和电压输出关系，需要先校准再使用。

1. 称重台不加任何物体的时候，调节S1（连接REF）输出直流电压，使OUT(放大器输出)输出电压为0。如图7-5所示设置。

   

   图5 S1设置 示波器&万用表测量数据

2. 计算斜率和常量，称重台砝码重量分别为0g和50g时，分别记录采集到的电压值，记录到方框中，然后点击“计算”按钮，就计算出斜率k和常量b。

   

   图 6 0g和50g采集电压计算斜率k和常量b

3.3 称重

完成上面步骤后，就能够直接测量物体重量。

3.4 观察测量

在砝码托盘上从小到大依次组合并放置5g、10g、15g、20g、25g、30g、35g、40g、45g、50g、55g、60g、70g、80g、90g、95g、100g砝码。

观察波形图表，分别记录不同重量砝码的输出电压，并画出X-Y关系曲线，得到重量与电压之间的关系曲线。

四、LabVIEW程序解读

程序使用 EPI 提供的接口函数通过软件编程实现传感器控制/测量。主要使用“初始化.vi”
、“数据采集.vi” 、“采样率设置.vi” 、“采样量程设置.vi” 、“S1设置.vi”
、“万用表数据.vi”等。

程序采用事件结构，事件处理结构：“超时”中进行数据采集，可以通过示波器或万用表来采集，当前面板设置值改变时，事件处理结构处理完事件后再回到“超时”中进行数据采集。

4.1 整体框图

运行界面

整体程序框图

4.2 程序流程图

程序流程图如图9所示，先进行初始化，然后一直在while循环中采集数据，将采集到的数据计算得到当前重量值，在程序运行中，可以更改斜率k和常量b的值。

图9 实例流程图

4.3初始化设置

程序初始化设置状态，该状态完成E-PI
通信端口设置、电源开启（设置±V为±12V）、示波器通道设置（采样率，采样量程，耦合），当然用户也可设置成各个参数可变。若设置成可变，后面while循环中进行调节。，初始化函数在前面已经介绍，这里不在介绍，初始化代码如图
10 所示：

图10 初始化

（1）初始化.vi：该 VI 会自动查找 EPI 的通信端口，返回一个端口设置结果；

（2）正电压设置.vi：该 VI 用于设置对外输出正电源的电压12V，电流300ma，输出使能。

（3）负电压设置.vi：该 VI
和正电压设置VI类似，用于设置EPI的对外输出负电源的电压为-12V，电流300mA，输出使能。

（4）采样率设置.vi：该VI用于设置EPI的采样率为100kHz和采样深度5000。

（5）采样量程设置.vi：该VI用于设置EPI的AIN1采样量程为±800mV。

（6）万用表功能选择.vi：该VI用于设置万用表的功能，设置为直流电压测量。

（7）AIN耦合.vi：该VI用于设置EPI的AIN1为DC耦合。

4.4 While循环

While循环中放置事件结构，在超时事件结构中，设置“超时”事件为200ms，相当于每隔200ms空闲事件处理一次“超时”结构里面的程序。在该状态下主要进行示波器/万用表数据采集和计算重量。该状态代码如图8所示：

While循环 – 示波器采集

While循环 – 万用表采集

4.5 计算程序

将采集的电压值根据公式转换成重量代码如图12：

图 12

超时结构中这部分代码，用于将采集到的电压值，通过计算得出重量值。

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实验七 槽型光耦&霍尔IC电机测速实验 2

一、实验目标 2

二、硬件介绍 2

2.1槽型光耦测量原理 2

2.2霍尔IC测量原理 3

2.3 PWM电机驱动 5

三、实验步骤 6

3.1 硬件电路连接 6

3.2 PWM设置 7

3.3 示波器设置 7

3.4 频率计算 7

3.5 观察测量 8

四、LabVIEW程序解读 8

4.1 整体框图 8

4.2 程序流程图 10

4.3初始化设置 10

4.4 While循环 11

4.5 频率计算程序 12

4.6 PWM1设置程序 14

实验七 槽型光耦&霍尔IC电机测速实验

一、实验目标

1.熟悉槽型光耦和霍尔IC原理；

2.熟悉PWM电机调速原理；

3.调用EPI提供的子vi编写PWM控制程序；

4.调用EPI提供的子vi编写频率测量程序。

二、硬件介绍

槽型光耦霍尔电机实验板主要由PWM驱动电路、直流电机、槽型光耦、霍尔组成。

2.1槽型光耦测量原理

槽型光耦是光电传感器的一种，是以光为媒体由发光体与受光体间的光路遮挡或由反射光的光亮变化为信号检测物体的位置、有无的装置。槽型光耦具有检测距离长、响应速度快、受环境强光的影响三个特点。利用该特性并结合特殊的测量装置，槽型光耦可用于测量微型直流电机的转速。

图1 槽型光耦

光电测速码盘测速法：即在微型直流电动机转轴上安装一个圆形码盘，同时将码盘置于槽型光耦的槽中，码盘可以随电机顺畅旋转，如图2所示。微型直流电动机的转动将带动光电测速码盘旋转，利用槽型光耦装置将转速信号转换为脉冲信号，进而通过计算单位时间内脉冲信号的个数获得电动机的实际转速。

图 2码盘和装置

槽型光耦测速计算：

如果示波器测量频率为f，则转速n=f*60/6

60是转速变换到分钟，6代表每转一圈透光逢出现6次，f是示波器测量频率。

2.2霍尔IC测量原理

霍尔IC又称霍尔开关，是利用霍尔效应制成的有源磁电转换器件，是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求，
霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件。

图3 霍尔IC

霍尔测速码盘测速法：即在微型直流电动机转轴上安装一个圆形码盘，同时将单个磁极置于码盘边缘处，码盘可以随电机顺畅旋转，如图4所示。微型直流电动机的转动将带动测速码盘旋转，若磁极的极性与霍尔IC匹配，码盘上的磁极与霍尔IC配合可将转速信号转换为脉冲信号，进而通过计算单位时间内脉冲信号的个数获得电机的实际转速。这一点与槽型光耦测量微型直流电机转速类似。

图 4测速码盘及装置

霍尔IC测速计算：

利用图4所示装置，微型磁铁安装在码盘上，霍尔IC位于码盘右侧，小型直流电动机开始旋转，带动安装在电机转轴的测速码盘随之旋转，同时码盘上的微型磁铁也随之旋转。当微型磁铁接近霍尔IC时，霍尔IC将感应到微型磁铁的磁场，直至磁感应强度达到并超过工作点B（BOP）时，霍尔IC发生导通，输出低电平。当微型磁极远离霍尔IC时，霍尔IC感应到的磁场强度小于工作点B（BRP）时，霍尔IC关闭，输出高电平。霍尔IC周期性往复上述输出，实现了微型直流电机的转速转换为脉冲电信号的过程，如图5所示。

图5 霍尔IC+测速码盘工作原理

如果示波器测量频率为f，则转速n=f*60。

60是转速变换到分钟，f是示波器测量频率。

2.3 PWM电机驱动

直流电机选择PWM驱动控制，可以实现快速速度变换，输入PWM选择EPI设备的PWM1驱动，PWM1端口只能输出0-5V的没有驱动能力的信号，这里使用驱动电路DRV8837将信号变为0-11V电压，电流能够达到1.8A。

图 6电机驱动

PWM输入占空比和电机速度成反比的关系，占空比越高，速度越慢。

三、实验步骤

控制不同PWM占空比，测量电机转速。

3.1 硬件电路连接

1. 首先共地，将EPI设备的GND和传感器转接板上的GND连在一起；

2. 将EPI设备的PWM1连接到槽型光耦实验板的”PWM”输入接口;

3. 槽型光耦输出连接到示波器通道AIN1（用于测量转速），测量电路连接如图7.

图7电路连接

下表列出传感器板和EPI设备连接关系：

3.2 PWM设置

输出PWM控制，设置PWM1的频率为1000Hz，输出高电平为5V，占空比设置为80%，界面设置如图。

3.3 示波器设置

使用示波器采集槽型光耦输出波形，AIN1时间轴设为10ms，采样量程设为±20v。

3.4 频率计算

示波器采集到波形，计算频率。根据光电码盘，计算出转速RPM。

3.5 观察测量

控制输出PWM的占空比，10%……90%，测量不同占空比下转速。

四、LabVIEW程序解读

4.1 整体框图

图 8
展示了本实例的运行界面和程序框图，程序中计算频率使用了FFT的方式。由于是采用FFT计算频率，示波器一屏数据采样的方波周期越多，计算的频率越准确。

图 8 运行界面 图 9 整体程序框图

4.2 程序流程图

程序流程图如图10所示，先进行初始化，然后一直在while循环中采集数据，将采集到的数据计算得到当前频率，在程序运行中，可以更改PWM波的占空比和示波器设置的值。

图10实例流程图

4.3初始化设置

程序初始化设置状态，该状态完成EPI
通信端口设置、电源开启（设置±V为±12V）、示波器通道设置（采样率，采样量程）。初始化代码如图11所示：

图11 初始化

4.4 While循环

While循环中放置事件结构，在超时事件结构中，设置“超时”事件为100ms，相当于每隔100ms空闲事件处理一次“超时”结构里面的程序。在该状态下主要进行示波器数据采集和FFT测频率和计算转速。该状态代码如图
12所示：

图 12 while中超时程序

4.5 频率计算程序

将示波器采集的周期信号计算出频率代码如图13：

图 13 FFT测频

FFT测频率这部分代码，配合采样率和采样深度，计算出真实的频率值。

计算FFT频率时，采样率是随着时间轴变化。例如：“200ms”档对应的采样率是2khz。

图 14 时间轴和采样率对照关系

注意：204/304设备采样率有些差别。

FFT频率测量是将周期信号算快速傅里叶变化，去除直流信号后，找到幅度最大的点，就对应信号的频率。再将采样率和采样点数带入进行计算，就得出真实的频率。

4.6 PWM1设置程序

用于设置PWM1的占空比，输出电压幅度（3.3v/5v），输出频率，输出使能。

（1）PWM设置.vi：用于设置PWM的频率、输出电压幅度、占空比等

在实现上，程序会一直采集数据计算转速。当改变PWM的频率时，观察电机转速变换。

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实验八 直流电机转速和PID控制 2

一、实验目标 2

二、硬件介绍 2

2.1槽型光耦测量原理 2

2.2 PWM电机驱动 3

三、实验步骤 4

3.1 硬件电路连接 4

3.2 PWM & 示波器设置 5

3.3 设定PID参数， 5

3.4 界面介绍 6

3.5 运行 7

3.6 PID控制方式 7

3.7 PID参数调节 8

四、LabVIEW程序解读 9

4.1 整体框图 9

4.2 程序流程图 11

4.3初始化设置 11

4.4 While循环 12

4.5转速测量 13

4.6 PID程序 13

实验八 直流电机转速和PID控制

一、实验目标

1.熟悉PID控制原理；

2.熟悉PWM电机调速原理；

3.调用EPI提供的子vi编写PID控制程序；

二、硬件介绍

槽型光耦霍尔电机实验板主要由PWM驱动电路（增加驱动能力，驱动电机）、直流电机、槽型光耦、霍尔组成。频率测量和槽型光耦测转速用到的电路和方法一致，本节主要时通过PID控制来实现实际转速跟踪目标转速，并改变“PID增益”观察运行效果。

2.1槽型光耦测量原理

槽型光耦是光电传感器的一种，是以光为媒体由发光体与受光体间的光路遮挡或由反射光的光亮变化为信号检测物体的位置、有无等的装置。槽型光耦具有检测距离长、响应速度快、受环境强光的影响三个特点。利用该特性并结合特殊的测量装置，槽型光耦可用于测量微型直流电机的转速。

图1 槽型光耦

光电测速码盘测速法：即在微型直流电动机转轴上安装一个圆形码盘，同时将码盘置于槽型光耦的槽中，码盘可以随电机顺畅旋转，如图2所示。微型直流电动机的转动将带动光电测速码盘旋转，利用槽型光耦装置将转速信号转换为脉冲信号，进而通过计算单位时间内脉冲信号的个数获得电动机的实际转速。

图 2码盘和装置

槽型光耦测速计算：

如果示波器测量频率为f，则转速n=f*60/6

60是转速变换到分钟，6代表每转一圈透光逢出现6次，f是示波器测量频率。

2.2 PWM电机驱动

直流电机选择PWM驱动控制，可以实现快速速度变换，输入PWM选择EPI设备的PWM1，PWM1端口只能输出0-5V的没有驱动能力的信号，需用DRV8337驱动电路将信号变为0-11V电压，电流能够达到1.8A。

图 6电机驱动

PWM输入占空比和电机速度成反比的关系，占空比越高，速度越慢。

三、实验步骤

改变PID参数，设定一个目标转速，观察实际测量出转速跟随目标转速动态变化，找出最优PID参数。

3.1 硬件电路连接

1. 首先共地，将EPI设备的GND和传感器转接板上的GND连在一起；

2. 将EPI设备的PWM1连接到槽型光耦实验板的”PWM”输入接口;

3. 槽型光耦输出连接到示波器通道AIN1（用于测量转速），测量电路连接如图7.

图7电路连接

下表列出传感器板和EPI设备连接关系：

3.2 PWM & 示波器设置

输出PWM控制，设置PWM1的频率为1000Hz，输出高电平为5V，界面设置如图。使用示波器采集槽型光耦输出波形，AIN1时间轴设为20ms，采样量程设为±20v。

PWM设置 示波器设置

3.3 设定PID参数，

设定PID参数：P设定为“30”，I设定为“0.01”，D设定为“0.002”

3.4 界面介绍

1.用户转速设定旋钮，在运行过程中可以随时更改。

2.槽型光耦输出示波器测量后计算得出电机转速。

3.PWM1占空比的值（此值只用于观察pwm变化）。

4.目标转速和实际转速实时波形图。

。

3.5 运行

点击程序运行按钮，改变目标转速，观察实际转速和运行设定值变化。

3.6 PID控制方式

修改PID参数，观察实际运行效果。

1. 当 用户设定“目标转速设定”发生变换，

2. 目标转速和实际转速不相同，PID的控制程序输出“过程变量MV”发生变化，目标转速和实际转速差别越大，过程变量值越大，计算得出PWM值变换也越大；

3. PWM变化就反应在电机转速上，转速发生变化后，示波器测量传到上位机的转速也发生变化；

4. 目标转速和实际转速比较，再产生“过程变量MV”,继续控制PWM，就一直如此循环直到目标转速和实际转速相同。

程序运行效果如图所示：

在实现上，程序会一直采集数据计算转速。然后通过PID算法计算PWM的占空比，再下发PWM值，改变电机转速，使实际转速达到目标转速，改变目标转速值，观察电机转速变换。可以改变不同的PID参数，观察转速控制效果。

3.7 PID参数调节

修改PID参数，观察实际转速变化有无过冲，和达到稳定状态时间，最终是否稳定。给出不同PID值，测量输出状态。

四、LabVIEW程序解读

程序使用 EPI 提供的接口函数通过软件编程实现传感器控制/测量。主要使用“初始化.vi”
、“数据采集.vi” 、“采样率设置.vi” 、“采样量程设置.vi” 、“PWM.vi”等。

PID算法实现使用Labview自带的PID控件VI，该多态VI的DBL数组实例可用于多环PID控制应用。

程序采用事件结构，事件处理结构中，“超时”中一直进行数据采集，采集可以通过示波器来采集，当前面板设置值改变时，事件处理结构处理完事件后再回到“超时”中进行数据采集。

4.1 整体框图

图5
展示了本实例的运行界面和程序框图，程序中计算频率使用了FFT的方式，使用了PID控制算法。“目标转速设定（RPM）”,实际转速会朝着目标转速调整，调整的参数可以通过“PID增益”来控制。

图5 运行界面

图6 整体程序框图

4.2 程序流程图

程序流程图如图7所示，先进行初始化，然后一直在while循环中采集数据，将采集到的数据计算得到当前频率，然后再通过PID算法，计算得出方波的占空比，从新下发PWM1值，在程序运行中。

图7 实例流程图

4.3初始化设置

程序初始化设置状态，该状态完成EPI
通信端口设置、电源开启（设置±V为±12V）、示波器通道设置（采样率，采样量程）。初始化函数在前面已经介绍，这里不在介绍，初始化代码如图8
所示：

图8 初始化

4.4 While循环

While循环中放置事件结构，设置“超时”事件为100ms，相当于每隔100ms空闲事件处理一次“超时”结构里面的程序。在该状态下主要进行:示波器数据采集和FFT测频率和计算转速;PID控制算法计算得出占空比值；下发新PWM1的值。该状态代码如图9所示：

程序中有频率测量是使用FFT测频方式，输出是”FFT测频”，一帧数据中，周期越多，频率越精确，所以在示波器时间轴设置上，可以设置为“50ms”。

图 9 while中超时程序

1. 数据采集.vi：该VI用于读取EPI采集到的四个通道的数据。

（2）FFT.vi：该VI用于计算频率。

4.5转速测量

测的频率转除以一圈对应6个脉冲，再乘以60，得到每分钟转速。

图 10 转速变换

4.6 PID程序

PID算法这部分调用labview自带程序实现，通过控制前面板的PID参数，输出PID调节值，再将值转换成PWM占空比变化并设置PWM1的占空比，从而达到PID控制。

图11 PID算法

PID控件描述如图12：

图 12 PID控件

将PID输出的操作变量转换成PWM的占空比变换，如图13所示。

图 13 PWM1设置

在实现上，程序会一直采集数据计算转速。当改变目标转速时，程序会根据PID参数和当前实际转速，计算出PWM占空比变化值，再将新的PWM占空比发送。观察电机转速变换。

实验过程和测量方式用户可根据自身需求进行修改。

目录

实验十一 十六通道静态数字输入输出 2

一、实验目标 2

二、硬件介绍 2

2.1数字输出 3

2.2数字输入 3

三、实验步骤 3

3.1 硬件电路连接 3

3.2 前面板界面 5

3.3 运行 6

四、LabVIEW程序解读 6

4.1 整体框图 7

4.2 程序流程图 7

4.3初始化设置 8

4.4 While循环 9

4.5 逻辑输出 10

实验十一 十六通道静态数字输入输出

一、实验目标

1.调用逻辑数字输入采集vi采集16通道， 16通道高低状态通过状态指示灯显示；

2.调用逻辑数字输出控制16个输出通道，每个通道状态可以单独控制；

二、硬件介绍

数字通道介绍：

16路独立数字输入，采样率最高达100MSPS,可用作逻辑分析仪、虚拟数码管、LED等。

16路独立数字输出，刷新率最高达100MSPS，可用作16位脉冲序列、CP、单次边沿/脉冲，电平开关等。

2.1数字输出

2.2数字输入

三、实验步骤

3.1 硬件电路连接

将DIN0..15连接到DOUT0..15，如图1.

图1 硬件连接 DIN0..15连接到DOUT0..15

下表列出EPI设备连接关系：

3.2 前面板界面

前面板左边十六个通道是输出通道，可以单独控制；右边是十六个输入通道。

图2 前面板界面

3.3 运行

运行程序后，DOUT0输出高电平，DIN0观察状态。

图3 运行状态 DO0输出 DIN0显示

四、LabVIEW程序解读

程序使用 EPI 提供的接口函数通过软件编程实现传感器控制/测量。主要使用“初始化.vi”
、“静态输出设置.vi” 、“静态输入设置.vi”等。

程序采用事件结构，事件处理结构：“超时”中进行数据采集，通过逻辑输入进行采集，当前面板输出按钮值变化时，事件处理结构处理输出数据后再回到“超时”中进行数据采集。

4.1 整体框图

图4 运行界面

图5 整体程序框图

4.2 程序流程图

程序流程图如图6所示，先进行初始化，然后一直在while循环中采集数据，将采集到的数据计算得到当前重量值，在程序运行中，可以更改斜率k和常量b的值。

图6 实例流程图

4.3初始化设置

程序初始化设置状态，该状态完成E-PI 通信端口设置、初始化代码如图 7 所示：

图7 初始化

（1）初始化.vi：该 VI 会自动查找 EPI 的通信端口，返回一个端口设置结果；

4.4 While循环

While循环中放置事件结构，在超时事件结构中，设置“超时”事件为100ms，相当于每隔100ms空闲事件处理一次“超时”结构里面的程序。在该状态下主要进行静态输入采集和显示。该状态代码如图8所示：

图8 While循环 – 逻辑输入采集

4.5 逻辑输出

当前面板输出按钮值改变后，逻辑输出代码如图9：

图 9

目录

实验十二 十六通道动态数字输入输出 2

一、实验目标 2

二、硬件介绍 2

2.1数字输出 3

2.2数字输入 3

三、实验步骤 3

3.1 硬件电路连接 3

3.2 前面板界面 5

3.3 运行 6

四、LabVIEW程序解读 6

4.1 整体框图 7

4.2 程序流程图 8

4.3初始化设置 8

4.4 逻辑输出方波 9

4.5 While循环 10

4.6 输入动态配置 10

实验十二 十六通道动态数字输入输出

一、实验目标

1.调用逻辑动态采集vi采集16通道， 16通道高低状态通过逻辑图显示；

2.调用逻辑动态输出控制16个输出通道，16通道输出1KHz方波；

二、硬件介绍

数字通道介绍：

16路独立数字输入，采样率最高达100MSPS,可用作逻辑分析仪、虚拟数码管、LED等。

16路独立数字输出，刷新率最高达100MSPS，可用作16位脉冲序列、CP、单次边沿/脉冲，电平开关等。

2.1数字输出

2.2数字输入

三、实验步骤

3.1 硬件电路连接

将DIN0..15连接到DOUT0..15，如图1.

图1 硬件连接 DIN0..15连接到DOUT0..15

下表列出EPI设备连接关系：

3.2 前面板界面

前面板显示十六个输入通道数据，数据长度位4000个点。采样率可以动态调整，。

图2 前面板界面

3.3 运行

运行程序后，DOUT0..15输出1khz方波信号，DIN0..15观察波形。

图3 运行状态 DOUT0..15输出，DIN0..15观察波形

四、LabVIEW程序解读

程序使用 EPI 提供的接口函数通过软件编程实现传感器控制/测量。主要使用“初始化.vi”
、“逻辑动态采集配置.vi” 、“逻辑动态输出.vi” 、“逻辑数据采集.vi”等。

程序采用事件结构，事件处理结构：“超时”中进行逻辑数据采集，并将数据显示在波形图。

4.1 整体框图

图4 运行界面

图5 整体程序框图

4.2 程序流程图

程序流程图如图6所示，先进行初始化，然后一直在while循环中采集数据，将采集到的数据计算得到当前重量值，在程序运行中，可以更改斜率k和常量b的值。

图6 实例流程图

4.3初始化设置

程序初始化设置状态，该状态完成E-PI
通信端口设置、逻辑输出采样率配置、初始化代码如图 7 所示：

图7 初始化

1. 初始化.vi：该 VI 会自动查找 EPI 的通信端口，返回一个端口设置结果；

2. 逻辑动态采集配置.vi：该 VI 设置EPI的逻辑采样率，通过前面板控制，无触发控制；

4.4 逻辑输出方波

初始化中还需配置逻辑动态输出1khz的方波，刷新设置为2khz，数据长度设为2，数据为“65536”和“0”.

逻辑16通道动态输出数据表对应码值。

图8 逻辑动态输出1khz方波

4.5 While循环

While循环中放置事件结构，在超时事件结构中，设置“超时”事件为200ms，相当于每隔200ms空闲事件处理一次“超时”结构里面的程序。在该状态下主要进行逻辑输入采集和显示。该状态代码如图9所示：

图9 While循环 – 逻辑输入采集

4.6 输入动态配置

逻辑输入动态采样率配置，采用事件结构，代码如图10：

图 10

用户可以自己修改逻辑输出刷新率和数据数据，观察波形变化。

目录

实验九 光敏电阻和摆锤测试 2

一.实验目标 2

二.硬件介绍 2

2.1摆锤工作原理 2

2.2硬件电路 3

2.3控制方式 3

三、实验步骤 4

3.1 硬件电路连接 4

3.2示波器测量 5

3.3硬件控制线圈信号 5

3.4软件控制线圈方式 6

实验九 光敏电阻和摆锤测试

一.实验目标

1.熟悉光敏电阻特性；

2.熟悉光敏检测电路、微分电路、比较器电路、驱动电路；

3.了解控制摆锤基本原理，为后面实验编写vi程序做准备；

二.硬件介绍

传感器和模电综合实验板主要由摆锤电路（摆锤+永磁体+光敏检测）、微分电路、比较器电路、线圈驱动电路组成。实现摆动可以持续进行下去。

2.1摆锤工作原理

一个单摆，在没有外力和外部能量输入下，会逐渐减小摆幅，直到停止摆动。因为摆动会受到空气阻力，连接处的摩擦力，消耗摆的动能。要使单摆能长久摆动，就要给予外力抵消这些损耗。简单的方法就是在每个周期推它一下，像荡秋千一样。单摆每个周期必然经过B，摆幅小也会经过。在单摆远离B的时候，向C方向推它一下。返回时，远离B时向A方向推它一下。这样单摆就可以长久运动下去。

模电摆锤实验板使用电磁力，在B点推一下永磁体摆锤，使摆动持续稳定进行下去。实验板的原理图如板上的丝印所示。线圈的中心是光敏电阻。光敏电阻输出接uA741微分器，微分器输出接比较器，最后比较器控制三极管恒流源带动线圈产生磁场。

电路的信号路径为：每当永磁体摆锤经过B点时，会遮光一次，光敏电阻输出一个鼓包波形。然后这个鼓包波形经过uA741的微分电路，将鼓包的上升和下降转换为正脉冲和负脉冲。脉冲接比较器，比较器只将正脉冲转化为方波，然后推动三极管恒流源。三极管带动线圈产生磁力推动永磁体摆锤。这样就实现了每当远离B点时推动一下摆锤。摆动可以持续进行下去。

2.2硬件电路

硬件电路如图所示：

图1 硬件原理图

图2 硬件实物图

2.3控制方式

1. 当摆锤经过光敏电阻上方时，光敏电阻检测到光照发生变化；

2. 摆锤靠近和远离时光敏电阻阻值变化方向不相同。靠近光敏电阻值由小变大，远离光敏电阻值由大变小；

3. 当摆锤远离光敏电阻时，需要线圈产生一个推力推动摆锤，当摆锤靠近光敏电阻时，不需要这个推力，所有需要微分电路分辨出摆锤是靠近还是远离光敏电阻；

4. 通过迟滞比较器输出脉冲，控制驱动电路来驱动线圈，线圈产生磁场，进而驱动摆锤；

三、实验步骤

轻推一下摆锤，启动摆动过程。然后打开硬木课堂平台的示波器，测试4个点的波形。

3.1 硬件电路连接

测试使用到4路示波器同时测试。连接关系如图所示

图3 电路连接

下表列出传感器板和EPI设备连接关系：

3.2示波器测量

摆锤开始摆动后，用示波器观察测试点波形如图。

图4 上位机观测

3.3硬件控制线圈信号

从示波器界面如图5可以看出，示波器通道1黄线是光敏电阻输出端，通道4绿色线是驱动线圈的方波。方波的高电平只在光耦的下降沿才驱动。

图5 驱动信号和光敏输出关系

3.4软件控制线圈方式

如果要想达到硬件电路的效果，要进行实时控制，需要采集和输出每一帧的数据时间很短，常规的示波器输入波形和信号源输出时间间隔比较长，不能做到实时采集输出，需要从新编写底层子vi，这里提供“数据流模块”文件夹，供实时采集输出使用。

在使用“数据流模块”，子vi和前面实验使用的子vi不同，使用时，设备会占用硬件所有资源，需要关闭工程前面打开的工程，否则波形会出错。具体的程序实现放在“数据流模块—关闭工程，单独运行”文件夹里。

一、实验目标

1.调用子vi实现双通道示波器功能；

2.调用子vi实现S1信号源功能；

2.调用子vi实现万用表功能；

2.调用子vi实现电源控制功能；

二、实验步骤

前面板实现界面如图所示，实现了双通道示波器功能，信号源S1功能，万用表功能，电源控制功能；

前面板界面

在程序面板实现使用到的子vi和配置如下：

1. 在程序面板中，放置“设备初始化.vi”，用于初始化VISA控件，和EPI设备进行连接。

2.
设备初始化完成后，设置默认的仪器参数，主要包括“S1设置”，“采样率设置.vi”，“采样量程设置.vi”，“触发设置.vi”，“AIN耦合.vi”。

3. 示波器采集和波形显示，包括“数据采集.vi”，还包括频率计算和平均值计算。

4.
万用表数据采集，万用表数据是经过处理的，后面有单位，需要根据万用表档位进行处理数据，下图就为万用表数据处理，处理后显示值就为真实的值。

5.
信号源S1输出设置，S1可以输出正弦波，三角波，方波等波形，还可以改变频率，幅度等信息，这部分采用事件结构处理，使用“S1设置.vi”,“S1方波.vi”等。

6.
电源设置，包括正电源电压电流设置，负电源电压电流设置，固定电源电压设置，这部分也采用事件结构，主要使用“正电源设置.vi”,“负电源设置.vi”
,“固定电压设置.vi”等。

7.示波器采样率和档位设置，采用事件结构。

8. 运行程序界面如图。

使用步骤：

1. 安装易派驱动：详见易派驱动安装.rar（win10系统不用安装）

2. 例程VI采用的是Labview2017
   32位中文版设计，需电脑预装labview2017或者更高版本的才能使用。

3. 安装labview2017 软件。

如何使用labview的帮助文档：
程序面板中使用labview的实时帮助，当把鼠标放置在子vi控件上，会自动显示vi信息。

在程序面板打开实时帮助：帮助->显示及时帮助；或者快捷键“Ctr+H”；

如上图是打开帮助后。

部分VI说明见下：

模拟：

设备初始化

运行结果：返回不同的值表示连接到不同的设备。

错误输入（无错误）：表明节点运行前发生的错误。该输入将提供标准错误输入功能。

错误输出：包含错误信息。该输出将提供标准错误输出功能。

采样量程设置

采集通道：指定设置示波器的采样通道。

量程选择：是设置该通道输入信号的采样量程。

错误输入（无错误）：表明节点运行前发生的错误。该输入将提供标准错误输入功能。

错误输出：包含错误信息。该输出将提供标准错误输出功能。

运行结果：返回运行状态信息。

注：勿短时间内多次频繁配置采样量程设计。

采样率设置

采集率：指定设置PI的采样率。

采样深度：指定采样的深度。

错误输入（无错误）：表明节点运行前发生的错误。该输入将提供标准错误输入功能。

错误输出：包含错误信息。该输出将提供标准错误输出功能。

运行结果：返回运行状态信息。

S1设置

波形：指定信号源S1的输出波形。

峰峰值：信号源输出波形峰峰值。

频率：输出波形频率。

直流：输出波形频率直流。

错误输入（无错误）：表明节点运行前发生的错误。该输入将提供标准错误输入功能。

错误输出：包含错误信息。该输出将提供标准错误输出功能。

运行结果：返回运行状态信息。

数据采集

采样深度：示波器采样深度，和 采样率设置中要相同。

AIN1：示波器通道1的数据，输出数据单位是V。

AIN2：示波器通道2的数据，输出数据单位是V。

AIN3：示波器通道3的数据，输出数据单位是V。

AIN4：示波器通道4的数据，输出数据单位是V。

错误输入（无错误）：表明节点运行前发生的错误。该输入将提供标准错误输入功能。

错误输出：包含错误信息。该输出将提供标准错误输出功能。

运行结果：返回运行状态信息。

例子

模拟部分演示示例

硬件连接：

信号源S1与示波器AIN1 相连；

软件步骤：

1. 寻找 EPI，并返回串口号；

2. 配置信号源S1：正弦波、频率 5kHz、500mVpp、0V 偏置；

3. 配置数据采集率：采样率 1MHz、采样点数 5000；

4. 配置通道 1 采样数据量程：-800mV～800mV；

5. 开始循环采集数据，返回通道 1 采集数据；

注：由于串口通讯的缘故，所有操作都是串行操作，无法达到并行配置

一、实验设计目标

（1）编写程序，使用FPGA驱动ADDA开发板上的ADC工作。

二、实验设计思路

本实验设计使用FPGA驱动10位并行AD芯片工作，将正弦模拟信号转化为数字信号，并由FPGA内部逻辑分析仪观察得到的数字信号的波形。与实验二类似，AD实验的关键在于编写AD芯片的驱动程序和正确接收AD采集器输出的并行数字信号。

本次使用的是并行AD是TI的THS1030。THS1030是10位并行AD转换芯片，工作频率最高30MHz，拥有10个数据输出引脚（AD_DATA[9:0]），一个时钟输入引脚(AD_CLK)，和模拟信号输入。（ADDA板也可以选择MS9280版本，和THS1030性能相同，管脚兼容）

图3.1是该芯片的工作时序图。

图5.1 AD芯片工作时序图

可以看出，THS1030的工作比较简单，时钟输入后，数据经过流水线延时后即输出。我们只需要在驱动时钟的上升沿去读取ADC的输出数据就可以了。

对于所使用的ADDA开发板上的THS1030应用电路:

设定的输入范围为±2V，对应ADC的满量程输入为0-2V，因此输入电压Vin与输出码值Code之间的关系为：

Vin = 2 * Code * 2mV - 2V； 式（3.5）

三、功能模块图与输入输出引脚说明

在理解了上述AD采集过程及转换规律后，设计AD采样系统如图5.3所示，AD接收模块用于驱动AD芯片完成上述采集过程。AD转换得到的数字信号送给Chip Watcher观察，验证电压公式，并送给R-2R DAC转换为模拟信号。R-2R DA电路参考电压与THS1030不同，所以产生的波形幅度会有所不同。

图5.3 HSAD采样系统示意图

（1）CLK：50MHz的基准时钟信号输入。

（2）RSTn：系统复位输入信号，低电平有效。

（3）AD_Data：AD数据输入信号。与AD芯片的DATA OUT引脚相连。

（4）AD_Clk：FPGA内部分频产生的时钟信号，输出给ADC的时钟输入引脚。

（5）DA_Data：DA的数字信号输入，因为DA只有8位，故取AD_Data的高8位送给DA_Data。

四、程序设计

图5.5是截取自底层模块HSAD的部分代码：

图5.5 HSAD代码

16-33：将输入50MHz时钟分频到500KHz驱动ADC采样时钟

36：将ADC采集到的数值的高8位输出给板载R-2R DAC

五、FPGA管脚配置

以下是Anlogic FPGA的IO Constraint，CLK信号与开发板上的50MHz的晶振相连；RSTn信号接SW0；DA_A[7:0]分别送到R-2R电阻网络中。

set_pin_assignment { AD_Clk } { LOCATION = R5; IOSTANDARD = LVCMOS33; SLEWRATE = FAST; }

set_pin_assignment { AD_Data[0] } { LOCATION = N5; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { AD_Data[1] } { LOCATION = T12; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { AD_Data[2] } { LOCATION = R12; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { AD_Data[3] } { LOCATION = T9; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { AD_Data[4] } { LOCATION = R9; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { AD_Data[5] } { LOCATION = T7; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { AD_Data[6] } { LOCATION = T8; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { AD_Data[7] } { LOCATION = T5; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { AD_Data[8] } { LOCATION = T6; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { AD_Data[9] } { LOCATION = T4; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { CLK } { LOCATION = R7; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { RSTn } { LOCATION = A9; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { DA_Data[0] } { LOCATION = B14; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { DA_Data[1] } { LOCATION = B15; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { DA_Data[2] } { LOCATION = B16; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { DA_Data[3] } { LOCATION = C15; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { DA_Data[4] } { LOCATION = C16; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { DA_Data[5] } { LOCATION = E13; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { DA_Data[6] } { LOCATION = E16; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

set_pin_assignment { DA_Data[7] } { LOCATION = F16; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

六、实验结果

在验证实验时，ADDA开发板、EG4开发板和口袋仪器三者需要“共地”，使用口袋仪器的“信号源HSS或S1”向AD芯片送入正弦信号，板载R-2R DAC输出接口袋仪器的模拟输入端AIN1，口袋仪器的GND接ADDA开发板上的GND。

（1）图3.8是使用口袋仪器EPI-204系列产生的正弦信号的波形及参数说明。

图3.8 AD转换前的正弦信号

AD的数据传到R-2R DA模块上，给口袋仪器显示。。

图3.9 R-2R DAC输出的波形

（2）图3.10是使用Chip Watcher观察到的经AD转换后的数据。通过式3.5换算，输入信号正好是±500mV的正弦波（可通过最大值633，最小值373换算）。

图**3.**10 Chip Watcher数据观察