1、装订线长 春 大 学 基于ELVIS交通信号灯设计目 录第1章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 主要研究内容与实施方案1第2章 ELVIS的概述32.1 ELVIS的简介32.1.1 12款集成仪器42.1.2 NI ELVIS 的基础72.2 NI ELVIS 硬件结构及其工作原理72.2.1 NI ELVIS原型实验板72.2.2 ELVIS平台工作站82.2.3 NI ELVIS 硬件的组装以及DAQ硬件92.2.4 NI ELVIS 硬件测试112.2.5 配置NI ELVIS软件112.3 ELVIS应用与发展122.3.1 NI ELVIS的USB接
2、口122.3.2 ELVIS平台在高校教学中的创新应用122.3.3 ELVIS实验平台的发展14第3章 LabVIEW 软件的使用及交通信号灯的设计及仿真153.1 LabVIEW简介153.1.1 LabVIEW的特点与优势153.1.2 labview的开发环境163.2 LabVIEW中交通信号灯的设计及仿真173.2.1交通灯介绍173.2.2 交通信号灯原理173.2.3虚拟交通信号灯的仿真17第4章 交通信号灯在ELVIS硬件的实现244.1 基于ELVIS交通信号灯硬件设计方案244.2 ELVIS硬件LED连线244.3 LED显示情况24结 论28致 谢29参考文献30II
3、第1章 绪论1.1 研究的目的和意义NI ELVIS是将DAQ（数据采集）硬件和LabVIEW软件组合成的一个虚拟仪器教学实验装置，包括硬件和软件两部分，其硬件包括可运行LabVIEW的计算机、DAQ设备、68针电缆、平台工作站和原版实验板；软件包括LabVIEW开发环境、NI-DAQ、SFP仪器和可针对ELVIS硬件进行程序设计的一系列LabVIEW API。平台工作站和DAQ设备一起建立了一个完整的实验系统，工作站控制面板提供了旋钮调节的函数发生器、可调电源和SFP仪器(示波器和数字万用表)的BNC和香蕉型接口。数据采集卡用于实现电路中的实测信号和LabVIEW程序产生信号的传递。原型实验
4、板连接在平台工作站上，为用户提供一个组建电路的平台。NI ELVIS软件可在SFP仪器间传送平台工作站上信号。NI ELVIS拥有12种精密仪器，这些仪器基于NI LabVIEW图形化系统设计软件，具有USB即插即用功能，并且允许进行快速简单的测量采集与显示。本设计利用了NI ELVIS实现了在LabVIEW实验中虚拟仪器的仿真功能。研究城市交通信号系统具有一定的学术价值和实用价值，适应未来城市的交通的发展。1.2 国内外研究现状在国内，NI ELVIS平台集成有常用实验仪器该平台集成有波形发生器、示波器、数字万用表、可变电源等，同时NI ELVIS可根据课程需要开发和购买不同功能的实验板建立
5、通信、自动控制、物理等不同学科的实验室。实验实现原理简单NI ELVIS平台具备数据采集功能，可直接把模拟信号输入计算机。在国外，美国国家仪器仪表有限公司（National Instruments，简称NI）近日发布最新NI ELVIS II设计与原型平台，作为一款简单、集成的系统，它可以将理论与实际应用相联系，这对于实验室和院校教学来说是理想的选择。新款NI ELVIS 系列集成了一款板载100MS/s示波器，并配备一系列的新款附加板卡，拓展了仪器和电路应用。利用已广泛应用于全球工业和研究院校中NI LabVIEW图形化系统，设计虚拟仪器技术动手学习课程更为方便。NI ELVIS开放式的配置
6、性能，为众多高级课题项目提供了一个高性价比的、可拓展的教学和原型平台。1.3 主要研究内容与实施方案（1）硬件设计：首先，在NI ELVIS面包板上双向十字路口的位置上分别安装两组红色、黄色、绿色的LED。然后，将6个LED的阳极按对应关系分别接到原形板上的数字I/O插槽，每个LED都由8位并行端口中的一个二进制位进行控制，再将LED的阴极通过电阻接到数字地。利用NI ELVISmx Digital Writer数字输出程序模拟十字路口LED灯亮情况并找出各周期对应的8位二进制代码。（2）软件设计：首先，利用“Measurement&Automation”（简称Max）软件进行设备接口和物理通
7、道的设置。在Max的设备和接口中找出本例所用的数据采集卡，并完成相关设置；在数据邻居中新建物理通道，选择M1-DAQmx任务-Genetrate Signals-Digital Output-Line Output，在Line Output列表中选择相应通道。然后利用LabVIEW软件编写应用程序。程序框图设计采用while、循环结构，For循环结构和条件结构，之后选择“NI ELVISmx Digital Write”函数，通过输入控件来实现红绿灯时间设置和调整利用NI ELVIS 实验平台，对交通灯实验平台进行仿真，调试，并将结果显示在LabVIEW的界面上,如图1-1所示：图 1-1 设
8、计实施方案 共30 页 第 29 页第2章 ELVIS的概述本章将介绍NI ELVIS自带的12款集成仪器，这12款集成的虚拟仪器可以进行在ELVIS平台上实际电路的参数测量和相关之路的波形分析等，如进行波形的功率谱，时域和频域的分心等等，此外，还将介绍如何进行NI ELVIS的测试和NI ELVIS如何和12款仪器链接起来的，这是本章的重点，还将要简单的介绍下ELVIS的应用领域。2.1 ELVIS的简介2003年，美国国家仪器公司提出一种全新的设计、测试及教学电路方法。首次使用户可以从运行于计算机上的标准测试仪器完整套装中受益，并能将这些仪器与设计于小型测试站，即美国国家仪器公司教学实验室
9、虚拟仪器套装(NI ELVIS)上的电路直接连接。它尺寸小、灵活性高的特点使其成为模拟、数字电路课程的热门选择，可与许多固定仪器相连接，成为课堂中有效的演示平台。NI ELVIS II与全新驱动软件NI ELVISmx配合使用更佳。它具有更轻的重量、更好的控制布局、更多的接口、集成数据采集设备、及高速USB连接性。也就是说，如果用户的多台计算机上均装有NI ELVISmx软件，就可以在用户的办公室电脑、家庭电脑、教室中的笔记本，甚至朋友的电脑上使用NI ELVIS II。NI教学实验室虚拟仪器套件（NI ELVIS）是动手设计与原型设计平台，它集成了最常用的12个仪器包括示波器、数字万用表、函
10、数发生器、波特图分析仪等等，将它们集成在适合于硬件实验室或课堂的使用中。100 MS/s的示波器选项可以用于NI ELVIS II+中。 基于NI LabVIEW图形化系统设计软件，带有USB即插即用功能的NI ELVIS提供了虚拟仪器的灵活性，并且允许进行快速简单的测量采集与显示。该硬件平台适用于一年级直至四年级的课程，帮助教师教授不同的课程概念，包括测量与仪器、模拟与数字电路、控制与机电一体化、电信与嵌入式理论等。NI ELVIS是NI电子学教育平台的集成配件，它将NI ELVIS的原理图与SPICE仿真环境结合在一起。学生可以将在教科书中学习的概念应用到LabVIEW中，从而通过对电路行
11、为和交互式电路建模进行学习。他们在LabVIEW环境中可以使用NI ELVIS仪器，通过鼠标点击，将仿真与实际测量结果进行比较，不仅如此，在LabVIEW和LabVIEW SignalExpress中还能够完成更为复杂的分析。教育工作者可以使用NI教学实验室虚拟仪器套件系统（NI ELVIS），来进行电路设计、仪器、控制、电信和嵌入式/单片机课程的理论中的教学。最新推出的NI ELVIS II+现在具有100MS/s的示波器，使得诸如对更用来开发高频率的元器件的分析、描述电路的特点、分析上升时间等测试都会变得从未如此前所未有的轻松。使用NI-ELVIS驱动程序，学生们可以通过NI-ELVISm
12、x仪器启动器访问12种仪器套件。这些虚拟仪器带有软面板，能够提供交互式的接口对仪器进行配置。 NI ELVIS虚拟仪器是开源的，可以在LabVIEW中进行定制。在安装驱动程序之后，学生们可以使用LabVIEW Express VI和LabVIEW Signal Express的步骤对设备进行编程。这为各个仪器提供了通过鼠标点击进行配置的功能，因此他们能够在LabVIEW中对采集到的数据完成自定义以及更为复杂的分析。熟悉DAQmx API的用户可以使用NI-DAQmx在NI ELVIS上对通用模拟输入、模拟输出和定时功能进行编程。图2-1为ELVIS实验平台的总体结构，主要由ELVIS实验台和原
13、型设计面板两部分构成，如图2-1所示： 图 2-1 ELVIS仪器套件的组成2.1.1 12款集成仪器NI ELVIS包括12款最常用的仪器组合，在一个平台中包括了示波器、数字万用表、函数发生器、可调数字电源、动态信号分析器、波特分析器、2线/3线电流-电压分析器、任意波形发生器、数字读写及阻抗分析器。示波器是电子测试中最基础也是最重要的仪器。可分为模拟示波器和数字示波器。模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上，屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来,如图2-2所示：图 2-2 示波器数字多用表就是在
14、电气测量中要用到的电子仪器。它可以有很多特殊功能，但主要功能就是对电压、电阻和电流进行测量，如图2-3所示：图 2-3 数字多用表ELVIS II工作台侧面有三个万用表用Banana插孔，这是带隔离的专用万用表，其中测电压、电阻、二极管和通断测量连到V和COM;测电流连到A和COM，测电容和电感，则需连接到原型板上的阻抗分析端DUT+和DUT-。上述连接方法可参考DMM Launcher的提示， 原型板上有多种电阻、电容、电感等器件搭建的电路，方便演示数字万用表的基本功能；阻抗分析仪通过改变频率可以清楚地看到电路的阻抗变化，实部和虚部与频率的关系。也可以利用频率的改变来大体测量RLC串联电路的
15、谐振频率，即当复合阻抗的虚部接近零时所对应的频率，如图2-4所示：图2-4阻抗分析仪函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制；如图2-5所示：图2-5函数发生器波特分析器的作用是在研究放大电路的频率响应时，由于信号的频率范围很宽（从几赫到几百兆赫以上），放大电路的放大倍数也很大（可达百万倍），为压缩坐标，扩大视野，在画频率特性曲线时，频率坐标采用对数刻度，而幅值（以dB为单位）或相角采用线性刻度。在这种半对数坐标中画出的幅频特性和相频曲线称为对数频率特性或波特图，如图2-
16、6所示：图2-6波特分析器这是12种仪器其中一些大家较为熟知的功能，除此之外，其余各种仪器有其对应的功能。这种紧凑但功能强大的仪器可以为实验室节省成本，包括减小实验室空间及降低维护成本。此外，NI ELVIS仪器均由LabVIEW图形化系统设计语言设计，教学时可以对器件进行自定义以满足特殊需求。若想打开这12种集成仪器，只需安装ELVIS的驱动，NI ELVISmax即可，然后启用程序，选择相关的仪器，再对这些仪器进行相关的配置。2.1.2 NI ELVIS 的基础NI ELVIS 的基础是行业领先的图形化系统设计环境NI LabVIEW。LabVIEW采用图形化模块和数据流的方法编程，允许用
17、户自定制并进行灵活的测量。举例来说，NI ELVIS 可以在LabVIEW环境内被调用，因为他们都是开源的虚拟仪器。教学者可以利用这一点创建自定义仪器，还能通过LabVIEW强大的编程功能来对整个系统进行原理设计、原型开发和最终发布。2.2 NI ELVIS 硬件结构及其工作原理2.2.1 NI ELVIS原型实验板 NI ELVIS原型实验板又称原型设计面板，连接在平台工作站上，为用户提供了一个组建电路的平台利用NI ELVIS平台工作站可以交替使用多块原型实验板。如图2-7 ELVIS原型实验板所示：图 2-7 NI ELVIS 原型实验板2.2.2 ELVIS平台工作站 （1）系统电源灯
18、LED（System Power）：指示是否已给NI ELVIS供电； （2）原型实验板电源开关（Prototyping Board Power）：控制原型实验板的电源通断；（3）通信开关（Commun Ications）：禁用NI ELVIS软件控制请求。这种设置下可以直接访问DAQ设备的DIO线。（4）可调电源控制（Variable Power Supplies）：可以通过平台工作站上的硬件（手动模式）或NI ELVIS或NI ELVIS-Variable Power Supplies SFP（软件模式）中的控制来控制可调电源。当可调电源处于手动模式时，用户只能使用以下部分说明的控制方式，
19、 电源“”控制 手动开关：控制负极性电源是处于手动还是软件控制模式； 电压调节旋钮：控制负电源的输出。负电源的输出范围是-120V。 电源“+”控制 手动开关：控制正极性电源是处于手动还是软件控制模式； 电压调节旋钮：控制正电源的输出。负电源的输出范围是0+12V。（5）函数发生器控制（Function Generator）：可以通过平台工作站上的硬件控制（手动模式）或NI ELVIS-FGEN SFP上的控制（软件模式）来控制函数发生器。当函数发生器处于手动模式时，只能使用在以下说明的控制方式： 手动开关（MANUAL）：控制函数发生器是处于手动还是软件控制模式； 函数选择器：选择产生哪一种
20、波形。NI ELVIS可以生成正弦波、方波或三角波； 幅值旋钮（Coarse Requency）：调节所产生的波形振幅； 频率粗调旋钮（Amplitude）：设定函数发生器所能产生的频率范围； 频率微调旋钮（Frequency）：调节函数发生器的输出频率。（6）DMM连接器（DMM）：如果把不同信号同时连到原型实验板上的DMM端子和控制面板上的DMM连接器上，就会造成短路，可能损坏原型实验板上的电路。 电流香蕉型插孔（Current）： HI：测量除了电压、还有电流、电阻时的正输入； LO：测量除了电压、还有电流、电阻时的负输入； 电压香蕉型插孔（Voltage）： HI：测量电压的正输入；
21、LO：测量电压的负输入。（7）示波器（Scope）连接器：如果把不同信号同时连到原型实验板上的示波器端子和控制面板上的示波器连接器上，就会造成短路，可能损坏原型实验板上的电路。 CH A BNC连接器：示波器的通道A的输入端；CH B BNC连接器：示波器的通道B的输入端； 触发器BNC连接器（Trigger）：示波器的触发器的输入端。2.2.3 NI ELVIS 硬件的组装以及DAQ硬件按照下面的步骤进行ELVIS的硬件组装。（1）首先，在进行ELVIS连线之前，确保ELVIS工作平台上的电源开关是关闭的，以确保在断电的情况下，进行导线的连接。（2）用USB连接线把计算机和ELVIS工作台链
22、接起来。（3）把ELVIS工作台上的电源插口，用适配器连上，并把适配器的另一端插入到插排上，以实现对ELVIS工作台的供电。（4）把工作台原型版上的电源开关打开，3个DC/AC的LED指示灯将会点亮。ELVIS的工作平台的界面如下图所示： 图 2-8 ELVIS的工作平台NI ELVIS可与National Instruments E/M系列的DAQ设备结合使用，这些DAQ设备内含性能较好的多功能模拟、数字和定时I/O单元，可以和PCI总线或PXI总线计算机相连DAQ设备支持的功能包括AI，AO，DIO和定时I/O（DIO）。 为了使用NI ELVIS，连接到NI ELVIS硬件上的计算机中的
23、DAQ设备必须满足以下最低要求： （1）16个AI通道，最低采样率200kS/s；（2）2个AO通道； （3）8个DIO线； （4）2个计数器/定时器；使用适当的电缆时，NI ELVIS也支持64个AI通道的DAQ设备，NI ELVIS不支持只有DIO的设备或使用USB的NI DAQPad-602E。旁路模式下使用DAQ硬件时，NI ELVIS通过DAQ设备的8条DIO总线与计算机通信，通信开关控制I/O（DIO）到NI ELVIS的路由。正常操作时，开关处于正常模式，DIO总线连到NI ELVIS硬件上，允许使用软件对其进行控制。当通信开关设置为旁路模式时，开关旁边的LED灯点亮。 NI E
24、LVIS允许旁路模式通信VI（Enable Communications Bypass VI）在开关置于旁路模式时生效，在用户拨动开关并运行VI后，DIO总线连到原型实验板上的DI总线上。 当处于旁路模式时，通过手动控制，硬件函数发生器和可调电源仍然可用，计数器/定时器、AI、AO和DAQ设备也可用；当通信开关处于旁路模式时，NI ELVIS SFP仪器会通知用户；当通信开关拨到旁路模式时，不可用的SFP控制将变灰。2.2.4 NI ELVIS 硬件测试NI ELVISmx软件在ELVIS前面板上包括一系列的软件仪器，这些仪器不仅能够在ELVISmx中表示LabVIEW中的相关程序，也能把EL
25、VISmx中的相关仪器融入到LabVIEW这一仿真软件当中。为了测试NI ELVIS硬件参数进行合适的配置，按照下列步骤完成测试。（1）在工作台的左面有FGEN和SCOPE CH0接口，用BNC连接线连接起来。（2）在原型版上用导线把FGEN连接到AI0+上，AIGND连接到AI0-上。（3）在程序栏启动NI ELVISmx Instrument Launcher来启动NI ELVISmx。（4）选择（FGEN）信号发生器。（5）点击RUN按钮开始发生信号，在NI ELVISmx仪器的面板上选择Scope，点击运行按钮，运行示波器，我们会看到示波器上显示的是一个100Hz的正弦波。（6）在信号
26、发生器(FGEN)上的仪表盘上，把信号的路径从FGEN BNC调整为Prototyping Board。在示波器上的仪表盘上把Source上的CH0改为AI0，我们在示波器上会看到一个100Hz的正弦波，ELVIS硬件设备测试结束。2.2.5 配置NI ELVIS软件 用户在使用NI ELVIS之前，必须通过选择连到NI ELVIS平台工作站的DAQ设备来配置NI ELVIS软件。配置NI ELVIS软件，需完成以下步骤： （1）确保DAQ设备安装恰当，平台工作站电源打开，DAQ-MAX中已经配置好DAQ设备号。（2）选择StartProgramsNational InstrumentsNI
27、ELVIS2.0NI ELVIS，打开NI ELVIS仪器启动器。 （3）Configure（单击配置）按钮打开硬件配置对话框。注意：如果有错误产生，那么仅有Configure按钮可用。 （4）从DAQ设备控制中选择连到NI ELVIS硬件上的DAQ设备，如果在计算机内只检测到一台DAQ设备，那么就默认选择该设备。 （5）单击窗口通信部分中的Check（检查）按钮来检验与NI ELVIS平台工作站的通信。 （6）如果配置操作成功，状态窗口中会出现一条信息，指示NI ELVIS平台工作站是否已经正常找到与配置；如果尝试失败，会出现一条错误信息，状态窗口中的这条消息会指示“配置尝试已失败”。（7）
28、如果计算机通过选定的DAQ设备初始化NI ELVIS硬件，那么NI ELVIS配置好后，用户就可以开始使用NI ELVIS了；如果配置尝试失败，按错误对话框中给出的建议操作或返回DAQ设备的控制并选择另外一台设备。 2.3 ELVIS应用与发展2.3.1 NI ELVIS的USB接口带USB接口的NIELVIS是基于LabVIEW图形化开发环境，集成了理论仿真与低成本、动手上机的设计原型平台构成。带USB接口的NIELVIS平台，主要包含三部分。(1)USB数据采集卡NIELVIS全新的USB即插即用连接性简化了实验室的搭建和维护。使用者利用个人电脑即可对其应用进行测试和原型设计，并通过USB
29、M系列数据采集设备来完成数据采集任务。(2)工作台和面包板用户可自定义工作台，其控制面板有示波器、数字万用表、可变电源等基本仪器，通过连接器可将其显示在ELVIS软面板。原型实验面包板与工作台相连，可在此上搭建电子电路，允许实验中连接输入输出信号，特别适合教学实验和电路设计及测试。在原型面包板上给出了ELVIS所有的信号终端，它们分列在电路面包板两旁，并通过电缆连接至USB数据采集卡。(3)安装在计算机上的软面板仪器计算机平台安装有虚拟仪器软件开发丁具LabVIEW，ELVIS加载了在LabVIEW中创建的仪器及仪器的源代码。每一种仪器都配备有用于点击式配置的ExpressVI，可通过修改La
30、bVIEW代码修改功能。这些软面板仪器都是实验中典型的和必需的通用电子仪器及虚拟仪器，主要包括示波器、函数发生器、数字万用表、任意的波形发生器等。 2.3.2 ELVIS平台在高校教学中的创新应用最新的NIELVIS(简称ELVIS)教学设计和建模平台是基于LabVIEW图形化系统设计软件用于电路设计概念、仪器、控制、电信和MCU等的理论和实践教学，对传统教学有相当的创新性。(1)电子教学应用ELVIS是电子教学平台的重要组件，它包含有Multisim及LabVIEW，可利用理论联系实践的方式辅助电路设计等概念课程的教学。师生可通过Multisim软件对电路设计的理论概念进行仿真，采用ELVI
31、S对真实电路建模，最后通过LabVIEW及IJabVIEWSignalExpress来比较仿真与测量结果。(2)远程教育应用ELVIS及LabVIEW已成功地用于远程教育平台的设立。LabVIEW中的远程面板能让教育者在线生成虚拟仪器，并通过因特网提供给世界各地的学生，使其轻松地在远程教学中获取概念，演示试验。(3) 集成仪器应用NIELVIS的12款最常用仪器组合。该集成仪器具有功能强大的仪器库，能为实验室节省空间和降低成本。此外，ELVIS仪器均由LabVIEW设计，教学时可快速地重新定义器件，以满足各种特殊需要。(4) 控制设计概念的教学应用Quanser是学术界控制设计培训系统的领导者
32、，ELVIS特有由Quanser创建的插件板，能够用于控制设计概念的教学。Quanser为ELVIS提供了QNET直流马达、QNET温度训练系统及QNET倒立摆等最新的插件板。有了这些虚拟仪器和课程，教师就能采用ELVIS及Ouanser进行控制设计的基础教学，可以通过真实的试验来教授诸如PID、根轨迹等控制概念。(5) 电信概念的教学应用EmonaInstruments公司的DATEx电信训练仪是一款ELVIS插件模块。在DATEx中，学生可以用跳线连接电路功能模块，从而创建现实的通信系统硬件。DATEx软件包括超过20种用于实现基本电路功能的电路模块，可以与ELVISI0连接。学生还可在L
33、abVIEW及ELVIS平台上输出信号和测量结果，从而了解电路系统特征。DATEx套装包含预制教程，让学生通过亲手实践的方式学习模拟、数字通信概念包括AM，FM，DSB，SSB，PAM，PCM，TDM，ASK，FSK，QPSK，QAM及噪声生成等。(6) MCU嵌入式教学应用教师能够利用ELVIS内的FreescaleMCU插件板来进行MCU系统设计及测试教学。插件板包括HCS08系列MCU，HCSl2HCSl2xDSP，Coldfire处理器及RF收发器等。套件还包括FreescaleCodewarrior软件，用于MCU编程。由于插件板适用于ELVIS，教师可通过12款集成仪器测试诸如工作
34、电压等参数，并测量各个变量，从而体验行业中完整的设计、建模及部署流程。4ELVIS平台在高校教学中的应用前景。由于ELVIS是一个基于LabVIEW的设备，它能提供完整的数据采集与原型设计功能。因此无论是基础教育课程，还是专业性强的高级课程，都能成为将虚拟仪器融于高校教育中的理想选择，不仅可以帮助学生轻松地自制电路与接口，而且因为使用了可拆卸的原型实验面板，可让学生根据需要设计自己的检测系统、电子电路、信号调理及小型的电子机械设备控制等。由于ELVIS平台集合了12种不同的集成仪器，所以在降低实验室设备成本的同时，还可帮助学生在上机操作过程中巩固理论知识，不仅能完成绝大多数弱电方面的实验，在强
35、电实验的弱电方面也能起到一定的作用。在ELVIS平台上完成实验，能使学生全面了解整个实验过程，而且可根据学生的兴趣创造性地添加更多新的功能，灵活应用所学的知识。目前，NI公司提供的套件包括测量、电路、MCU概念等。高校教师可根据课程要求，选择最适合的套件，实现对ELVIS的定制。由此可见，ELVIS平台以其强大的功能必将广泛用于高校的教学领域。2.3.3 ELVIS实验平台的发展随着全球产业信息化，计算机技术的重要性日益凸显，逐渐成为了现代化技术的主导者与风向标。在计算机技术不断革新与发展的带动下，各行各业的技术也随之受到影响，加快了更新的步伐。基于计算机技术的虚拟仪器系统技术自其惊鸿出世以来
36、，便以其不可抗拒之力在测控领域掀起了一场革新的风暴。这场虚拟仪器技术的风暴已经成功席卷欧美，在欧美的测控行业虚拟仪器技术日趋成熟，大规模取代传统仪器，占据了行业主导地位。与此同时这场让人耳目一新的风暴并未就此止步，它带着其全新概念与技术正向亚洲袭来，给传统的教学与科学研究带来了翻天覆地的变化。NI ELVIS 设计与原型平台，作为一款简单、集成的系统，它可以将理论与实际应用相联系，这对于实验室和院校教学来说是理想的选择。第3章 LabVIEW 软件的使用及交通信号灯的设计及仿真3.1 LabVIEW简介虚拟仪器（Virtual Instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是
37、目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的 LabVIEW。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument E
38、ngineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块。LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图
39、代码。3.1.1 LabVIEW的特点与优势LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执
40、行等等，便于程序的调试。虚拟仪器（Virtual Instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。 虚拟仪器的主要特点有：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处
41、理功能，可以创造出功能更强的仪器。 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该
42、公司成为业界公认的权威。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW8.6，LabVIEW 8.6为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEW Real-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器，用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功
43、能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据，它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户经简单培训即可迅速掌握操作规程。3.1.2 LabVIEW的开发环境虚拟仪器系统的开发语言有：标准C、Visual C+、Visual Basic等通用程序开发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的，除
44、了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，需要花费大量时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：NI公司的LABVIEW和LabWindows/CVI。LABVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标
45、准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和
46、数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。3.2 LabVIEW中交通信号灯的设计及仿真3.2.1交通灯介绍交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。近年来，在快速城市化进程和经济发展的影响下，城市交通迅速增长，交通问题成为困扰许多大城市发展的通病，已成为日趋严峻的国际性问题。其中，十字路口则是造成交通堵塞的主要”瓶颈”。世界发达国家都在积极探索如何最大限度地发挥道路通行能力，尽量减少交通堵塞造成的各种损失。我们设计了基于labview的智能交通灯控制系统，该系统可实现3种颜色灯的交替点亮，通过信息提示指挥车辆和行人安全通行，并能实时监测交通灯工作状态。该系统不仅编程简单、灵活、具有较高的可靠性，而且成本低、具有良好的经济效益。 3.2.2 交通信号灯原理一个十字路口有东西、南北两条干道，每条干道有一组红、黄、绿指示灯，用来指挥车辆和行人交通安全。 双向交通灯的基本工作周期是 60 秒，其中 25 秒是绿灯，接下来 5 秒是黄灯，再接下来 30 秒是红灯，存在3个定时周期 T1=25 秒、T2=5 秒、T3=30秒。3.2.3虚拟交
