基于LABVIEW的簡易計(jì)算器設(shè)計(jì)18頁

1、第1章 緒論1.1 虛擬儀器簡介虛擬儀器（virtualinstrument）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，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

2、。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語言是國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Microsoft公司的Windows誕生之前，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LabVIEW2長期、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，LabVIEW2009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，

3、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、LabVIEWReal-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PXI標(biāo)準(zhǔn)儀

4、器。1.2 LabVIEW簡介LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，也是開發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇。LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大數(shù)庫。LabVI

5、EW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）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言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)

6、儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。 第2章 總體設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思想創(chuàng)建3個(gè)字符串顯示控件num1，num2，num3，其中：1、第一個(gè)輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在num1中2、第二個(gè)輸入數(shù)據(jù)存入num2中 3、將其賦給num3，并使num2為空，以便輸入的數(shù)據(jù)存入num24、所有的運(yùn)算是在num1和num3間進(jìn)行 5、運(yùn)算結(jié)果都賦給result，同時(shí)賦給num1，用于下一次的

7、運(yùn)算.創(chuàng)建4個(gè)布爾開關(guān)按鈕change，change1，change2，change3，其中：1、 Change的真假用來判斷是第一個(gè)數(shù)據(jù)還是第二個(gè)數(shù)據(jù) 2、 change1的功能是在輸入=，運(yùn)算完后，不需要初始化即可進(jìn)行下一次運(yùn)算3、 change2用來去掉數(shù)據(jù)小數(shù)末尾的0 4、change3用來保證backspace鍵僅輸入對(duì)的數(shù)據(jù)有效，對(duì)運(yùn)算結(jié)果無效.創(chuàng)建2個(gè)數(shù)值顯示控件type1，type2，并分別在其后面板的屬性數(shù)據(jù)類型表示法中選擇U8其中： 1、 type1用來存儲(chǔ)運(yùn)算符號(hào)2、type2用來保證連續(xù)“+、-、*、/”的正確性3、所有的運(yùn)算結(jié)果都賦給result4、result經(jīng)過去

8、零處理后得到result1，將數(shù)據(jù)顯示在前面板上。2.2 設(shè)計(jì)框圖根據(jù)計(jì)算器的運(yùn)算規(guī)則，得到本次課程設(shè)計(jì)的程序框圖，如圖2-1：進(jìn)行連續(xù)運(yùn)算顯示運(yùn)行結(jié)果輸入第二個(gè)數(shù)儲(chǔ)存并顯示輸入運(yùn)算類型并儲(chǔ)存輸入第一個(gè)數(shù)儲(chǔ)存并顯示圖2-1 程序框圖第3章 具體實(shí)現(xiàn)過程3.1 程序流程圖本次設(shè)計(jì)中定義了三個(gè)變量number1 number2、以及number3，首次按下的數(shù)據(jù)存入第一個(gè)number1中，并顯示，接著進(jìn)行運(yùn)算符號(hào)的鍵入，最后輸入第二個(gè)變量存入number2中，最后運(yùn)算并顯示在結(jié)果result中。具體流程圖設(shè)計(jì)如圖3-1：開始輸入第一個(gè)數(shù)輸入運(yùn)算符號(hào)YES輸入第二個(gè)數(shù)按“C”NO按“=”輸出結(jié)果結(jié)束

9、圖3-1 程序流程圖3.2 基本設(shè)置3.2.1 前面板的設(shè)計(jì)和鍵入感應(yīng)前面板是LabVIEW的圖形用戶界面，在LabVIEW環(huán)境中可以對(duì)這些對(duì)象的外觀和屬性進(jìn)行設(shè)計(jì)，LabVIEW提供了非常豐富的界面對(duì)象，可以方便地設(shè)計(jì)出生動(dòng)、直觀、操作方便的用戶界面。本系統(tǒng)中前面板顯示程序的輸入和輸出對(duì)象，即，控件和顯示器。本程序中控件主要是按鈕，顯示器主要是文本顯示。在前面板設(shè)計(jì)過程中先在前面板整齊排列放置22個(gè)確定按鈕，將這22按鈕的標(biāo)簽隱藏，然后修改這22個(gè)確定按鈕的名字分別為：09十個(gè)數(shù)字、小數(shù)點(diǎn)、正負(fù)號(hào)、加、減、乘、除、等號(hào)、倒數(shù)、根號(hào)、清零、退格和X的Y次方。前面板還包括一個(gè)文本顯示控件用于顯示

10、計(jì)算的結(jié)果和計(jì)算器的某些提示，通過改變顯示控件的大小使之于計(jì)算器的大小相適應(yīng)。計(jì)算器的前面板還有程序框圖中while循環(huán)的停止按鈕，當(dāng)按鈕按下時(shí)計(jì)算器停止工作退出到LabVIEW的編輯界面。為了前面板的美觀和防止按鈕的移動(dòng)，分別將前面板的各個(gè)按鈕和文字進(jìn)行組合和對(duì)前面板進(jìn)行裝飾，裝飾采用修飾中的平面框。具體方式如下：首先建立一個(gè)簇，然后在簇中建立23個(gè)布爾量，其中包括0-9十個(gè)數(shù)字鍵， 1個(gè)小數(shù)點(diǎn)鍵，4個(gè)“+、-、*、/”運(yùn)算鍵，1個(gè)等號(hào)鍵，1個(gè)開方鍵，1個(gè)符號(hào)轉(zhuǎn)換鍵，1 個(gè)倒數(shù)鍵，1個(gè)求百分?jǐn)?shù)鍵，1個(gè)清零鍵，1個(gè)退格鍵，1個(gè)退出鍵。如圖3-2所示：圖3-2 前面板圖然后通過簇至數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)將

11、簇中元素按產(chǎn)生的順序組成一個(gè)一維數(shù)組，如圖3-3所示： 圖3-3 鍵入感應(yīng)過程圖這樣就實(shí)現(xiàn)了每個(gè)鍵與數(shù)字(1-23)之間的對(duì)應(yīng)。每次按下一個(gè)鍵時(shí)，通過搜索一維數(shù)組函數(shù)查找出對(duì)應(yīng)的鍵并把其加1后對(duì)應(yīng)的數(shù)字連接到一個(gè)case結(jié)構(gòu)，然后執(zhí)行對(duì)應(yīng)case結(jié)構(gòu)中的程序，至此就完成了對(duì)一個(gè)鍵的感應(yīng)過程。3.2.2 運(yùn)算量的初始變化在運(yùn)行程序之前，首先對(duì)需要用到的變量進(jìn)行初始化，如圖3-5所示： 圖3-5 運(yùn)算量的初始化圖在沒有鍵按下的情況下，數(shù)值顯示控件顯示的是0。從上到下的寄存器功能依次為：最上面的用來存儲(chǔ)display中的數(shù)據(jù)，第二個(gè)用來存放四則運(yùn)算的符號(hào)，第三個(gè)用來前一次運(yùn)算后輸出的數(shù)值，最底下的用

12、來給出控制變量。3.3 操作設(shè)置3.3.1 數(shù)字的輸入由于第一個(gè)輸入和第二個(gè)輸入所存放的地方不同（第一個(gè)存于num1，第二個(gè)存于num2mun3再清空num2），所以有必要對(duì)此分開處理。創(chuàng)建2分支（真、假）的case結(jié)構(gòu)。用change控制分支的選擇：在處創(chuàng)建局部變量并轉(zhuǎn)換為讀入。由于數(shù)字的鍵入是數(shù)據(jù)輸入，change3用來保證backspace鍵僅對(duì)輸入的數(shù)據(jù)有效，故應(yīng)設(shè)置。分支結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：由于初始化中布爾量改變?cè)O(shè)置都為“F”，則若change為假，表示數(shù)字為第一個(gè)輸入，將得到的數(shù)據(jù)送給result1經(jīng)處理后由result顯示，同時(shí)送入num1用于即將的運(yùn)算?？紤]到計(jì)算的連續(xù)性，即：當(dāng)前一次

13、計(jì)算結(jié)束后，不需要再次清零即可進(jìn)行下一次的運(yùn)算，還需用到change1。由于上一次運(yùn)算結(jié)束后，所得到的結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)多零現(xiàn)象，所以又必要設(shè)置change2狀態(tài)。具體的設(shè)計(jì)如圖3-6，圖3-7：圖3-6 Change為假時(shí)的圖Change為真時(shí)，表示數(shù)據(jù)的第二次輸入，具體設(shè)計(jì)如下：圖3-7 Change為真時(shí)的圖3.3.2 數(shù)字0的輸入當(dāng)?shù)谝淮屋斎?時(shí)，與輸入數(shù)字1-9的情況相同，現(xiàn)在就零輸入時(shí)的多零問題進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然以多個(gè)零開頭不影響輸出的結(jié)果，但考慮到顯示形式的正確性，只在小數(shù)點(diǎn)前顯示一個(gè)零。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入后，通過連接字符與00比較，若不等，則將數(shù)據(jù)直接輸出如圖3-8所示。圖3-8 輸入不是00

14、時(shí)圖當(dāng)數(shù)據(jù)輸入后，通過連接字符與00比較，若相等，則直接輸出0，如圖3-9所示。圖3-9 輸入是00時(shí)圖3.3.3 小數(shù)點(diǎn)的輸入在小數(shù)點(diǎn)的輸入時(shí)，最多只能顯示出一個(gè)。若直接點(diǎn)擊小數(shù)點(diǎn)，則以“0.”輸出。若之前已輸入數(shù)據(jù)，此時(shí)再輸入小數(shù)點(diǎn)首先利用如圖3-10所示程序：圖3-10 判斷小數(shù)點(diǎn)的有無圖判斷已輸入的數(shù)據(jù)中是否含有小數(shù)點(diǎn)，若不含有，則執(zhí)行程序“真”，如圖3-11所示；圖3-11 輸入不含小數(shù)點(diǎn)時(shí)圖若已輸入的數(shù)據(jù)中含有小數(shù)點(diǎn)，則執(zhí)行程序“假”，如圖3-12所示。圖3-12 輸入含小數(shù)點(diǎn)圖3.3.4 “+/-”鍵的設(shè)計(jì)首先進(jìn)行掃描字符串，將字符串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)值數(shù)據(jù)，經(jīng)過取負(fù)數(shù)后再轉(zhuǎn)換為字符串

15、形式輸出。如圖3-13所示，其中的順序結(jié)構(gòu)為去末尾零和去無關(guān)小數(shù)點(diǎn)的操作。圖3-13 去0和小數(shù)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖3.3.5 四則運(yùn)算以加法為例，當(dāng)簇中輸出的數(shù)據(jù)表示進(jìn)行加法運(yùn)算時(shí)，程序進(jìn)入五層的層疊式順序結(jié)構(gòu)，首先將字符串進(jìn)行掃描，轉(zhuǎn)換為數(shù)值變量，之后，對(duì)之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，以保證連續(xù)運(yùn)算時(shí)得到正確的結(jié)果。當(dāng)?shù)谝淮屋斎霑r(shí)，默認(rèn)進(jìn)行firstrun條件下的程序，若以前已有運(yùn)算，以減法為例，先將之前的兩個(gè)數(shù)進(jìn)行相減運(yùn)算，并進(jìn)行去零操作，之后再將本次的運(yùn)算符號(hào)送入“運(yùn)算符號(hào)”的局部變量，以便于進(jìn)行下次運(yùn)算。如圖3-14為加法運(yùn)算圖。圖3-14 加法運(yùn)算圖減法運(yùn)算圖如圖3-15：圖3-15 減法運(yùn)算圖乘法運(yùn)算

16、圖如圖3-16：圖3-16 乘法運(yùn)算圖除法運(yùn)算圖如圖3-17：圖3-17 除法運(yùn)算圖3.3.6 等號(hào)鍵實(shí)現(xiàn)最終的運(yùn)算結(jié)果，將結(jié)果進(jìn)行去零操作后輸出到display中，同時(shí)將代表運(yùn)算符號(hào)的移位寄存器置為空字符串。以加法為例。如圖3-18所示：圖3-18 輸出運(yùn)算結(jié)果圖3.3.7 C鍵設(shè)計(jì)將程序中所有用到的變量均進(jìn)行復(fù)位，達(dá)到清零復(fù)位的目的，如圖3-19所示。圖3-19 C鍵設(shè)計(jì)圖3.3.8 倒數(shù)鍵及反號(hào)鍵在19序號(hào)的條件結(jié)構(gòu)中進(jìn)行當(dāng)前操作，能求出輸入不為零的倒數(shù)。如圖3-20：圖3-20 倒數(shù)設(shè)計(jì)圖在20序號(hào)的條件結(jié)構(gòu)中進(jìn)行當(dāng)前操作，目的是取反，根據(jù)需求把正數(shù)變成負(fù)數(shù)，反之亦然。如圖3-21：圖

17、3-21 反號(hào)設(shè)計(jì)圖3.4 運(yùn)行調(diào)試計(jì)算器的加法運(yùn)算，運(yùn)算過程為15+1=6。具體操作過程：用鼠標(biāo)點(diǎn)擊數(shù)字鍵“1”“5”，再點(diǎn)擊常用鍵“+”，然后點(diǎn)擊數(shù)字鍵“1”，最后點(diǎn)擊“=”運(yùn)行結(jié)果就顯示出來了，如圖3-22：圖3-22 加法運(yùn)算結(jié)果圖計(jì)算器的減法運(yùn)算，運(yùn)算過程為9-1=8.具體操作過程：用鼠標(biāo)點(diǎn)擊數(shù)字鍵“9”，再點(diǎn)擊常用鍵“-”號(hào)鍵，然后點(diǎn)擊數(shù)字鍵“1”，最后點(diǎn)擊“=”號(hào)鍵，運(yùn)算結(jié)果就顯示出來了，如圖3-23：圖3-23 減法運(yùn)算圖圖3-24是計(jì)算器的乘法運(yùn)算，運(yùn)算過程為2*10=20.具體操作過程：用鼠標(biāo)點(diǎn)擊數(shù)字鍵“2”，再點(diǎn)擊常用鍵“*”號(hào)鍵，然后點(diǎn)擊數(shù)字鍵“1”“0”，最后點(diǎn)擊“=

18、”號(hào)鍵，運(yùn)算結(jié)果就顯示出來了。圖3-23 乘法運(yùn)算圖圖3-25是計(jì)算器的除法運(yùn)算，運(yùn)算過程為9/3=3.具體操作過程：用鼠標(biāo)點(diǎn)擊數(shù)字鍵“9”，再點(diǎn)擊常用鍵“/”號(hào)鍵，然后點(diǎn)擊數(shù)字鍵“3”，最后點(diǎn)擊“=”號(hào)鍵，運(yùn)算結(jié)果就顯示出來了。圖3-25 除法運(yùn)算圖圖3-26是計(jì)算器的倒數(shù)運(yùn)算，具體過程為:用鼠標(biāo)點(diǎn)擊數(shù)字鍵“3”,再點(diǎn)擊常用鍵“1/x”鍵,最后點(diǎn)擊“=”號(hào)鍵，運(yùn)算結(jié)果就顯示出來了。圖3-26 倒數(shù)運(yùn)算圖結(jié) 論經(jīng)過演示，本計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)界面上所有按鍵功能。具體操作與WINDOWS系統(tǒng)的簡單計(jì)算器相同。但由于結(jié)構(gòu)簡單，所以程序框圖不夠簡化，使用比較繁瑣，但不影響使用。 本次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)虛擬儀器

19、有了更深刻的印象，也對(duì)LabVIEW了解更深入了。由于LABVIEW能夠?yàn)橛脩籼峁┖喢?、直觀、易用的圖形編輯方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語言編程簡化成以菜單提示方式選擇功能，與傳統(tǒng)的語言比較，LabVIEW圖形編輯方式能夠節(jié)省程序的開發(fā)時(shí)間。在不久的將來，人們可以LabVIEW設(shè)計(jì)的計(jì)算器計(jì)算出任何問題，在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)運(yùn)算的條件下，只需要選擇運(yùn)算的路徑，屆時(shí)使用虛擬儀器一定會(huì)成為社會(huì)的主流。當(dāng)然我也認(rèn)識(shí)到了LabVIEW軟件的局限性，那就是它對(duì)硬件的依賴非常嚴(yán)重，沒有硬件的支撐，LabVIEW很多作用都無法實(shí)先。致 謝這次在老師和同學(xué)的幫助下完成了本次設(shè)計(jì)。再次感謝為我提供幫助的老師和同學(xué)。另外，感謝消校方給予我們這樣一次機(jī)會(huì)，能夠獨(dú)立的完成一個(gè)課題，并在這個(gè)過程當(dāng)中，給予我們一些機(jī)會(huì)，使我們能夠更多學(xué)習(xí)一些實(shí)踐應(yīng)用知識(shí)，增強(qiáng)了我們實(shí)踐操作和動(dòng)手應(yīng)用能力，提高了獨(dú)立思考的能力。 參考文獻(xiàn)1 葉齊鑫，侯國屏，趙偉. 虛擬儀器環(huán)境下的頻率特性測(cè)試方法J. 電測(cè)與儀表,2005(6):10-13.2 高聰杰,李松巖.基于LabVIEW的信號(hào)輸出與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J.數(shù)采與監(jiān)測(cè),2008,(24):135-136.3 馬銀平，宣亮亮，彭如基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)電子元器件應(yīng)用2009年第11卷第10期4