LabVIEW в научных исследованиях

Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И.







                LabVIEW
                в научных исследованиях












,«м*^издательств ст

Москва, 2018

УДК 621.38
ББК 32.973.26-108.2

      Е15




      Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И.
Е15 LabVIEW в научных исследованиях. - М.: ДМК Пресс, 2018. - 400 с.: ил.






ISBN 978-5-97060-630-8


         В данной книге возможности LabVIEW как среды программирования демонстрируются на примерах в области цифровой обработки сигналов, радиоэлектроники, компьютерных измерений и автоматизации эксперимента, электродинамики и распространения радиоволн. Большая часть примеров в книге строится по принципу «от простого к сложному», показавшему свою эффективность на курсах изучения LabVIEW Книга рекомендуется для студентов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей вузов, а также может быть полезна инженерам и научным работникам.




УДК 621.38
ББК 32.973.26-108.2











          Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

          Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.



ISBN 978-5-97060-630-8

                                © Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И. © Оформление, издание, ДМК Пресс

Введение....................................................11

▼ 1
Работа в среде LabVIEW......................................15
  1.1. Общий взгляд на программную среду LabVIEW............14
  1.2. Программная среда LabVIEW. Краткий обзор модулей и библиотек LabVIEW.......................................16
  1.3. Создание виртуального прибора........................18
    1.3.1. Запуск LabVIEW и открытие нового ВП..............19
    1.3.2. Создание лицевой панели виртуального прибора.....20
    1.3.3. Создание блок-схемы виртуального прибора.........24
  1.4. Пример создания виртуального прибора - анализатора спектра сигналов..........................................30
  1.5. Дополнительные сведения для работы в среде LabVIEW на примере анализатора спектра............................35
    1.5.1. Помощь в среде LabVIEW...........................35
    1.5.2. Создание иконки ВП и формирование соединительной панели... 36
  1.6. Структуры и управление циклическими операциями.......38
  1.7. Создание ВП с использованием структур и узла формул..39
  1.8. Математические операторы узла формул.................44
  1.9. Универсальные константы..............................45

1.10. Массивы и кластеры...................................46
  1.11. Отображение и графика................................49

▼ 2
Цифровая обработка и генерация сигналов в среде LabVIEW......51
  2.1. Основные сведения о корреляционной и спектральной обработке сигналов..............................................51
  2.2. Предварительные оценки основных параметров спектрального и корреляционного анализа случайных сигналов.55
  2.3. Основные функции обработки сигналов во временной области.........................................................57
  2.4. Основные функции цифровой обработки сигналов в частотной области.............................................61
  2.5. Фильтрация сигналов........................................69
  2.6. Основные функции генерации сигналов........................74
  2.7. Основные функции статистической обработки сигналов.........80
  2.8. Основные функции оконной обработки сигналов................83
  2.9. Краткий обзор основных математических функций..............86
  2.10. О дополнительных функциях обработки сигналов..............88

▼ 3
Автоматизация процессов измерения, контроля и управления. Аппаратные и программные средства ввода-вывода данных.............89
  3.1. Автоматизация. Основные определения и термины..............89
  3.2. Ввод аналоговых сигналов в измерительных системах.....92
    3.2.1. Датчики измерительных систем и устройства согласования.93
    3.2.2. Измерительные коммутаторы..............................96
    3.2.3. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи....97
  3.3. Оценка системных параметров многоканальных измерительных систем............................................99

Содержание

5

  3.4. Микропроцессорное управление. Контроллеры.............102
    3.4.1. Процессы управления. Микропроцессорное управление.102
    3.4.2. Типовые законы управления.........................104
    3.4.3. Контроллеры. Регулирующиемикропроцессорные контроллеры..............................................106
  3.5. Обзор устройств и систем ввода-вывода фирмы National Instruments................................................107
    3.5.1. Системы согласования сигналов SCXI и SCC..........108
    3.5.2. Многофункциональные платы и устройства для сбора данных.... 108
    3.5.3. Модульные измерительные системы стандарта PXI.....111
    3.5.4. Система распределенного ввода-вывода и промышленного управления FieldPoint....................................112
    3.5.5. Реконфигурируемая контрольно-измерительная система CompactRIO...............................................112
  3.6. Пример создания измерительной системы на основе устройства сбора данных USB 6008...........................113
  3.7. Статистическое моделирование ИИС......................119
    3.7.1. Математическое моделирование......................120
    3.7.2. Статистическое моделирование. Метод Монте-Карло...121
    3.7.3. Алгоритм статистического моделирования по методу Монте-Карло..............................................122
    3.7.4. Способы получения случайных чиселсзаданной плотностью вероятности..............................................123
    3.7.5. Оценка точности моделирования методом Монте-Карло.125
    3.7.6. Статистическое моделирование ИИС..................130
    3.7.7. Статистическое моделирование ИИС в среде LabVIEW..135

▼ 4
Дистанционный учебный и научный эксперимент с использованием LabVIEW.....................................143
  4.1. Технология виртуальных приборов и роль дистанционных технологий обучения в техническом вузе.....................142

4.2. Дистанционная автоматизированная учебная лаборатория.................................................144
    4.2.1. Принципы построения и структура системы дистанционного измерения и управления учебным экспериментом..............145
    4.2.2. Организация передачи данных........................151
    4.2.3. Дистанционная лаборатория по радиоэлектронике. Программное обеспечение...................................152
    4.2.4. Программное обеспечение Distant Lab 1.0............154
    4.2.5. Редактор LabWork Environment.......................163
  4.3. Система дистанционного измерения и сбора измерительнодиагностической информации для научно-технического эксперимента.................................................170
    4.3.1. Общая структура системы.............................171
    4.3.2. Измерительная часть автоматизированной системы дистанционных измерений....................................171
    4.3.5. Программное обеспечение для сбора и обработки измерительной информации...................................182
  4.4. Экспериментальное исследование и статистическая модель динамики дистанционногоуправления...........................185
    4.4.1. Динамика дистанционного управления.................186
    4.4.2. Методика экспериментального исследования динамики СДУ.... 187
    4.4.3. Результаты экспериментов...........................189
    4.4.4. Статистическая модель динамики СДУ.................194

▼ 5
Виртуальный практикум в лаборатории электродинамики...........197
  5.1. Плоские электромагнитные волны.........................197
    5.1.1. Цель работы........................................197
    5.1.2. Краткие теоретические сведения.....................198
    5.1.3. Создание лабораторной установки....................203
    5.1.4. Порядок выполнения лабораторных исследований.......211
    5.1.5. Контрольные вопросы................................212

Содержание

7

  5.2. Поляризация электромагнитной волны....................212
    5.2.1. Цель работы.......................................213
    5.2.2. Краткие теоретические сведения....................213
    5.2.3. Созданиелабораторной установки....................218
    5.2.4. Порядок выполнения лабораторных исследований......231
    5.2.5. Контрольные вопросы...............................233
  5.3. Отражение и преломление плоской волны при нормальном падении....................................................233
    5.3.1. Цель работы.......................................233
    5.3.2. Краткие теоретические сведения....................233
    5.3.3. Созданиелабораторной установки....................236
    5.3.4. Порядок выполнения лабораторных исследований......246
    5.3.5. Контрольные вопросы...............................247
  5.4. Элементарные излучатели радиоволн.....................247
    5.4.1. Цель работы.......................................248
    5.4.2. Краткие теоретические сведения....................248
    5.4.3. Созданиелабораторнойустановки.....................259
    5.4.4. Порядок выполнения лабораторных исследований......266
    5.4.5. Контрольные вопросы...............................267

▼ 6
Виртуальный практикум в лаборатории распространения радиоволн....................................................269
  6.1. Распространение радиоволн в свободном пространстве....268
    6.1.1. Цель работы.......................................268
    6.1.2. Краткиетеоретические сведения.....................269
    6.1.3. Создание лабораторной установки...................272
    6.1.4. Порядок выполнения лабораторных исследований......282
    6.1.5. Контрольные вопросы...............................284
  6.2. Зоны Френеля. Существенная зона распространения радиоволны.................................................285

6.2.1. Цель работы.......................................285
    6.2.2. Краткиетеоретическиесведения......................285
    6.2.3. Созданиелабораторной установки....................290
    6.2.4. Порядок выполнения лабораторных исследований......303
    6.2.5. Контрольные вопросы...............................304
  6.3. Распространение радиоволн вблизи поверхности Земли.....305
    6.3.1. Цель работы.......................................305
    6.3.2. Краткиетеоретические сведения.....................305
    6.3.3. Создание лабораторной установки...................310
    6.3.4. Порядок выполнения лабораторных исследований......327
    6.3.5. Контрольные вопросы...............................329
  6.4. Распространение радиоволн в тропосфере................329
    6.4.1. Цель работы.......................................329
    6.4.2. Краткие теоретические сведения....................330
    6.4.3. Созданиелабораторной установки....................332
    6.4.4. Порядок выполнения лабораторных исследований......339
    6.4.5. Контрольные вопросы...............................341
  6.5. Распространение радиоволн в ионосфере.................341
    6.5.1. Цель работы.......................................341
    6.5.2. Краткиетеоретическиесведения......................341
    6.5.3. Создание лабораторной установки...................348
    6.5.4. Порядок выполнения лабораторных исследований......362
    6.5.5. Контрольные вопросы...............................364

▼ 7
Научные исследования и эксперимент в среде LabVIEW............364
  7.1. Фрактальная геометрия в измерительных и телекоммуникационных системах............................365
    7.1.1. Фракталы и размерность фрактала...................366
    7.1.2. Расчет фрактальной размерности совокупности множества точек  368

Содержание

9

    7.1.3. Множество Жюлиа..................................370
    7.1.4. Программа для генерации множества Жюлиа..........370
  7.2. Скважинная многоканальная телеметрическая система....376
    7.2.1. Выбор метода измерения...........................376
    7.2.2. Составные части и функциональная схема телеметрической системы.................................................380
    7.2.3. Передача данных по каротажному кабелю............384
    7.2.4. Программное обеспечение..........................385
  7.3. Система для измерения фликкер-шума...................388
    7.3.1. Метод измерения..................................389
    7.3.2. Экспериментальная установка и программное обеспечение.390
    7.3.3. Тестирование системы измерения...................394
  7.4. Создание исполняемых exe-приложений..................395

Список литературы...........................................398

   Основной целью авторов этой книги являлась подготовка практического руководства по применению среды графического программирования LabVIEW для широкого круга читателей: студентов, аспирантов, инженеров, преподавателей и научных работников в области радиоэлектроники и телекоммуникаций.
   До недавних пор специалисты при решении задач в собственной предметной области были вынуждены прибегать к помощи профессиональных программистов, как правило, не являющихся носителями знаний в этой области. Такое посредничество чаще всего увеличивало материальные и временные издержки, а самое главное, снижало качество исследований и разработок. Даже использование специализированных программных средств лишь частично снимало эту проблему. Появление программных продуктов последнего поколения с весьма дружественными интерфейсами, адаптированных к менталитету и профессиональным навыкам специалистов, сделало возможным их использование специалистами напрямую, не прибегая к помощи посредников. К таким новым программным продуктам относится LabVIEW, имеющий весьма удобный пользовательский интерфейс и мощные средства графического программирования. С каждой последующей версией LabVIEW возрастает уровень интеллектуализации интерфейса пользователя и удобство его использования. Новая версия LabVIEW 8.2, которая появилась осенью 2006 г., является подтверждением этой тенденции.
   LabVIEW является идеальным программным средством для создания систем измерения, а также систем автоматизации управления на основе технологии виртуальных приборов. LabVIEW-программа в комплексе с такими аппаратными средствами, как встраиваемые в компьютер многоканальные измерительные аналого-цифровые платы, платы захвата и синхронизации видеоизображения для систем машинного зрения, платы управления движением и исполнительные механизмы, а также измерительные приборы, подключаемые к компьютеру через стандартные интерфейсы RS-232, RS-485, USB, GPIB (КОП), PXI, VXI, позволяет разрабатывать системы измерения, контроля, диагностики и управления практически любой сложности.
   LabVIEW имеет собственную мощную математическую поддержку. Кроме того, LabVIEW может интегрировать в себя программы, написанные в среде MatLab. Большое количество встроенных алгоритмов цифровой обработки одно