1、實驗報告實驗五虛擬儀器在物理實驗中的應用【實驗簡介】虛擬儀器實際上就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統。它利用通用計算機的強大計算處理功能, 通過傳感器和接口卡實現信號輸入，用鍵盤、鼠標、顯示器等計算機外設實現控制和顯示功能。虛擬儀器 設計過程主要包括選擇適當的硬件平臺、傳感器、接口卡以及編制應用軟件。虛擬儀器相比較于傳統儀器， 其功能更加靈活多變、易于擴展，而且由于和網絡技術結合，它還能夠與外界進行數據通信，實現遠程操 作。因此，虛擬儀器技術已經成為自動化測量的主流技術。【實驗目的】1. 了解虛擬儀器的概念：2. 了解圖形化編程語言LabVIEW,學習簡單的LabVIEW編程：3. 完成伏

2、安法測電阻的虛擬儀器設計。【實驗儀器與用具】計算機（含操作系統），LabVIEW 2014, NI ELVIS H+,導線若干,元件盒一個（包括100Q標準電 阻一個，待測電阻IkQ和51 Q各一個，穩壓二極管一個。）【實驗原理】1.虛擬儀器的硬件本實驗使用的硬件平臺是個人電腦（PC機），美國國家儀器公司（National Instruments）的教學實驗室 虛擬儀器套件（Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite） 11+ （縮寫為 NI ELVIS II +）和自帶的原 型板。圖7-2 NI ELVIS II功能說明。1. N

3、I ELVIS H系列原型板；2.數字萬用表保險絲：3.數字萬用及接口； 4.示波器接口： 5.函數 發生器輸出/數字觸發輸入接口； 6.原型板安裝螺絲孔；7.原型板接口： 8.原型板電源開關：9.狀 態燈：10.可變電源手動控制旋鈕；II.函數發生器手動控制旋鈕。虛擬儀器綜合實驗平臺ELVIS II+,如圖7-2所示，集成8路差分輸入（或16路單端輸入）模擬數據 采集通道、24路數字I/O通道，以及多款常用的儀器（包括示波器、數字方用表、函數發生器、動態信號 分析儀、二線電流電壓分析儀、三線電流電壓分析儀、阻抗分析儀、VPS電源等）。平臺通過USB連接PC。 虛擬儀器綜合實驗平臺是開源的，可

4、以在LabVIEW中進行定制，同時可以使用LabVIEW Express VI和LabVIEW Signal Express的步驟對設備進行編程。7壬生一由mRmmm一事jilE三|.=三三三1=圖7-3原型板功能說明。1 .模擬信號輸入和可編程函數信號I/O陣列：2.工作站交互接口； 3.數字信號I/O陣列；4.用戶 可配置LED； 5.用戶可配置D-SUB接口： 6.計數器/計時版用戶可配置I/O,直流電源陣列：7.數 字萬用衣，函數發生滿，用戶可配置I/O,可變電源和直流電源陣列：8.直流電源指示燈：9.用戶 可配置接線柱；10.用戶可配置BNC接口； 11.用戶可配置Banana接口：

5、 12.固定螺絲。2 .虛擬儀器的軟件本實驗使用的用于虛擬儀器系統設計的軟件開發平臺是LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering workbench) .它將計算機數據分析和顯示能力與儀器驅動程序整合在一起，為針對儀器的編 程提供了很大的便利。而且，LabVIEW是一種圖形化編程語言，編程過程也就是設計流程圖，即使初學 者也能很快入門。用LabVIEW開發平臺編制的虛擬儀器程序簡稱為VI。VI包括三個部分：前面板(front panel),程序 框圖(Blockdiagram)和圖標/連線板。前而板用于設置輸入數值和顯示輸出量，相當于真

6、實儀表的前而板.前而板上的圖標，分為兩類：輸 入類(Controls,用于輸入)和顯示類(Indicators,用于輸出)，具體可以是開關、旋鈕、按鈕、圖形、 圖表等表現形式。程序框圖相當于儀器的內部功能結構，其中的端口用來和前面板的輸入對象和顯示對象 傳遞數據，節點用來實現函數和功能子程序調用，圖框用來實現結構化程序控制命令，連線則代表程序執 行過程中的數據流。LabVIEW編程簡介(1)前面板窗口(Front Panel)和控件選板(Controls Palette)前面板窗口是用戶界而，也就是VI的虛擬儀器面板。前面板上面有兩類控件：輸入控件(Controls) 和顯示控件(Indica

7、tors)。輸入控件有開關、旋鈕、數字或文本輸入框等，用來讓用戶進行輸入或控 制操作。顯示控件有圖形、數字或文本輸出框等，用來顯示測量或計算結果。所有控件都要通過控件選板進行選擇，再添加到前面板上。控件選板可以用兩種方法打開：一是 在前而板空白處點擊右鍵，二是選擇菜單查看一控件選板。控件選板上的控件主要按照數據類型分組。尋找控件有兩種方式：根據所屬類型找到其分組， 再在該分組中查找；如果知道控件名稱，還可以利用控件選板上的搜索欄直接搜索。雙擊搜索結果 可高亮顯示其在選板中的位置。向前面板添加控件的方法：鼠標左鍵點一下控件圖標并松開，控件就黏附在光標上了；將光標移 到要放控件的位置，再點一下鼠標

8、左鍵，就將控件釋放了。對于某些數據類型的輸入(或顯示)控件，可以在控件上單擊鼠標右鍵，選擇轉換為顯示(或輸 入)控件，將其改變為同一數據類型的顯示(或輸入)控件。(2)程序框圖(Block Diagram)和函數選板(Functions Palette)創建前面板窗口后，需要在程序框圖中編寫圖形化代碼，用來控制前面板對象。前面板和程序框 圖之間的切換，可以利用快捷鍵。+£來實現。在程序框圖中，可以看到添加在前面板上的控件在 程序框圖中已經生成了相應的輸入、輸出端。此外，可能還需要添加一些子VI、函數、常量、結構 和連線（用來在其他對象間傳遞數據），才能實現儀器的輸入和輸出功能。在程序

9、框圖中，我們可以看到輸入控件和顯示控件的圖標有兩個顯著區別：輸入控件的邊框較 粗，顯示控件的邊框較細：它們的圖標上都有一個表示數據流向的接線端箭頭，輸入控件的箭頭向 外，而顯示控件的箭頭向內。向程序框圖中添加子VI、函數、常量、結構，需要通過函數選板來選擇和添加。打開函數選板也 有兩種方法：在前面板空白處點擊右鍵；選擇菜單查看一函數選板。如果知道對象名稱，可以使用函數選板上的搜索功能查找對象。雙擊搜索結果可高亮顯示其在選 板中的位置。如果要查看函數或VI的功能，可將鼠標移到控件上，按快捷鍵：皿+14,打開即時幫助查看說明。（3）數據流、連線和數據類型數據流工作方式LabVIEW按照數據流模式運

10、行程序，只有當模塊要求的輸入數據完全到達這個模塊時才能執行, 然后向其所有的輸出端口輸出數據，這些數據再沿數據線流向其他模塊。數據流經節點的過程決定 了程序框圖上VI和函數的執行順序。在數據流模式下，兩個彼此沒有數據依賴的程序塊可能會同時運行，如果要強制它們的運行順 序，可以使用順序結構或錯誤簇等編程技術。連線表7-1常用連線類型類型標量一維數組二維數組顏色整型藍色浮點型梃色布爾型IBBIBIOOIOISBIBIOOIO綠色字符型WWVWWVWVOMMHKKHOCRMWHRfSA粉色連線用于在程序對象之間傳遞數據。連線上數據的傳遞是有方向的。輸入端子、常量、函數或 子VI的輸出端都可以作為數據

11、源。數據接收端可以是顯示端子、函數或VI的輸入端。一條連線只 有一個數據源，但可以連接多個數據接收端。此外，連線上傳遞的數據具有一定的類型和維數，其數 據源和數據接收端的數據類型和數據維數必須相同。因此，正確的連線必須保證兩點：a.連線方向 正確；b.連線輸入和輸出端必須與連線上傳遞的數據兼容。表7-1顯示了最常見的連線類型。當連線錯誤時，連線會表示成斷線，它是一條中間帶小紅叉的黑色虛線。這時可將連線工具移動到它 上而。LabVIEW會給出兩端的數據類型和流向信息。添加新的模塊和連線可能會對已設置好的部分有影響，而且原來的錯誤連線也可能對新添加的連線有 影響。如果已經連了一個接線端，想取消連續

12、，可單擊鼠標右鍵。如果想刪除連線，用定位工具選中它，即 可刪除。連線結束后，右鍵單擊連線，從快捷菜單中選擇“整理連線”，可使LabVIEW自動選擇連線路徑。按快 捷鍵Ctrl + B可刪除在程序框圖中的所有斷線。數據類型LabVIEW的基本數據類型有五種：數值（Numeric）,布爾（Boolean）,字符串（String）,枚舉（Enum）, 還有一種叫環型枚舉（Ring）,和Enum很類似，可以循環枚舉。數值類型的數據按精度又分若干種類型，與標準C+的數據類型基本是一致的。其代表符號直觀的表 現其類型。可以在數值對象上點右鍵，通過彈出菜單中“表示法''修改。在程序框圖中，不

13、同數據類型的對 象有不同顏色，其顏色和數據類型的對應關系與連線相同。（4）工具選板功能介紹在前面板窗口和程序框圖中都可以使用工具選板，可以通過點擊查看一工具選板打開和關閉它。它提 供了各種用于創建、修改和調試VI程序的工具。當從選項板內選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成該 工具相應的形狀。工具選板上的最上端部分為自動選擇工具。當點擊它燈亮時，當鼠標移到模塊上時，程 序會自動選擇工具，方便操作。常用工具按鈕的功能：*1：操作工具，用于操作前面板的控制和顯示，比如按下開關、扭動旋鈕等；或者用于改變程序框 圖中布爾常量的值。當使用它向數字或字符串控制中鍵入值時，工具會變成標簽工具。公一：定位工具：

14、用于選擇、移動或改變對象的大小。選擇對象：點擊一個控件，就可選中它: 如果想選擇多個控件，可以用鼠標在屏幕上拉一個框，這時框中的控件同時都被選中。選中對象后，可以 移動、復制或刪除該對象。移動對象：左鍵點擊對象并一直按住，待移動到目標位置之后再松開。改 變對象大小：選擇對象后，將光標移動到邊框上，此時矩形邊框四角和四邊中央會出現小方塊，將光標移 到小方塊上時，光標會變成相應的雙箭頭形狀，此時可以沿所需的方向對對象拉伸或壓縮。A：標簽工具，用于向輸入控件中輸入文本、編輯文本或者創建自由標簽。不：連線工具，用于在程序框圖中連接對象。連線方法：將連線工具移至接線端，此時將出現含有 接線端名稱的提示框

15、，而且圖標上的接線端將會閃爍。由于有的函數或VI有多個接線端，因此要注意選對 所需的接線端，當所需接線端閃爍時，單擊鼠標即可。將連線工具在兩個對象的接線端上各單擊一次，就 可在這兩個對象之間創建連線。如果已經連了一個接線端，想取消連線，可單擊鼠標右鍵取消。®l：斷點工具，用于在VI、函數、節.點、連續和結構中設置斷點，斷點位置將暫停運行。探針工具，用于在程序框圖的連線上創建探針。使用探針工具可查看VI運行中連線上傳遞的數 據值。（5）快捷菜單和屬性對話框所有的LabVIEW對象都有快捷菜單，右鍵單擊對象，即可呼出快捷菜單。通過快捷菜單，可以改變 對象的外觀或運行方式。比如，選擇可見的

16、項目（顯示項）、為某個輸入端創建常量（創建）、改變數 據精度類型（表示法）、設置屬性等。（6）前面板窗口、程序框圖工具欄和程序調試工具前面板窗口和程序框圖上方都會出現一條工具欄，上而有運行、中止、調試程序的工具按鈕，它們 的用法如下：:運行。如果VI有編譯錯誤，此按鈕將變成唾：此時單擊該斷箭頭按鈕，會顯示錯誤列表， 雙擊錯誤列表中的項目，程序中出錯的地方會高亮顯示出來。包：連續運行。再次單擊此按鈕可停止連續運行。®!：異常中止執行。也J：暫停。單擊此按鈕后，程序暫停，按鈕變成紅色；再次單擊后，程序繼續運行。高亮顯示執行過程，只出現在程序框圖工具欄中單擊此按鈕，按鈕會變成窿，此時，可以

17、 看到每個步驟的數據值以及數據在連線上的流動情況。注意，在高亮顯示執行過程狀態下，程序執行 速度會顯著降低。小結一下調試程序的常用方法：程序編譯出錯時可單擊噲按鈕找到錯誤之處并修正；調試 程序時，可以用高亮顯示執行過程按鈕宣檢測程序運行情況：對于特別關注的某些數據值，可以 使用探針工具其他還有設置斷點和單步運行等方法，具體請查閱軟件幫助文檔。（7）快捷鍵和編程小技巧<Ctrl+S>：保存文件。<Ctrl+E>：切換前面板窗口和程序框圖。<Ctrl+H>：打開幫助窗口，當把鼠標放到任何感興趣的模塊對象上時，就會在幫助窗口中顯示 相應的幫助信息。TAB或Spac

18、ebar：切換選擇工具。多按幾下直到鼠標變成你想要的工具的形狀。<Ctrl+Z>：撤銷前一操作。<Ctrl+B>：去除所有錯誤的連線。如果要觀察或改變模塊或控件的各種屬性，在其圖標上按右鍵。雙擊某個控件/模塊可以看到與它對應的模塊/控件端。3.利用虛擬儀器測量伏安特性本實驗中利用一個模擬輸出通道為整個測量電路供電，利用兩個模擬輸入通道分別測量總電壓和標準 電阻上的電壓：利用測量得到的電壓數值和標準電阻數值就可以得到電路中的電流以及待測電阻上的電壓。 在程序控制下，電路電壓由0V開始逐漸增加到設定電壓，電壓每改變一次，測得一組電壓電流值，最后 得到一個數組，經過線性擬合后

19、就可以得到待測電阻值。測量原理見圖7-4。使用單端輸入方式時，各個輸 入通道共用地線，各通道測量的都是對地的電壓，連線時要加以注意。也可使用差分輸入。ELV1S輸出端供電測總電壓標準電阻待測電阻izn4m測電壓算電流圖7-4用虛擬儀器測量伏安特性原理圖【實驗內容和實驗步驟】1 .初步熟悉LabVIEW開發環境的基本操作和編程方法啟動LabVIEW程序。選擇文件-新建VI進入LabVIEW環境。熟悉一下各選板上的圖標和名稱，學習 選擇并放置控件、點擊右鍵查看快捷菜單，學習使用標簽工具、定位工具、連線工具和各種快捷鍵。2 .創建一個模擬溫度測量程序假設傳感器的輸出電壓和溫度成正比。同時希望程序中可

20、以用開關切換攝氏溫度值和華氏溫度值的顯 示。用一個輸入控件來代替數據采集卡對傳感器的測量結果。再將電壓讀數乘以100轉換成華氏溫度讀數， 或者再把華氏溫度轉換成攝氏溫度。實驗步驟：（1）創建前面板新建一個空白VI。打開前面板窗口。在空白處點右鍵，彈出控件選板，在控件選板中選擇溫度計、 垂直滑動桿開關、數值顯示控件、數值輸入控件，放在前面板上，添加各控件的名稱以及開關狀態的標 識。（2）創建程序框圖打開程序框圖。在函數選板中找到乘法函數、減法函數、除法函數和選擇函數并將其放入程序 框圖中。把圖標用連線工具連接起來，并在需要的地方創建數值常量（用連線工具，右鍵單擊你希望連一個 常量的對象連線端子，

21、在快捷菜單中選擇創建一常量，即可創建一個與端口數據類型相匹配的常數。也 可以先放入一個數值常量再連線。整個程序創建完畢c最后可以整理一下圖標位置和連線（在需要整理的連線上單擊右鍵，在快捷菜單 中選擇整理連線）。（3）運行程序選擇前面板窗口，運行VI程序。點擊連續運行按鈕，使程序運行于連續運行模式。改變“采集的電壓” 控件輸入值（比如在0.52之間的任意值）和溫度值單位，觀察程序運行情況，并解釋程序每部分的功能。 再點擊連續運行按鈕，停止程序運行。（4）關閉程序混皮I- 100- 80-eI 溫度值母位60-：15也會值前面板3 .創建一個電壓輸出和采集的程序（1）編寫輸出電壓程序新建一個空白的

22、VI,在程序框圖中創建虛擬通道。創建一個While循環，并加入一些控件，用連線工 具將相應的端口連接起來。（如圖）（2）編寫采集電壓程序用類似的方法創建電壓采集程序。整理各圖標和連線。（3）運行程序打開ELVIS電源和原型板電源。在前面板上設置輸出通道為Dev3/aoO,輸入通道為Dev3/ai0o在原型板上用導線連接模擬輸出(Analog Outputs) “AOO”端和模擬輸入(Analog Input Signals) “AI0+”端,將，AI 0 端和接地端“AIGND”用導線連接°在前面板窗口，運行VI程序。改變輸出電壓，觀察測量電壓的變化。可點擊停止按鈕，觀察程序運 行情

23、況。停止程序運行。保存上述文件,(4)關閉程序程序框圖4 .用虛擬儀器測量伏安特性（1）編寫程序，包括前面板和程序框圖創建前而板放上一個Express XY圖，用于顯示電壓一電流圖，選“點+線”模式。放入四個數值型輸入控件和一個數值型顯示控件，添加各控件的名稱以及開關狀態的標識。加入一個二維數組顯示控件，用于顯示測量的電壓和電流。放入一個開關按鈕（控件一布爾一開關按鈕），用于控制程序進程。創建程序框圖根據實驗思路，先輸出一個電壓，等到穩定后測量。控制程序執行順序可以通過順序結構來實現。 在程序框圖中放入一個順序結構，并使順序結構有5幀。把需要的圖標移動到順序結構各幀之中。首先，讓ELVIS輸出

24、電壓。在第0幀中放入一個“DAQ助手工然后，讓程序等待一段時間。在第1幀中放入一個“等待（ms） “用于等待電阻上的電流達到穩定；再 放入一個“單位轉換”，在模塊中鍵入“ms”，用于將單位s轉換成ms,將“單位轉換''的輸入端和“時間間隔” 相連，輸出端和“等待（ms） ”端相聯。然后，用ELVIS采集總電壓和標準電阻上的電壓，計算待測電阻上的電壓、電流值。在第2幀中放入 一個“DAQ助手”，在彈出窗口中選擇“采集信號”一 “模擬輸入”一 “電壓”，在彈出的DAQ助手窗口中的左 下角“生成模式''項目下選”1采樣（按要求）“，這用來測量總電阻和標準電阻兩端的電壓

25、。接下來在第2 幀中放入兩個索引數組。用連線工具將DAQ中的數據輸出端和數組中的數據端相連，在“索引數組”左下 角的索引端創建常量，分別將上下兩個索引常量設為0和葭再在第2幀中放入“減”和“除”的節點。按照圖 中所示將它們用連線工具連接。用總電壓減去標準電阻上的電壓得出待測電阻上的電壓，再把標準電阻 上的電壓除以標準電阻，求出電流。然后，再讓程序等待一段時間，以減少對數據測量過程的影響。在第3幀中放入“等待（ms） “，在輸 入端點右鍵創建常量，將常量數值改為100 （表示100 ms） .在第4幀中放入一個“DAQ助手”，使順序結構結束時電壓輸出為0。通過While循環來實現電壓的改變。放入

26、的While循環要包含先前的順序結構、“數據”和“電阻的伏安曲 線圖希望ELVIS輸出電壓從0V開始到5 V,每隔0.25 V測一次。對于較小的待測電阻，這些值要用更 小的值，以保證電流不超過限制。可以把While循環框左下角的循環變量i和數值型控件”輸出電壓步長”相 乘，將其乘積和順序結構第0幀中的DAQ助手的數據端相連。可以把While循環的i和輸入型控件“測量數據 點數”中的值作比較，在和開關作邏輯"與''運算（"與”函數，在函數一布爾一與）后和While框內右下角 的循環條件端子相連，并把循環條件改為“真時繼續”，用于控制循環。用移位寄存器實現數據的

27、實時顯示，移位寄存器的功能是在相鄰兩次循環之間傳遞數據。在While循 環左邊框（或右邊框）上點右鍵選擇“添加移位寄存器”加上兩個移位寄存器，分別用來存儲并傳遞電壓 和電流的測量數據。在循環中放入兩個“創建數組”，向下拖放其圖標使其有兩個輸入端，將上方的“元素” 端口和左邊的移位寄存器相連、下方“元素”端口和電壓（或是電流）相連，輸出端“添加的數組”和右端 的移位寄存器相連。此處創建數組的作用是將來自元素輸入端的新測量數據與數組輸入端的原來一維數 組中的數據串成一個新的一維數組。創建兩個空的數組，用于初始化數據。顯示測量數據。在程序框圖放入一個“創建數組”，拖放其圖標使其有兩個輸入端，把連到移位寄存 器上的電壓和電流分別和“創建數組”的輸入端相連，把“創建數組”的輸出和名為“數據”的數組顯示控件相 連。顯示伏安曲線。把電壓數組和“創建XY圖”的X輸入相連，電流數組和Y輸入相連。由于顯示數組控 件“數據”和顯示圖形控件“電阻的伏安曲線圖”都在While循環以內，因此每次循環“數據”和r包阻的伏安曲 線圖”都會更新一次。計算電阻值。在循環外面放入一個“線性擬合”打點（函數一數學一擬合一線性擬合），將