基于LabVIEW的速度和加速的测量实验的模拟毕业设计论文.docx
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基于LabVIEW的速度和加速的测量实验的模拟毕业设计论文
基于LabVIEW的速度和加速度的测量实验的模拟
摘要
随着科技技术的发展，软件行业日新月异，人们可以用软件编程来实现自己想要的功能，这使得用户在操作上简单了许多，视觉上也清晰明了，易于理解。
本次毕业设计研究的是基于LabVIEW的速度和加速度的测量实验的模拟，用虚拟仪器模拟现实实验。
进入前面板后，用户可以手动操作整个实验过程，也可以清楚的看到滑块在气垫导轨上移动，测量出来的数据也会在计时计数测速仪上显示，能让用户感觉像是在物理实验室做实验一样，给人一种身临其境的感觉。
用户可以通过可视化的界面方便的清楚整个速度和加速度实验的过程，这大大的方便了教师的物理教学。
关键词：
LabVIEW,虚拟仪器，速度和加速度
ThemeasurementexperimentsimulationofVelocityandAccelerationBasedonLabVIEW
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thesoftwareindustrywitheachpassingday,peoplecanusesoftwaretoachievetheirwant.Thisallowstheusertoeasiertooperate,andthevisionisclearandeasytounderstand.
ThegraduationdesignresearchisbasedontheLabVIEWvelocityandaccelerationmeasurementexperimentofsimulation,virtualinstrumentwasusedtosimulaterealexperiment.Afterenteringthefrontpanel,usercanmanuallyoperatingthewholeexperimentprocess,andalsocanclearlyseetheslidermoveontheairtrack.Measureddatawillbedisplayedonthetimercountspeedometer,itcanlettheuserfeellikedoingtheexperimentinphysicslaboratory,givingasurrealandtrulymusicalfeeling.Throughavisualinterfaceconvenientusercanknowthewholeprocessofvelocityandaccelerationexperiment,thisgreatlyfacilitatesteachersofphysicsteaching.
Keywords:
LabVIEW,virtualinstrument,velocityandacceleration
1绪论
1.1引言
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。
LabVIEW有很多优点，可以广泛的应用于数据采集与信号处理、自动化测试与验证系统、仪器控制、嵌入式系统设计等多个领域。
尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出，比如测试测量、控制、仿真、儿童教育、快速开发、跨平台等。
本次设计的内容是基于LabVIEW的速度和加速度的测量实验的模拟，利用LabVIEW实现速度和加速度实验的仿真。
程序设计包括三个部分：
前面板、框图程序和图标/连接器，因此一个VI程序的设计主要包括前面板的设计、框图程序的设计以及程序的调试。
1.2选题的意义及应用背景
本文介绍的虚拟仪器演示速度和加速度实验，可以普通物理课中直接使用，同时利用LabVIEW高效的图形化编程平台，教师和学生都可以充分发挥自己的想象力和创造力，开发适台自己需要的各种虚拟仪器，提高教学质量和教学实验水平。
除此之外，虚拟仪器的发展还是可以应用于远程教学，在将来的社会，学生可以待在家里上物理实验课，有了虚拟仪器，可以在自家的电脑上和老师进行沟通，并且运用虚拟仪器进行各种物理实验，这大大方便了教学，也节省了师生的时间，还可以缓解交通，各个方面都有了很大的进步。
当今大多数大学物理教学过程中，单纯的课堂授课已经不能满足现代化的教学理念，更好的方法是用仪器演示，以加深学生的理解。
但物理实验设备的局限性，不方便在课堂上加以演示。
这样，我们需要一种更方便的演示方法，这样就可以使用虚拟仪器来进行演示。
2LabVIEW和虚拟仪器
2.1LabVIEW和虚拟仪器简介
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）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程序的执行顺序。
它用图标表示函数，用连线表示数据流向。
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。
利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编码器。
像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。
它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件！
现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统（支持32位的嵌入式系统，并且可以扩展的），不断完善中。
LabVIEW程序被称为VI（VirtualInstrument），即虚拟仪器。
LabVIEW的核心概念就是“软件即是仪器”，即虚拟仪器的概念。
虚拟仪器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。
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公司成为业界公认的权威。
目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW2011，LabVIEW2009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、LabVIEWReal-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。
普通的PC有一些不可避免的弱点。
用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。
目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。
每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。
这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。
VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。
2.2LabVIEW软件的特点
LabVIEW在测试、测量和自动化等领域具有最大的优势，因为LabVIEW提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储。
用户可以在数分钟内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。
它被广泛地应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制盒生物医学等各个领域。
LabVIEW的特点主要体现在以下几个方面：
1.程序设计:
LabVIEW是一种图形化编程语言，易懂且程序的界面和功能与实际的仪器非常相似。
一个LabVIEW程序既可以作为独立程序，也可以作为其它程序的子程序。
LabVIEW内置信号采集、测量分析与数据显示功能，比传统开发工具更加高效，提供强大功能的同时还保证了系统的灵活性。
2.简易快捷的数据采集和控制:
无论是从数据采集到仪器控制，图像采集到运动控制，LabVIEW都是一个理想的开发环境，并可以提供各种工具来迅速完成数据的采集。
3.功能强劲的多种分析模块:
采集到原始的数据通常不是用户最终需要的结果，LabVIEW内带400多个分析处理工具，诸如快速傅立叶变换（FFT）与频率分析、信号发生、数学运算、曲线拟合、时频分析等工具，用于从采集到的原始数据中提取有用的信息，或用于测量数据分析并进行信号处理。
利用这些工具可以对原始数据进行分析处理，从中获取有意义的信息。
4.形象逼真的数据显示:
数据显示部分根据不同功能分成几个不同的方面，如数据显示、报告生成、数据库数据显示与连接。
这些控件和连接方法使仪器更加形象，程序开发更加直观，LabVIEW提供的一组完整的控件和工具可以方便地完成数据显示与控件联接工作。
2.3LabVIEW使用的优势
选择LabVIEW开发测试和测量应用程序的一大决定性因素是其开发速度。
通常，使用LabVIEW开发应用系统的速度比使用其他编程语言快4-10倍。
这惊人速度背后的原因在于LabVIEW易用易学他所提供的工具是创建测试和测量应用变得更为轻松。
LabVIEW的具体优势主要体现在以下几个方面：
1.提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师们从复杂苦涩的文本编程工作中解放出来。
2.内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。
因此用户在编写程序的过程中如果有语法错误，他会被立即显示出来。
3.由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程，从而能从分离用处理器尤其是多处理器的处理功能。
4.通过DLL、CIN节点、ActiveX、.NET或MATLAB脚本节点扥技术，可以轻松实现LabVIEW与其它编程语言混合编程。
5.通过应用程序生成器可以从轻松的发布EXE、动态链接库或装包。
6.LabVIEW提供了大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。
7.LabVIEW内建了600多个分析函数，用于数据分析和信号处理。
8.NI同时提供了丰富的附加模块，用于扩展在不同领域中的应用，例如实时模块、PDA模块、FPGA模块、数据记录与监控模块。
机器视觉模块与触摸屏模块等。
2.4虚拟仪器的主要特点
虚拟仪器的主要特点:
1.尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。
2.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。
3.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。
图2.1虚拟仪器的构成方式
3速度和加速度的测量实验
3.1速度和加速的测量
1.瞬时速度测量。
一个直线运动的物体，在△t时间内经过的位移为△s，则该物体在△t时间内的平均速度为
（1）
为了精确地描述物体在某点的瞬时速度，应该把△t取得越小越好，△t越小，所计算出的平均速度越接近瞬时速度，当△t→0时，平均速度趋近于一个极限，即
（2）
就是物体在该点的瞬时速度。
但是在实验中，直接测量极限值是不肯能的。
因此，本实验中采用作图法来达到目的。
先测量不同的微小有限量△t及相应时段的位移量△s，求得各△t内物体的平均速度
，然后用作图法或回归法得出平均速度
与△t的趋势规律，最后由趋势图上得出或由趋势函数求得△t＝0时的
值，此值即为物体通过测量点时的瞬时速度v。
由于△t＝0的点在△t的实测范围外，故此法在数学上称为外推法。
实验中采用两块挡光板，将其中一块挡光板沿运动方向固定在滑块前端，另一块根据测量需要固定在滑块的不同位置上。
使滑块从倾斜的气垫导轨上某一固定位置自由下滑，当挡光板通过光电门时，两块挡光板对光电门的两次遮光自动开启、关闭光电计时器，这样就可得到不同距离△s通过测量点（光电门所在位置）的时间Δt，然后通过作图外推法则可求出滑块过测量点的瞬时速度v。
2.加速度的测量。
当滑块在气垫导轨上做匀速直线运动时，滑块通过A、B两点（前后两点之间运动时间为
）则滑块的加速度为
（3）
实验中由外推法得到
、
，由光电计数器测出
，则可由上式计算出滑块的加速度a。
3.2实验内容及步骤
1.气垫导轨的调整。
（1）滑块静止判断法：
通气后将滑块置于导轨上的任何位置，若滑块都能静止不动（或基本上不动），则可认为导轨已调平，否则，继续调单脚螺丝，直到水平为止。
（2）滑块运动判断法：
将功能/修改键置于P2方式，滑块插上空心档光板，让运动的滑块以一定速度先后通过相距约50cm的两个光电门，若毫秒计上，显示的两个时间（E1,E3）两近似相等，则可认为导轨已调水平，否则要继续调节螺旋，直到水平为止。
（3）先打开气泵给气垫导轨送气，然后将滑块放在气垫导轨上，调节气垫导轨下的单脚螺丝，使气垫导轨处于水平状态（滑块在气垫导轨上各处都能保持静止状态或在气垫导轨上做匀速直线运动）。
2.计数器的调整。
（1）将数字毫秒计开关打开，显示屏上显示“P”，表示数字毫秒计处于待测状态。
（2）将输入选择键置于白炽灯，光电门上的小灯珠亮。
（3）将功能/修改键置于P1。
（4）将时标/预置键置于0.1ms（即显示屏上的左边第1位）。
（5）用铅笔杆对任一光电门作短暂挡光，毫秒计开始计时，显示屏上左边第1位出现“一”杆，若再档一下光，毫秒计就显示数据，表示毫秒计光电系统正常工作。
（6）按复位键进行更换测量方式。
然后重新选用功能/修改键设定仪器测量方式。
3.测量速度及加速度。
（1）在调水平后的气垫导轨单脚螺丝下加30.00mm厚的垫块，使导轨倾斜，如图3.1所示。
两块挡光板之一固定在滑块前端（沿运动方向），另一块挡光板固定于S=40.00mm左右处（参见图3.2）。
将滑块放在气垫导轨上的某一固定位置处。
图3.1气垫导轨示意图
（2）使滑块在气垫导轨上自由下滑，计数器循环显示滑块通过第一、第二光电门的时间
、
，及通过两个光电门之间的时间
。
（3）每次测量记录完毕，需进行清零。
重复测量6次，将结果记录表格中。
（4）将挡光板间距分别调为S=50.00mm、60.00mm、70.00mm、80.00mm、90.00mm左右重复上面的测量。
（注意：
固定在滑块前端的挡光板不能移动。
）
图3.2挡光板示意图
4程序实现
4.1LabVIEW实现的基本思路
速度与加速度的测量实验，基本过程可以概括为，滑块在气垫导轨上滑动经过光电门时，计时计数器上会显示三个时间，分别是滑块经过光电门1的时间t1、滑块经过光电门2的时间t2和滑块经过光电门1和光电门2之间的时间t12，重复测量6次，然后改变滑块上的遮光片的距离，再次测量。
所得的数据求平均值，然后画出XY坐标图，求出瞬时速度V10和V20，再根据这两个瞬时速度求出滑块的加速度值。
在设计的过程中，需要在前面板画出速度和加速度测量实验图，当遮光片的距离变化时，滑块上显示的遮光片距离也会随着改变，并且放置两个XY坐标图，用来实时显示测量的结果，最后就是数据处理。
4.2前面板设计
图4.1就是本次设计的前面板实验原理展示图，运用了选项卡控件，这样可以在有限的空间里放下更多的东西，使得整个前面板显得简洁明了。
实验原理中主要是本次设计的实验原理和数据处理介绍。
程序演示中包括实验仪器图，如图4.2，实验中导轨是倾斜向下的，导轨上有两个光电门。
点击运行后，点击开始，滑块将从左上角向右下角倾斜下滑，计时计数器上将会变换显示经过光电门的时间，这些数据都会在右侧的表格中记录下来。
遮光片的宽度设置为手动改变，每个组合遮光片宽度测量6次数据，测量一组后，点击改变组合遮光片宽度向下按钮，这时旁边的组合遮光片宽度会显示遮光片的宽度值，然后再次测量。
当右侧的数组中装满数据后，测量完毕。
当所有的数据都测量完之后，切换到数据处理，如图4.3，点击数据处理按钮，左下角的平均时间值和平均速度值都将会显示，右侧的两个XY图中将会显示2条曲线，再根据图中读出瞬时速度，运用物理公式，就可以求出t12的平均值，进一步可以求出加速度的测量值，加速度的理论值可以由已条件得出。
这样，有了加速度的测量值和理论值，测量结果的百分差也就求出来了。
图4.1前面板实验原理示意图
图4.2前面板程序演示示意图
图4.3前面板数据处理示意图
4.3程序框图设计
众所周知，电脑的硬件是组成电脑必不可少的东西，而软件则是电脑的“大脑”，电脑所有的运算和执行操作都是通过软件来实现的。
而程序框图也是LabVIEW的核心部分，前面板所有的能执行的操作都要经过程序框图的设计来实现。
首先来看事件结构的第0个分支。
如图4.4是滑块沿着导轨下滑的程序框图，这里用到For循环来实现，让滑块按照设定的垂直坐标和水平坐标，即XY坐标来运动，设定一个等待时间，为50毫秒，这个时间是用来控制滑块运动的快慢的。
而和i相乘的2和10，分别表示滑块沿下和右移动的数值大小，这样可以方便的调节滑块下滑的方向和角度。
上面介绍了滑块的移动，接下来的图4.5显示的程序框图则是用来测量滑块经过光电门1和光电门2以及滑块经过光电门1和2之间的时间。
这里我用一个平铺式顺序结构来做，平铺式顺序结构包括一个或多个顺序执行的子程序框图或帧，平铺式顺序结构有一个优点就是可以确保子程序框图按照一定的顺序执行。
由于我们要测量的时间有三个，所以平铺式顺序结构里用了数组插入和索引数
组，第一个顺序结构框图里测量的是滑块经过光电门1的时间t1，第二个分别设定结构框图里测量的是滑块经过光电门2的时间t2，第三个测量的是滑块经过两个光电门之间的时间t12。
分别设定等待时间100毫秒，这个等待时间和图4.4里的等待时间不一样，改变这三个等待时间，可以分别改变计时计数器上显示测量的三个时间即t1、t2、t12显示的快慢，这样能让用户操作起来更加方便上手。
图4.4滑块沿导轨下滑程序框图
由于本次实验测量的数据量比较大，共有36组数据，如果用简单的数组来放，前面板的控件将变得很大。
于是在第四个顺序结构里我用了拆分数组的方法，即创建t1、t2和t12的局部变量，连接一个拆分一维数组，再创建一个常量，用来设定数组拆分的位置，之后再创建两个显示控件。
这样，一个一维数组就被拆分为两个数组了。
位于平铺式顺序结构左侧的与之相连的，是用来设定t1、t2、t12的初始值的，如图4.6，用了创建数组来实现，给定一个常量，分别是t1、t2、t12的初始值。
由于遮光片的宽度需要改变5次，而随着每次的改变，所测得的t1、t2、t12数值也相应的改变。
如图4.7，用了一个条件结构，条件结构包括一个或多个子程序框图、分支、结构执行时，仅有一个子程序框图或分支执行。
这个条件结构里包括6个分支。
第0个分支为默认分支，里面是一个随机数连接到t1、t2和t12的初始值，使得每次测量结果的十分位都有稍微的改变，使得测量数据更可信逼真。
然后从第1个分支到第5个分支，分别根据真实实验数据加上一个常数，当在前面板点击上下页按钮时，系统会相应的运行对应分支里的程序，使测量结果更接近实际测量值。
图4.5测量滑块经过光电门的时间程序框图
事件结构的第二个分支，看到的是如图4.8的程序框图，该图表示的是当滑块运动到终点时，会自动清零，也就是回到最初下滑的位置，而实验要求也明确规定了要确保滑块每次从同一位置下滑，这样使得每次滑块经过光电门的速度基本不变，以减少实验误差。
图4.6给定测量数据的初始值程序框图
图4.7随组合遮光片宽度的变化而改变测量数据程序框图
图4.8超时清零程序框图
上图是调用了滑块的属性节点——位置，然后连接一个清零数组，这样每测量一次，滑块自动回到出发点，方便进行再次测量。
事件结构的第三个分支，如图4.9所示，第一个程序框图计算出来的是第0个遮光片宽度对应的平均时间
和
，平均速度
和
，然后复制第一个程序框图，求出剩下的五个不同宽度遮光片的平均时间和平均速度。
我们来分析第一个程序框图的构造，如图4.10所示。
从图中可以看到，用一个数组子集表示t1的第0个到第6个测量的数据，再连接一个均值函数，即可求出第0个遮光片宽度对应的t1的平均时间，再根据数据处理公式：
，可以求出v1的平均速度；和t1一样，t2也用数组子集和均值函数，求出第0个到第6个测量数据的平均时间和平均速度。
同理，可以用复制的方法求出五个不同遮光片宽度的平均时间和平均速度。
这样，数据处理的第一部分就完成了。
图4.9数据处理之求平均值程序框图
如图4.11，根据上面求出来的平均时间和平均速度，分别创建t1和t2的平均时间和平均速度的局部变量，用创建数组，把平均时间和平均速度的6个数据
都放到数组里。
然后以平均速度为Y轴，以平均时间为X轴连接到一个XY波形函数上这样在前面板就显示出平均时间和平均速度的波形函数图形。
根据前面板的两个XY坐标图读出滑块的瞬时速度V10和V20，然后做数据处理的第三部分。
如图4.12，根据公式t12的平均值：
，加速度的测量值：
，加速度的理论值：
，测量结果的百分差：
，分别做出对应的程序，求出来的结果将显示在前面板。
事件结构的第四个分支，也是最后一个分支，对应前面板的“停止”按钮，如图4.13，当前面板运行过程中需要停止时，可以点击停止按钮。
图4.10第0个遮
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