基于LabVIEW的大学物理虚拟实验设计——以“单臂电桥法测电阻”为例

刘 科，周晓林，万德志，李 玲

（四川师范大学，四川成都 610066）

基于LabVIEW的大学物理虚拟实验设计
——以“单臂电桥法测电阻”为例

刘 科，周晓林，万德志，李 玲

（四川师范大学，四川成都 610066）

单臂电桥法测电阻实验是理工科大学物理基础实验之一，在实验教学中占有重要的地位。基于虚拟仪器开发平台（Lab VIEW），制作了单臂电桥法测电阻实验并投入实验教学，取得良好的实验效果。

虚拟实验；Lab VIEW

1 虚拟实验设计思路

1.1 Lab VIEW的虚拟仪器开发平台

Lab VIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）实验室虚拟仪器开发平台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。在labview中，用户界面被称为前面板，与前面板对应的是程序框图面板，前面板上的每一个空间都对应于程序框图中的一个对象，可以在程序框图中，使用图标和连线通过编程的方式对前面板上的对象进行控制。

Labview程序被称为VI（virtual instrument），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。

1.2 单臂电桥法电阻的实验原理

直流单臂电桥的电路如图1所示，被测电阻Rx和标准电阻Ro，R1，R2构成电桥的四个臂。

在CD端加上直流电压，AB间串接检流计G，用来检测其间有无电流（即A、B两点有无电势差）。“桥”指AB这段线路，它的作用是将A、B两点的电势直接进行比较，以确定电桥的平衡状态。

当电源接通后，电路中将有电流通过，并分别在各桥臂的电阻上产生电压降。在一般情况下，A、B两点间将有电位差，因而，有电流Ig通过检流计，使检流计指针偏转。适当调节R1、R2或R0的电阻值，可以使A、B两点的电位相等，检流计中无电流通过，即Ig＝0，称电桥达到了平衡。这时，电桥四个臂上电阻的关系为：

图1 单臂电桥法实验原理图

1.3 设计思路

（1）在labview中提供了一种自定义控件的技术，自定义控件是通过对labview提供的基础控件的显示图片，颜色，大小及各元素的相对位置的更改来实现的。通过自定义控件可以让界面更加的形象逼真，譬如可以将一个数值控件改装成一个滑线变阻器。

（2）在labview 8.5后的版本中提供了一种xcontrol技术，该技术不但能够自能够自定义控件的外观，还能够自定义控件的功能。譬如，实验中的电流计和电阻箱程序就可以通过xcontrol控件技术做成一个xcontrol。

（3）labview有着非常强大的计算能力。在该实验中各支路的电流可以直接通过矩阵求解基尔霍夫方程组。

基于此，我们利用Lab VIEW设计制作了单臂电桥法测电阻虚拟实验，直观生动，效果良好。

2 虚拟实验的程序设计及应用

2.1 设计步骤

2.1.1 自定义电池和电阻

在前面板上放置一个水平指针滑动杆，右键单击该控件，选择高级／自定义，则可以自定义该控件了。切换至编辑模式后选择鼠标右键单击，在弹出的右键菜单中选择从文件导入项，将事先准备好的滑线变阻器滑标图片导入进来，同样的方法导入减少像素，增加像素及衬底部分的图片，然后将一些不需要显示的部件透明化，同样的方法可制作出电阻的自定义控件，最终效果见图2和图3。

图2 滑线变阻器

图3 电阻

2.1.2 利用xcontrol技术制作电流计和电阻箱（1）电流计的制作

在物理实验中，电表是经常使用的实验仪器，我们知道像电表这类仪器功能比较复杂，这个时候，单纯利用自定义控件就不能制作出我们想要的实验仪器的功能，我们可以考虑labview中的xcontrol技术，这种技术不但能够自定义所需仪器的界面外观，还可以自定义仪器的行为。下面以一个简单的指针式电流计（该电流表有三个接线端一个负极，一个接线端接到量程为-500 u A～500 u A，另外一个量程为（-500 n A～500 n A）为例来介绍一下x control的制作方法。接线柱可以用布尔开关来表示，指针显示电流大小可以用数值控件中的仪表控件来表示。

a.前面板的制作

在本例中电流表实际上是一个数值显示控件，所以该控件的data.ctl文件中放置一个数字控件（这里不需管它，因为labview的data.ctl文件中默认的数据类型就是数值型），在这里主要是对外观文件进行编辑。打开faɕade.vi文件，首先把制作好的三个表示接线柱的布尔开关和一个仪表控件放到前面板上，见图4，为了使电流表看起来更真实，可以将放置一个表示电流表的图片作为背景，然后将一些与电流表不需要的部分透明化处理，最终结果如图5。

图4 电流计前面板整理前

图5 电流计前面板整理后

b.程序框图的编辑

在该xcontrol中，实际上要处理的有两种事件，一种是用户事件，当用户用鼠标点击那三个接线柱时，更新xcontrol的外观，另一种需要处理的事件是当输入数据到该xocntrol的实例时（即数据更改事件），更新该xcontrol上的控件显示状态。其中数据更改的代码见图6。

图6 电流计数据更改代码

用户单击接线柱按钮事件代码见图7。

图7 用户事件鼠标释放代码

（2）电阻箱的制作

a.电阻箱的前面板制作

电阻箱的旋钮可以用旋钮控件和图片枚举控件两个控件一起来表示，先将准备好的表示电阻箱十个指示状态的图片放到图片枚举中，然后将旋钮控件与图片枚举控件放到一起，将旋钮透明化处理，在程序框图中把旋钮的值赋给图片枚举控件显示，实际上我们调节的是旋钮的数值，但是我们看到的确实旋钮图片在旋转。前面板见图8。

图8 电阻箱整理后前面板

b.电阻箱的程序框图设计

当旋转旋钮开关时，改变电阻箱的数据，同时更新电阻箱的界面，所以电阻箱的xcontrol只需要处理用户事件即可，代码见图9。

图9 用户事件旋钮只改变代码

2.1.3 单臂电桥测电阻的主程序设计

（1）前面板的设计

图10 单臂电桥最终实验前面板

通过前面的一些准备工作，现在就可以轻松地实现单臂电桥测电阻的实验了。新建一个Vi，命名为“单臂电桥法测电阻.Vi”，在前面板上放置一个选项卡控件，将前面制作好的电流计，电阻箱以及电阻放到选项卡控件的实验界面上，对其进行一番修饰后最终效果见图10。

（2）程序框图的设计

根据单臂电桥法测电阻的实验原理图，利用基尔霍夫定律，可以很快的列出该基尔霍夫方程组，然后利用矩阵求解，算出各个支路的电流。在这里实际上存在的问题是如何表示矩阵，其实可以先先创建一个矩阵常量，然后通过设置矩阵元素函数对矩阵中几个变量（即输入控件）的值赋给该矩阵即可。代码见图11。

图11 单臂电桥测电阻主程序代码

2.2 单臂电桥法测电阻虚拟实验运行效果

通过前面的工作，单臂电桥法测电阻的实验已经完成了，点击前面板上的运行按钮，程序将进入操作说明的界面，见图12；当用鼠标点击实验原理时，将会链接到实验原理界面，见图13；当点击实验界面时，链接到如下实验界面图14，此时，电源开关处于断开状态，电表未接入，当闭合电路开关，并点击电表的接线柱，将电表接入电路中时，假设，R1＝R2＝RX＝100，当调节电阻箱的阻值时，电流表会显示相应的电流值。见图15～17。

图12 实验操作说明界面

图13 实验原理界面

图14 电源断开时实验结果图界面

图15 当电阻箱的阻值大于100

图16 当电阻箱的值小于100

图17 当电阻箱的值等于100

3 发布应用程序

到目前为止，程序设计已完成，实验结果已经出来了。但是，由LabVIEW编写出来的vi源文件只能在Lab VIEW的开发环境下被打开运行，我们必须把它生成在windows等平台上能够运行的独立可执行文件。在Lab VIEW中有一个应用程序生成工具：LabVIEW application builder，该工具不仅能够生成独立可执行文件和安装包，还能够生成动态链接库（.dll），发布源代码或zip文件。

3.1 生成独立可执行应用程序

将所有的Vi与支持文件都添加到项目中并保存项目中的所有vi，确保项目中的所有Vi都能正确执行。完成好准备工作后，在项目文件左侧的树目录下的程序生成规范上右击，选择新建／应用程序（exe），在弹出的对话框中输入exe文件的各种信息，将所有的准备做好后单击生成按钮，则可生成独立的可执行文件。

3.2 生成安装程序

成功生成可执行文件后，可以将可执行文件和相关支持软件（如Lab VIEW run-time引擎或硬件驱动）打包在一起作为一个安装程序发布。这样可以避免让用户再单独的安装Lab VIEW run-time引擎或硬件驱动。因为，Lab VIEW中发布的可执行文件只能在Lab VIEW run-time引擎下运行。

4 结 论

通过Lab VIEW中的自定义控件以及xcon-trol控件技术可以很方便的制作逼真的仪器外观和行为，还能够根据用户的爱好设置自己想要的仪器界面，并将实验数据实时显示在仪器上，省去了学生在课堂上进行大量的实验数据处理步骤，提高了教学效率。经过调试，程序能够顺利运行，效果良好，可以确保系统能够满足相关课程的实验要求。虚拟实验的设计制作为我们制作物理实验课件提供了巨大的方便，更重要的是，节省了购买硬件的成本。

［1］ 谢东波，高云，余成波.基于labview的虚拟实验室研究［J］.试验技术与试验机，2007，3：40-43.

［2］ 杨振江，智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2001.

［3］ 郭桂叶.中学物理实验教学现状及对策研究［J］.河南教育学院学报：自然科学版，2005，14（4）：87-89.

［4］ 杨乐平，海涛，杨磊.Lab VIEW程序设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［5］ 陈锡辉，张银鸿.Lab VIEW8.20程序设计从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［6］ 张桐，陈国顺，王正林.精通Lab VIEW程序设计［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［7］ 阮奇桢.我和labview［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

Design of the Physics Virtual Experiment Based on LabVIEW and Take“Wheatstone Bridge Method to Measure the Resistance”for Example

LIU Ke，ZHOU Xiao-lin，WAN De-zhi，LI Ling

（Sichuan Normal University，Sichuan Chengdu 610066）

The experiment of Wheatstone bridge method to measure the resistance is one of experimental bases for the science and engineering subject，which playing an important role.In order to apply virtual instrumentation to the teaching，based on virtual instrument（Lab VIEW）.We made the experiment of Wheatstone bridge method to measure the resistance and put into experimental teaching，which obtained good experimental results.We will exploit series of virtual experiment system in times to come.

virtual experiments；Lab VIEW

TP391.9

A

1007-2934（2011）06-0081-05

2011-09-13