5）虚拟仪器（NI ELVIS）基础实验
[实验目的]
1．了解虚拟仪器概念
2．学习NI ELVIS软面板仪器的使用，并进行实际测量
3．了解G语言，LabVIEW编程初步
[实验原理]
一．虚拟仪器简介
1．软件即仪器
虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是基于计算机的软硬件测试平台。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。
20世纪80年代，随着计算机技术的发展，个人电脑可以带有多个扩展槽，就出现了插在计算机里的数据采集卡。它可以进行一些简单的数据采集，数据的后处理由计算机软件完成，这就是虚拟仪器技术的雏
形。1986年，美国National Instruments公司（简称NI公司）提出了“软件即仪器”的口号，推出了NI-LabVIEW开发和运行程序平台，以直观的流程图编程风格为特点，开启了虚拟仪器的先河。
2．与传统仪器比较
虚拟仪器
∙使用者定义功能
pane∙软件定义的界面
∙网络/互联网的连接传统仪器
∙制造商定义功能
∙固定的界面
∙有限的扩展功能
3．LabVIEW图形化开发环境
LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境。它功能强大且灵活，包含内容丰富的数据采集、分析、显示和存储工具。LabVIEW用于实现对实际物理量的采集、分析和表达，利用它可以方便快捷地建立自己的虚拟仪器。以LabVIEW为代表的图形化程序语言，又称为G语言。使用这种语言编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。
LabVIEW与虚拟仪器有着紧密联系，在LabVIEW中开发的程序都被称为VI（或虚拟仪器），其扩展名为vi。VI包括三个部分：前面板（Front Panel）、程序框图（Block Diagram）和图标/连接器（Icon and Connector Pane）。
程序前面板用于设置输入数值
和观察输出量，用于模拟真实仪表的
前面板。在程序前面板上，输入量称
为控制器（Control），输出量称为显
示器（Indicator）。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。
程序框图是定义VI功能的程序源代码。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW
前面板和程序框图
图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。
图标/连接器是子VI 被其它VI 调用的接口。图标是子VI 在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连
接器则表示节点数据的输入/输出口，就象函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。连接器一般情况下隐含不显示，除非用户选择打开观察它。
二．DAQ （Data Acquisition 数据采集）系统组成
DAQ 系统从真实世界捕捉、测量并分析物理量。数据采集是从传感器等设备收集和测量电信号，并将它们送到计算机进行处理的过程。数据采集也可以包括模拟或数字控制信号的输出。
一个DAQ 系统的基本组成部分包括下列条目：
∙ 传感器、变换器——将物理量如光、温度、压力或声音转变为可测量的电信号的装置。
∙ 信号——DAQ 系统传感器、变换器的产物。
∙ 信号调理——连接到DAQ 设备的硬件，改善准确性或减小噪音、使信号适合于测量。最常用的信号调理包括放大、线性化、隔离和滤波。 ∙ DAQ 硬件——用于获取、测量和分析数据的硬件。 ∙ 软件——完成测量和控制应用程序的设计和编程。
[实验仪器]
NI ELVIS 简介（NI ELVIS ——Educational Laboratory V irtual Instrumentation Suite ）
1）DAQ
卡——PCI-6014
∙ 8路差分AI 通道，分辨率16位，采样率200 kS/s
∙ 两路AO 通道，输出率10kS/s ∙ 8路DIO 线 ∙ 两路定时器/计数器 ∙ 数字触发
数据获取和分析硬件
传感器 变换器
信号调理
个人 计算机
软件
图标    连接器
2）NI ELVIS Benchtop 工作台
Benchtop 工作台和DAQ 设备仪器构成完整实验系统。工作台上的前面板提供用于函数发生器和可变电
源的旋钮，并且为NI ELVIS-示波器SFP 和NI ELVIS-数字万用表SFP 提供BNC 和香蕉插座。Benchtop 工作台带有一个保护板，用于保护DAQ 卡。
3）NI ELVIS 实验板
NI ELVIS 实验板连接在Benchtop 工作台上。实验板上带一块面包板，可以用于建立电子电路，并提供应用程序与信号间的必要连接。
工作台前面板
2．NI ELVIS 软件
1）SFP 仪器
∙Digital Multimeter (DMM)—数字万用表
∙Oscilloscope (Scope)—示波器
∙Function Generator (FGEN)—函数发生器
∙Variable Power Supplies (VPS)—可变电源
∙Bode Analyzer—波特图分析器
∙Dynamic Signal Analyzer (DSA)—动态信号分析仪
∙Arbitrary Waveform Generator (ARB)—任意波形发生器
∙Digital Bus Reader—数字总线读取器
∙Digital Bus Writer—数字总线写入器
∙Impedance Analyzer—阻抗分析仪
∙Two-Wire Current Voltage Analyzer—双线伏安特性分析仪
∙Three-Wire Current Voltage Analyzer—三线伏安特性分析
仪
2）LabVIEW API
∙用于NI ELVIS硬件编程的四个功能部件：DIO、DMM、FGEN和VPS。
[实验内容]
1．NI ELVIS实验题目
∙基本电学量测量、RC电路瞬态过程
∙用热敏电阻实现数字温度计
∙AC电路工具——复阻抗、波特图
∙运放滤波器频率特性
∙数字I/O——4位计数器
∙用磁场开关传感器实现脉冲计数
∙用LED模拟十字路口红绿灯控制
∙自由空间光通信
∙射频无线通信
∙机械运动——测电机转速
2．简单的LabVIEW编程
(1)熟悉LabVIEW编程环境并创建一个简单的VI程序
①从模板中打开一个新的VI
LabVIEW提供很多模板，可以根据它创建你的VI。
启动LabVIEW。在LabVIEW对话框中，单击New。在Create new列表中，选择VI from Template»Tutorial (Getting Started)»Generate and Display。单击OK打开模板。
察看VI的前面板和程序框图。用户界面或前面板看起来带有灰背景，并包含控件和显示器。程序框图带有白背景，并包含多个VI和结构，控制前面板上的对象。
可以通过选择Window»Show Front Panel来显示前面板。通过选择Window»Show Block
Diagram来显示框图程序。
在前面板的工具栏中，单击运行（Run）按钮，图中显示正弦波。按前面板上的STOP按钮停
止VI。虽然中断执行（Abort Execution）按钮看起来像停止按钮，但只有出现程序错误，按STOP 不能终止程序时，才用它。
②在前面板上添加一个控件
前面板上的控件模拟真实仪器上的输入设备，并为VI程序框图提供数据。很多真实仪器有旋钮，可以旋转它改变输入值。
控件（Controls）模板（如图所示）
如果在前面板窗口看不见Controls模板
窗口，选择Window»Show Controls Palette
来显示它。
将鼠标在控件模板中的图标上移动，停
到Numeric Controls模板。注意当指针位于
控制模板中的图标上时，在图标上方的灰区
域会显示出子模板的名称。当指针停在模板的某个图标上时，会显示出子模板、控制器或显示器的全名。
单击Numeric Controls图标打开Numeric Controls模板。从Numeric Controls模板中选取旋钮控件，并将它放在前面板波形图的左边。在后面的练习中将使用这个旋钮控制信号的幅度。选择
File»Save As将Acquiring a Signal.vi存盘。
③改变信号类型
程序框图中有一个标记着Simulate Signal的蓝图标，代表模拟信号迅捷VI （Simulate Signal Express VI）。Simulate Signal Express VI默认产生一个正弦信号。下面将这个信号改为锯齿波。
切换到程序框图窗口。迅捷VI（Express VI）是程序框图的组成部分，可以对它进行配置以执行通用测量任务。右键单击Simulate Signal Express VI，并从快捷菜单中选择Properties显示Configure Simulate Signal对话框。从Signal type下拉菜单中选择锯齿波（Sawtooth）。注意在Result Preview 部分图中的波形变为锯齿波。单击OK 按钮应用当前配置。
将鼠标指针移动到Simulate Signal Express VI底部向下的箭头处。出现双向箭头
时，见图示，按下并拖动Express VI 的边框，直到出现幅度（Amplitude）输入，此时
可以在程序框图中配置锯齿波的幅度。
④在程序框图中的对象之间连线
要使用旋钮控件改变信号幅度，必须将程序框图中的两个对象连接起来。
将鼠标指针移动到Knob端子，直到显示出定位工具。使用定位工具可以选取、布置、缩放对象。选取Knob端子，然后将它拖到循环中Simulate Signal Express VI的左边。端子代表前面板上的