LabVIEW在線性電阻電路中的應(yīng)用

周 鵬，郭旭東，宛元生，周家磊，宋 娜

（1.安徽工程大學(xué) 安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000；2.煙臺(tái)三環(huán)門業(yè)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

LabVIEW在線性電阻電路中的應(yīng)用

周 鵬1，郭旭東1，宛元生1，周家磊1，宋 娜2

（1.安徽工程大學(xué) 安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000；2.煙臺(tái)三環(huán)門業(yè)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

以線性電阻電路為例，借助于LabVIEW軟件中的“MathScript節(jié)點(diǎn)”和“求解線性方程VI”函數(shù)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)與分析，通過設(shè)置隨時(shí)改變電路中的電阻值、電壓源以及電流源數(shù)值的大小，即時(shí)觀察各個(gè)支路電流的變換情況，有助于更加清晰地理解電路現(xiàn)象，為電路知識(shí)的學(xué)習(xí)開辟一種新的途徑.

線性電阻電路；LabVIEW；MathScript節(jié)點(diǎn)；求解線性方程VI

電路在電子、電氣、電力等各種電類技術(shù)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)地位是非常重要的，對(duì)于電路知識(shí)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)在于學(xué)習(xí)和理解各種電路定理定律的內(nèi)涵，并從各類電路實(shí)驗(yàn)中觀察電路現(xiàn)象，并結(jié)合理論進(jìn)行分析，但是電路中的各種物理量的變化是看不見摸不著的，不容易直接觀察到，給直觀理解電路帶來了一定的困難.而LabVIEW以其交互性好、界面直觀、編程簡(jiǎn)單易懂等優(yōu)勢(shì)給電路知識(shí)的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和相關(guān)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)嶄新的平臺(tái)[1].LabVIEW中提供了多大600多種內(nèi)置函數(shù)，各種強(qiáng)大而又靈活的數(shù)學(xué)分析功能為電路仿真和計(jì)算提供了有力的技術(shù)支持.本文以線性電阻電路為例，借助于Lab-VIEW軟件中的“MathScript節(jié)點(diǎn)”和“求解線性方程VI”函數(shù)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)該電路的設(shè)計(jì)與分析，實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，界面清晰直觀，對(duì)線性電阻電路的分析具有一定的通用性.

1 線性電阻電路

電阻電路是以電阻、電流源、電壓源等電路元件構(gòu)成的電路，若電路中的電阻元件的伏安特性是線性的，則稱該電路為線性電阻電路.線性電阻電路是比較簡(jiǎn)單的一種電路，也是分析其它復(fù)雜形式電路的基礎(chǔ).

求解線性電阻電路的數(shù)學(xué)方法一般是通過使用代數(shù)方程或代數(shù)方程組來實(shí)現(xiàn)，其電路所遵循的基本定律是基爾霍夫電壓定律（KVL）和基爾霍夫電流定律（KCL），常用的電路分析方法有支路電流法、回路電流法以及節(jié)點(diǎn)電壓法等.對(duì)于此類線性電路電路，利用已有的成熟定律和分析方法，按照一般規(guī)律寫出方程組進(jìn)行求解即可.

而利用LabVIEW軟件來編寫程序來求解的優(yōu)點(diǎn)是，既可以搭建友好的交互界面，更加直觀的理解電路，又可以在運(yùn)行程序時(shí)，動(dòng)態(tài)地改變線性電阻電路中的元件參數(shù)，實(shí)時(shí)地觀察由于電路參數(shù)的改變所帶來的電路的影響和變化.

2 LabVIEW軟件概述

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments Corp.簡(jiǎn)稱NI公司）推出的一種功能強(qiáng)大的圖形化編程軟件.LabVIEW的獨(dú)到之處在于它使用圖形化編程語言在程序框圖中創(chuàng)建源程序，即用程序框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼，運(yùn)行方便，編程簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，界面直觀易懂[2].

LabVIEW作為自動(dòng)化測(cè)試、測(cè)量領(lǐng)域的專業(yè)軟件，在測(cè)量信號(hào)的時(shí)域分析和處理中，用戶經(jīng)常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和分析，LabVIEW內(nèi)部集成了600多個(gè)分析函數(shù)，其中包含了豐富而功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析函數(shù)節(jié)點(diǎn)，這些函數(shù)節(jié)點(diǎn)涵蓋了初等與特殊函數(shù)、函數(shù)計(jì)算與微積分、線性代數(shù)、概率統(tǒng)計(jì)、曲線擬合、最優(yōu)化等方面的應(yīng)用，為用戶的編程提供了極大的方便.LabVIEW本身所具有的強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析能力可以有力地完成對(duì)數(shù)據(jù)的各種分析和處理.

由于本文將使用LabVIEW軟件中的“Math-Script節(jié)點(diǎn)”和“求解線性方程VI”函數(shù)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)該電路的設(shè)計(jì)與分析，因此首先介紹“MathScript節(jié)點(diǎn)”和“求解線性方程VI”函數(shù)節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)使用.

2.1 “MathScript節(jié)點(diǎn)”

MathScript節(jié)點(diǎn)是LabVIEW8.0以后版本推出的面向數(shù)學(xué)的文本編程語言，它的文本描述語言為L(zhǎng)abVIEW MathScript，它是用于編寫函數(shù)和腳本的文本編程語言，一種與MATLAB語言語法極為相似的語言，熟悉MATLAB使用方法的用戶可以很方便地利用MathScript節(jié)點(diǎn)編寫出與MATLAB風(fēng)格相似的基于LabVIEW MathScript語法的腳本代碼.新的MathScript節(jié)點(diǎn)包含了600多個(gè)數(shù)學(xué)分析與信號(hào)處理函數(shù)，并增加和增強(qiáng)了豐富的圖形功能.利用MathScript節(jié)點(diǎn)在LabVIEW圖形化代碼中嵌入.m文件腳本使用戶能訪問大量的圖形化工具庫(kù)，從而進(jìn)行信號(hào)處理、分析和數(shù)學(xué)計(jì)算[3].

MathScript節(jié)點(diǎn)是內(nèi)建于LabVIEW的，可處理大多數(shù)在MATLAB或兼容環(huán)境中創(chuàng)建的文本腳本，因此用戶不需要安裝MATLAB軟件也可以正常運(yùn)行這些代碼，可以使用內(nèi)建的600多個(gè)數(shù)學(xué)分析與信號(hào)處理函數(shù).

注意，不是所有的文本腳本均有MathScript支持.另外在涉及到更具體復(fù)雜的領(lǐng)域，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析、圖形處理、小波變換、復(fù)雜混沌分析等方面，則需要結(jié)合MATLAB來實(shí)現(xiàn)[4].

在LabVIEW中使用MathScript的方法有兩種.一種是使用LabVIEW MathScript窗口，通過Lab-VIEW MathScript窗口，提供了一個(gè)交互式界面，通過它用戶可以像使用MATLAB一樣輸入m文件腳本命令，編譯運(yùn)行M腳本文件，并能立即看到運(yùn)行結(jié)果、觀察變量和命令歷史等.另一種方法是在程序框圖窗口中使用MathScript節(jié)點(diǎn)，如圖1所示.該函數(shù)節(jié)點(diǎn)VI由藍(lán)色矩形框表示，利用MathScript節(jié)點(diǎn)，用戶可以直接輸入m文件腳本語言或從文本文件中導(dǎo)入.用戶可以在MathScript節(jié)點(diǎn)的邊界定義、命名輸入和輸出，來指定圖形化LabVIEW程序和文本化MathScript節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù).本文使用第二種方法完成線性電阻電路的設(shè)計(jì).

圖1 “MathScript節(jié)點(diǎn)”

2.2 “求解線性方程VI”函數(shù)節(jié)點(diǎn)

線性方程組是可以用一個(gè)線性的方程表示的方程組，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式是AX=Y，如A為m×n的“輸入矩陣”，Y為“右端項(xiàng)”中的m個(gè)系數(shù)，X為方程組“向量解”中n個(gè)元素.“求解線性方程”函數(shù)節(jié)點(diǎn)如圖2所示.

圖2 “求解線性方程”函數(shù)節(jié)點(diǎn)

線性方程組的解具有以下特點(diǎn)[3]：

（1）由實(shí)際問題列出的線性方程組，其方程個(gè)數(shù)不一定等于未知量的個(gè)數(shù)，即m≠n.

（2）如果m>n，方程組中方程的個(gè)數(shù)多于未知量個(gè)數(shù)，方程組是超定的.滿足AX=Y的解可能不存在，VI可得到最小二乘解X，使得||AX=Y||最小化.

（3）如果m

（4）如果m=n時(shí)，如A為非奇異矩陣，即沒有任何行或列是其它行或列的線性組合，通過使“輸入矩陣”A分解為上三角矩陣U和下三角矩陣L可求解方程組X，例如：AX=LZ=Y與Z=UX可以作為原有方程組的另一種表示方法.Z也是n個(gè)元素的向量.三角方程組容易通過遞歸方法求解.因此，得到矩陣A的上三角矩陣U和下三角矩陣L后，通過LZ=Y方程組可得到Z，通過UX=Z可得到X.

（5）如果m≠n時(shí)，A可以分解為正交矩陣Q和上三角矩陣R，使得A=QR，線性方程組可以表示為QRX=Y.然后求解RX=QTY.通過遞歸方法容易求解上三角矩陣得到X[5].

3 實(shí)例分析

如圖3所示的電路中，R1，R2，R3為線性電阻，且已知R1=12歐，R2=6歐，R3=3歐.電壓源US=42伏，電流源IS=7安，參考方向如圖中標(biāo)出所示，求解圖3中流過各個(gè)電阻的電流.該電路是一典型的線性電阻電路.通過分析可知，使用支路電流法求解最為簡(jiǎn)單.

圖3 支路電流法分析電路

圖3所示的電路圖中支路數(shù)為4，但恒流源支路的電流已知，則未知電流只有3個(gè)，所以可只列3個(gè)方程.當(dāng)不需求a、c和b、d間的電流時(shí)，（a、c）、（b、d）可分別看成一個(gè)結(jié)點(diǎn).注意支路中含有恒流源.

對(duì)圖3中所示的結(jié)點(diǎn)a，應(yīng)用KCL列結(jié)點(diǎn)電流方程：

因所選回路不包含恒流源支路，所以，3個(gè)網(wǎng)孔列2個(gè)KVL方程即可.對(duì)圖3中所示的回路①和對(duì)回路②，應(yīng)用KVL列回路電壓方程：

將式（1）和（2）整理成矩陣形式的線性方程組為：

使用LabVIEW設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)求解電流，具體步驟如下.

（1）通過自定義控件的方法實(shí)現(xiàn)電阻元件來搭建電路圖.各個(gè)電阻和電壓源、電流源元件都設(shè)置成數(shù)值型輸入控件，以便參數(shù)可以根據(jù)具體要求進(jìn)行調(diào)整.

（2）在前面板上放置其他另外3個(gè)數(shù)值型顯示控件，用來表示所求的三個(gè)電流I1，I2，I3.

（3）使用“MathScript節(jié)點(diǎn)”生成線性方程組的系數(shù)矩陣和已知向量，再使用“求解線性方程VI”函數(shù)節(jié)點(diǎn)求出向量解，向量的各個(gè)元素就是所求的三個(gè)電流I1，I2，I3的值.

（4）由于該實(shí)例的參數(shù)量是帶有單位的，所以在編程是還要注意有單位數(shù)據(jù)和無單位數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，否則LabVIEW會(huì)報(bào)錯(cuò).該轉(zhuǎn)換是通過“函數(shù)”選板→“數(shù)值”→“轉(zhuǎn)換”→“單位轉(zhuǎn)換”函數(shù)節(jié)點(diǎn)“”來實(shí)現(xiàn).本實(shí)例設(shè)計(jì)分析中，電壓的單位“伏”表示為“V”，電阻的單位“歐”表示為“Ohm”，電流的單位“安”表示為“A”.

實(shí)現(xiàn)該例程的前面板和程序框圖如圖4所示.在圖4（a）所示的程序前面板中設(shè)置三個(gè)電阻、電壓源以及電流源的值分別為R1=12歐，R2=6歐，R3=3歐電壓源US=42伏，電流源IS=7安，最后求的I1=2安，I2=-3安，I3=6安.也可以在程序運(yùn)行時(shí)，通過前面板上的數(shù)值控件隨時(shí)改變電阻值和電壓源以及電流源數(shù)值的大小，即時(shí)觀察到各個(gè)支路電流的變換情況，界面非常直觀，更加清晰地理解電路現(xiàn)象，掌握電路的定律定理知識(shí).

4 結(jié)論

論文以一個(gè)簡(jiǎn)單的線性電阻電路為例，使用LabVIEW軟件中的“MathScript節(jié)點(diǎn)”和“求解線性方程VI”函數(shù)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)該電路的支路電流法設(shè)計(jì)與分析，實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方法求解簡(jiǎn)單，界面清晰明了，對(duì)線性電阻電路的分析包括回路電流法、節(jié)點(diǎn)電壓法等方法都具有一定的通用性.通過設(shè)置前面板上的數(shù)值控件，就可以隨時(shí)改變與之對(duì)應(yīng)的電阻值、電壓源以及電流源數(shù)值的大小，即時(shí)觀察到各個(gè)支路電流的變換情況，有助于更加清晰地理解電路現(xiàn)象，掌握電路的定律、定理，為電路知識(shí)的學(xué)習(xí)開辟了一種新的途徑，在復(fù)雜電路分析與求解中具有實(shí)際的顯著效果.

〔1〕陳國(guó)順，張桐，郭陽寬，王正林.精通LabVIEW程序設(shè)計(jì)（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012．

〔2〕周鵬.基于DSP和LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)研究[D].煙臺(tái)大學(xué)，2007．

〔3〕NATIONAL INSTRUMENTS．LabVIEWTM User Manual[R]．Autin Texas USA，April 2003 Edition.

〔4〕Mathscript編程指南[EB/OL]．www.gsdzone.net/ community，2011．

〔5〕鄭對(duì)元，等.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012．

TP911.72

A

1673-260X（2014）04-0051-03

2012年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目基金（201210363130，201210363126，201210363119）