基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)研究

劉淑聰 張瑾琳

摘 要 目前一些高校實(shí)驗(yàn)資源緊缺、教學(xué)效率低下，無法滿足電子類、信號處理類等課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)要求，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)和實(shí)踐，使教學(xué)效果和學(xué)生實(shí)踐動手能力得到了極大的提高。利用LabVIEW技術(shù),開發(fā)的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)非常適合于電子類、信號處理類等課程的虛擬仿真教學(xué)，也為學(xué)生動手實(shí)踐提供了很好的機(jī)會。通過結(jié)合教學(xué)實(shí)例，說明虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對進(jìn)一步深入開展教學(xué)實(shí)踐的改革與創(chuàng)新具有重要的意義。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器 LabVIEW 電子電工 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Experiments and Practice Teaching Research on Virtual Instrument

LIU Shucong, ZHANG Jinlin

(Institute of Disaster Prevention, Sanhe, Hebei 065201)

Abstract According to the problem of laboratory resources shortage, inefficient teaching, not meeting experimental and practice teaching requirements of the electronics and signal analysis program for some college at current，the virtual laboratory are taken into the teaching and practice, and the teaching effectiveness and the practical ability of students have been greatly improved. By using LabVIEW, the virtual teaching laboratory system were ideal for virtual simulation of experimental teaching program such as electronics, signal processing and so on, and also gave opportunity for students practice. Teaching research examples showed that the virtual teaching experimental system were of great significance for further into the reform and innovation of the teaching practice.

Key words virtual instruments; LabVIEW; electronics and electrical; experimental and practical teaching

0 引言

隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，新的測試?yán)碚?、新的測試方法、新的測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)儀器顯得越來越力不從心。許多學(xué)校存在儀器設(shè)備缺乏和過時陳舊，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率低等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)科研效果。學(xué)生不能真正地掌握實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)過關(guān)的動手能力，并且通常根據(jù)學(xué)校教學(xué)要求，實(shí)驗(yàn)室所完成的實(shí)驗(yàn)都是一些簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，有些學(xué)生想要更深入地完成一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)以及一些設(shè)計性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)校一般不能提供相應(yīng)的條件。

虛擬儀器①②是電子計算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代測量技術(shù)的產(chǎn)物，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。LabVIEW③④（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。LabVIEW盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件，可充分發(fā)揮計算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器，用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。

將虛擬儀器引入到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，用LABVIEW構(gòu)建一個虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在教學(xué)中采用虛擬實(shí)驗(yàn)室，不但成本低廉、簡單易行，且交互性、可操作性和真實(shí)感與傳統(tǒng)儀器基本相同，還可減少儀器設(shè)備的損壞，降低教師的勞動強(qiáng)度，從而建立一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效果。下面結(jié)合具體的設(shè)計實(shí)例說明虛擬教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模塊建立

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真模擬，完全擺脫了硬件的限制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和要求，首先在LabVIEW環(huán)境下，分別模擬出各種實(shí)驗(yàn)儀器，其中包括虛擬信號發(fā)生器，虛擬數(shù)字示波器，虛擬頻譜分析儀，虛擬數(shù)字濾波器等實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，在此基礎(chǔ)上又構(gòu)建了三個相應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，分別為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。每一個模塊為一個獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)，以完成特定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。所有這些子系統(tǒng)模塊由一個主程序模塊來控制，主模塊則以主程序界面的形式來體現(xiàn)。此外還設(shè)置了程序的啟動模塊用以此外還設(shè)置了程序的啟動模塊用以啟動主程序。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

1.2 虛擬信號發(fā)生器

（1）功能描述。在很多情況下需要再沒有硬件的情況下對系統(tǒng)進(jìn)行仿真或驗(yàn)證系統(tǒng)是否正確，在某些情況下可能還需要通過D/A變換向硬件輸出波形，此時需要波形發(fā)生函數(shù)來模擬產(chǎn)生需要的波形。該信號發(fā)生器可按不同的需求產(chǎn)生各種各樣的波形。信號類型可以通過公式輸入產(chǎn)生各種波形，產(chǎn)生信號的頻率范圍可輸入，幅值范圍可輸入。

（2）設(shè)計步驟。

設(shè)計的前面板如圖2所示。

（3）運(yùn)行檢驗(yàn)。

設(shè)置正弦信號f =10Hz，幅值=1.0V，發(fā)生信號為sin(w*t)*sin(2*pi(1)*t)，，生成的正弦波如圖2所示。

1.3 虛擬低通濾波器

（1）功能描述。在信號傳輸過程中，由于外界的干擾，經(jīng)常會混入高頻噪聲。因此在測量信號時希望把這些來自外部的高頻噪聲信號去掉。通常的做法都是采用低通濾波器將高頻噪聲濾掉。

（2）濾波原理。信號源由一個正弦信號與一個經(jīng)過高通濾波的高頻信號迭加而成。高通濾波器的截止頻率為100Hz，即濾掉頻率小于100 Hz的低頻噪聲分量。信號濾波器為Butterworth濾波器，截止頻率為30 Hz，即濾掉頻率大于30 Hz的噪聲分量。

（3）設(shè)計步驟。添加參數(shù)輸入型數(shù)字控件，用以設(shè)置低通濾波器的低截止頻率。增加三個輸出顯示型控件，分別用以采樣頻率，采樣數(shù)，信號頻率，設(shè)計完畢的前面板如圖4所示。從圖中可以得出，不管是從時域還是頻域，低通濾波器都很好地濾掉低頻噪聲分量。前面板上的采樣頻率、采樣數(shù)、信號頻率，學(xué)生可以自行取值，前面板右側(cè)的四個圖可以直觀地顯示原信號及濾波后的信號特征。

流程圖設(shè)計。執(zhí)行functions>>analyze>>signal processing >> filter >>butterwoeth filter.vi操作，調(diào)入巴特沃斯濾波器圖標(biāo)。設(shè)計完畢的流程圖如圖5所示。

上述示例的虛擬信號發(fā)生器與低通濾波器是僅虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一部分模塊，還可以實(shí)現(xiàn)諸如虛擬示波器、函數(shù)發(fā)生器、頻譜分析儀等其他功能。

2 虛擬儀器在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

在課程綜合設(shè)計和實(shí)踐中，受實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)耗材等條件的限制，綜合性、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)比例偏少，不利于促進(jìn)學(xué)生自主創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。LABVIEW將軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，形成用戶自定義的解決方案，成為專門數(shù)據(jù)采集與儀器控制，數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計的圖形化編程軟件。非常適合學(xué)生做一些綜合性、設(shè)計性的課程設(shè)計，比如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能溫度控制系統(tǒng)、多功能數(shù)字電壓表等綜合性的設(shè)計，這些都能夠很好地提高學(xué)生的能力，促進(jìn)學(xué)生自主創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。下面以基于LABVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計為例簡單說明。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多數(shù)是以單片機(jī)作為控制核心再加上一些常用外圍電路來構(gòu)建系統(tǒng)的, 數(shù)據(jù)顯示也多是應(yīng)用數(shù)碼管記錄或應(yīng)用RS232/485等通信方式直接上傳PC機(jī)。為了改進(jìn)數(shù)據(jù)采集的速率等性能，可以采用LabVIEW和Protel兩種軟件共同設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計分為下位機(jī)數(shù)據(jù)采集部分和上位機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測部分。下位機(jī)部分主要完成溫度信息的采集功能，上位機(jī)部分通過利用LabVIEW軟件設(shè)計界面，完成將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理后實(shí)時顯示，并且可以實(shí)現(xiàn)串口調(diào)試，溫度上下限設(shè)置以及超限報警等功能。

以AT89C52單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器為核心的下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對溫度的采集和發(fā)送，通過虛擬串口軟件VSPDXP5產(chǎn)生一對虛擬串口COM3、COM4，這樣就可以將上位機(jī)和下位機(jī)連接起來實(shí)現(xiàn)對溫度的采集并且在上位機(jī)中通過虛擬儀器顯示出來。設(shè)計中采用LabVIEW實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器開發(fā)平臺，它是一個高效的圖形化程序設(shè)計環(huán)境，結(jié)合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的G編程語言，提供了一個直覺式的環(huán)境，與測量緊密結(jié)合。

2.2 基于LabVIEW的上位機(jī)界面設(shè)計

在LabVIEW中開發(fā)程序包括前面板和程序框圖兩部分。前面板如圖6所示，具有串口測試、波形顯示、數(shù)據(jù)設(shè)置以及報警等功能。

程序框圖如圖7所示。串口通信程序通過VISA來設(shè)計。程序框圖中通過VISA來配置、讀寫以及關(guān)閉串口。串口測試按鈕和數(shù)據(jù)采集按鈕通過與非門和與門來實(shí)現(xiàn)互鎖，在波形圖表前添加當(dāng)前時間設(shè)置功能。

運(yùn)行LabVIEW軟件進(jìn)行仿真測試，就可以看到由下位機(jī)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)。設(shè)置合適的溫度上下限，當(dāng)溫度超過/低于此溫度時會報警，并且上位機(jī)界面中的相應(yīng)指示燈會點(diǎn)亮。在下位機(jī)單片系統(tǒng)中，通過手動改變DS18B20上的溫度，可以在上位機(jī)界面中看到溫度隨之改變，系統(tǒng)的功能可以實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，對于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)有著廣泛的優(yōu)勢。它方便靈活而且開發(fā)周期短，可以提高實(shí)驗(yàn)效率、降低實(shí)驗(yàn)成本、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，取得較好的教學(xué)效果，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所無可比擬的優(yōu)勢。今后，在實(shí)踐教學(xué)和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計中，都可以結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，提高學(xué)生的綜合能力。此外，進(jìn)一步構(gòu)建基于虛擬儀器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，將基于虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是今后的發(fā)展方向。

注釋

① 虞惠華,俞承片.虛擬儀器(VI)——計算機(jī)在儀器領(lǐng)域的中的應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù),1997(5):19-22.

② 程雪敏,仲蓁蓁.基于LabVIEW的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機(jī)與信息技術(shù),2010(10):90-91.

③ 楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社,2005.

④ 侯國屏,王珅,葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.