虛擬儀器技術(shù)引入電工電子教學(xué)的思考

李啟尚

摘 要： 目前一些高校實驗資源緊缺、教學(xué)效率低下，無法滿足電子類、信號處理類等課程的實驗和實踐教學(xué)要求，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)和實踐中，強(qiáng)化了學(xué)生的實踐動手能力和教學(xué)效果。文章結(jié)合LabVIEW 軟件開放性對電工電子類課程教學(xué)工作給出參考思想，通過舉出 LabVIEW 設(shè)計和替代幾種常用教學(xué)儀器說明LabVIEW 在電工電子中測試儀器方面有廣泛的應(yīng)用，說明作為教學(xué)內(nèi)容將LabVIEW補(bǔ)充到教學(xué)中的必要性。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 電工電子 LabVIEW

隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子儀器測量技術(shù)中的應(yīng)用，新的測試?yán)碚?、測試方法及新的儀器機(jī)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、實驗室設(shè)備利用率低的問題，嚴(yán)重影響教學(xué)科研效果。學(xué)生不能掌握實驗方式，培養(yǎng)動手能力，并且通常根據(jù)學(xué)校教學(xué)要求，實驗室所完成的實驗都是一些簡單的實驗性實驗，有些學(xué)生想要更深入地完成一些復(fù)雜的實驗和一些設(shè)計性的實驗，學(xué)校卻不能提供相應(yīng)的條件。

虛擬儀器是一種全新的儀器概念，在自動化監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用正方興未艾，而LabVIEW是科學(xué)家和工程師進(jìn)行虛擬儀器應(yīng)用開發(fā)的首選工作平臺。將虛擬儀器引入高校教學(xué)不但可以提高教學(xué)內(nèi)容的實用性，而且可以為降低實驗儀器成本提供有效的途徑和方法。

一、傳統(tǒng)電子儀器的缺點

從普通意義上看，傳統(tǒng)電子儀器主要由三大模塊組成：即對被測信號的采集與控制、分析與處理、測量結(jié)果的表達(dá)與儲存。傳統(tǒng)電子儀器的這些功能塊都是以硬件或者固話的軟件的形式存在的，存在一些弱點。

首先，靈活性和可拓展性差。傳統(tǒng)意義的電子儀器是自封閉系統(tǒng)，具有固定的用戶界面、組成模塊和數(shù)據(jù)處理能力。

其次，成本高，技術(shù)更新慢。一般傳統(tǒng)意義的電子儀器價格較貴，動輒十幾萬幾十萬甚至更多。開發(fā)周期較長，技術(shù)更新較慢，而且存在元器件老化等問題，維護(hù)費(fèi)用高，使用壽命短。

最后，數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲功能不夠強(qiáng)大。傳統(tǒng)意義的電子儀器的圖形顯示界面比較小，依靠人工讀取數(shù)據(jù)從中獲得的信息量小。由于硬件設(shè)備的限制往往無法實現(xiàn)更靈活、更特殊的數(shù)據(jù)分析功能，更難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)編輯、存儲、打印等功能。

隨著摩爾定律的持續(xù)發(fā)展及計算機(jī)技術(shù)的日新月異，虛擬儀器系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大，這都有利于“虛擬”測量和自動化系統(tǒng)的發(fā)展。成本低廉的計算機(jī)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到實驗室的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)線上產(chǎn)品的制作過程中。個人計算機(jī)的不斷發(fā)展使得虛擬儀器系統(tǒng)成為一種低成本、高彈性的解決方案，大大提升學(xué)習(xí)效率，這是傳統(tǒng)獨(dú)立的儀器設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢。虛擬儀器正在大規(guī)模地替代傳統(tǒng)的測試儀器，尤其是在新建項目中的非測控儀器。

二、虛擬儀器的優(yōu)點

虛擬儀器的優(yōu)點很多：打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的工作模式，用戶可以根據(jù)自己的需求，設(shè)計滿足自己需要的儀器系統(tǒng)；傳統(tǒng)儀器的某些硬件被虛擬儀器中的軟件替代，克服了硬件使用時所存在的一些弊端，從而大大提高了測量精度和測量速度；傳統(tǒng)儀器一般功能單一，一種儀器只能實現(xiàn)一種功能。虛擬儀器既可以獨(dú)立使用，又可以通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜的分布式測試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程測試、監(jiān)控和故障診斷；基于軟件體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的虛擬結(jié)構(gòu)代替了基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)約儀器購買和維護(hù)費(fèi)用。

虛擬儀器是電子計算機(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)合高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbenvh）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、數(shù)學(xué)界和研究實驗室接受，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盡可能采用通用硬件，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)自己的需要定義和執(zhí)照各種儀器。

三、應(yīng)用案例

利用普通聲卡作為信號采集硬件，以美國NI公司的虛擬儀器軟件LabVIEW 8.5作為開發(fā)平臺，可以實現(xiàn)多種實驗室教學(xué)設(shè)備的設(shè)計。波形分析、頻譜分析、相關(guān)分析等信號分析理論是測試技術(shù)課程教學(xué)中的難點，傅里葉變換理論、卷積分定理等常常讓學(xué)生很頭疼。為強(qiáng)化教學(xué)效果，我們借助虛擬儀器實驗將這些理論知識進(jìn)行可視化表達(dá)。

1.虛擬示波器的實現(xiàn)

虛擬示波器對采集信號進(jìn)行時域分析，可以實時顯示波形，實現(xiàn)對信號的頻率、周期和幅值的測量。程序主體部分由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析構(gòu)成，程序使用while循環(huán)結(jié)構(gòu)。設(shè)計的函數(shù)有Sound Aquire.vi、Sound Iutput Configure.vi、Sound Iutput Start、Sound Iutput Read.vi、Sound Iutput Stop.vi、Sound Iutput Clear.vi等。

可以通過名為幅值控制和時間軸控制的旋轉(zhuǎn)鈕分別動態(tài)控制Y軸量程和X軸量程大小及測量游標(biāo)顯示的位置，同時根據(jù)通道的選擇（通道A和通道B）相應(yīng)顯示對應(yīng)的波形。設(shè)計方法主要是通過波形控件的屬性節(jié)點實現(xiàn)。

采用PC機(jī)技術(shù)、聲卡技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，實現(xiàn)了對音頻信號實時、高保真的采集與處理。整個系統(tǒng)性價比高，通用性強(qiáng)，界面友好，性能穩(wěn)定可靠。如果在置多塊聲卡并進(jìn)行工作，稍加修改該軟件，就完全可以構(gòu)成一個多通道音頻數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，滿足音頻數(shù)據(jù)采集及處理需要。如果采用筆記本電腦則無需添加任何硬件就可以構(gòu)成便攜式測量系統(tǒng)。

總之，用聲卡作為數(shù)據(jù)采集硬件，在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號發(fā)生系統(tǒng)，能夠做到擁有較高的采樣精度和中等采樣頻率，能夠把聲卡的廉價性和LabVIEW的靈活性很好地結(jié)合起來，在特定的應(yīng)用場合是一種明智的選擇。

2.虛擬頻譜分析儀的實現(xiàn)

頻譜分析是信號的一種頻域分析方法，其目的在于了解信號的頻率成分和每種成分的強(qiáng)度。該分析儀實現(xiàn)了對采集信號的幅值譜分析、相位譜分析、功率譜分析、FFT變換等功能，程序與模擬示波器的程序較為相似，都是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大部分。信號濾波部分，可以采用Butterworth濾波器進(jìn)行低通濾波，采用頻率根據(jù)需要設(shè)定，頻率的上限為200kHz，下限設(shè)為50Hz，或設(shè)為可調(diào)。信號加窗中，可以對信號進(jìn)行加窗處理，包括矩形窗、漢寧窗、漢明窗等。

3.虛擬信號發(fā)生器的實現(xiàn)

主要是結(jié)合聲卡驅(qū)動函數(shù)，在LabVIEW開發(fā)平臺下，可以產(chǎn)生雙通道信號，信號包括常用的正弦波、三角波和方波等。并且能夠?qū)崿F(xiàn)頻率粗調(diào)、微調(diào)、頻率掃描等功能。

虛擬信號發(fā)生器程序主體部分處于while循環(huán)結(jié)構(gòu)中，由while循環(huán)體現(xiàn)波形參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)緩沖音量控制和波形產(chǎn)生功能。可實現(xiàn)100Hz～15kHz范圍內(nèi)信號的實時采集、時域分析和頻域分析功能。聲卡A/D轉(zhuǎn)換性能優(yōu)越，技術(shù)成熟，配合LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集及處理功能，可構(gòu)建一個性價比高、通用性強(qiáng)、界面友好、數(shù)據(jù)存儲方便的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

測量系統(tǒng)歷來被稱為“自動化的荒島”，因為必須為每個單一的應(yīng)用專門設(shè)計一套獨(dú)立的系統(tǒng)。有了虛擬儀器系統(tǒng)，模塊化的硬件組成及開放式的工程應(yīng)用軟件可以簡單地使一套系統(tǒng)同時符合各種測量應(yīng)用的要求。

四、結(jié)語

在電工電子教學(xué)中引入虛擬儀器技術(shù)，對于加強(qiáng)實驗和實踐教學(xué)有著廣泛的優(yōu)勢。它方便靈活而且開發(fā)周期短，可以提高實驗效率，降低實驗成本，提高學(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)實驗無可比擬的優(yōu)勢。今后，在實踐教學(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)虛擬實驗室，將基于虛擬儀器系統(tǒng)實際應(yīng)用遠(yuǎn)程實驗教學(xué)是今后的發(fā)展方向。

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