NI ELVIS 在電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

汪 源，王連勝，梁志勇

(三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022)

NI ELVIS II 虛擬儀器教學(xué)實驗套件(Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，ELVIS)是美國國家儀器公司(NI 公司)于2008 年推出的一套基于LabVIEW 軟件設(shè)計和原型開發(fā)的實驗教學(xué)平臺。它與電路仿真系統(tǒng)的Multisim 軟件相整合，簡化了電路設(shè)計教學(xué)。此外，NI ELVIS II 虛擬儀器教學(xué)實驗套件由圖形化設(shè)計語言LabVIEW 進(jìn)行編程，并通過原型開發(fā)板的設(shè)計，滿足特殊的教學(xué)需求。

由于NI ELVIS II 具有集成度高、擴展性強、性能優(yōu)越、便于設(shè)計電路及測量結(jié)果等特點，將NI ELVIS II 引入電工電子技術(shù)的理論教學(xué)中，可以大大提升學(xué)生理解力和學(xué)習(xí)積極性，也為復(fù)雜理論教學(xué)提供實驗支持［1－6］。

1 ELVIS II 簡介

2004 年NI 公司推出NI ELVIS 教學(xué)平臺，2008年6 月，在NI ELVIS 教學(xué)平臺的基礎(chǔ)上推出了改進(jìn)版NI ELVIS II 教學(xué)平臺。NI ELVIS II 教學(xué)平臺基于強大的LabVIEW 圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件，集成了多個實驗室常用通用儀器的功能，實現(xiàn)了教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實驗設(shè)計一體化。只需要一臺NI ELVIS II 就可以實現(xiàn)以下12 種實驗室常用儀器的功能:任意波形發(fā)生器、波特圖分析儀、數(shù)字信號監(jiān)視儀、數(shù)字信號記錄儀、數(shù)字萬用表、動態(tài)信號分析儀、函數(shù)發(fā)生器、阻抗分析儀、示波器、兩線電流電壓分析儀、三線電流電壓分析儀、可調(diào)電源［7－8］。同時，NI ELVIS II 教學(xué)平臺與Multisim 仿真軟件相整合，通過“先仿真后實現(xiàn)”的原則，大大提高了電路設(shè)計的效率。此外，將NI ELVIS II與第三方板卡以及課程資源套件結(jié)合在一起，可教授控制設(shè)計、通信以及微控制器概念［8］。

2 ELVIS II 在電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

NI ELVIS II 教學(xué)平臺將LabVIEW 和NI 的DAQ 設(shè)備相結(jié)合，綜合應(yīng)用得到一個教學(xué)實驗平臺。該實驗平臺插入一塊原型實驗面板，非常適合教學(xué)實驗和電子電路原型設(shè)計與測試，以便完成電路分析、電工學(xué)、電子技術(shù)、信號處理、物理等學(xué)科課程的學(xué)習(xí)和實驗。

用戶可以在LabVIEW 軟件環(huán)境中編寫應(yīng)用程序以適合各自的設(shè)計實驗，它不僅適用于理工科實驗室內(nèi)作為常規(guī)通用儀器使用，還可進(jìn)行電子線路設(shè)計、信號處理及控制系統(tǒng)分析及設(shè)計。

“直流電動機”是電工電子技術(shù)課程教學(xué)中非常重要的內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的理論課通過多媒體課件展示直流電動機的原理和結(jié)構(gòu)，對于直流電動機的控制、轉(zhuǎn)速的測量等部分內(nèi)容卻無法在課堂中形象地展示出來。

利用NI ELVIS II 教學(xué)平臺和小型直流電動機，我們設(shè)計并實現(xiàn)了“直流電動機控制、測量實驗”。實驗的設(shè)計分為兩大部分:硬件電路系統(tǒng)和軟件設(shè)計系統(tǒng)，分別如圖1 和圖2 所示。

1)硬件電路系統(tǒng)由NI ELVIS II 教學(xué)平臺、小型直流電動機和紅外光電開關(guān)三部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。NI ELVIS II 教學(xué)平臺為直流電動機提供－5 ～5 V可調(diào)直流電源(控制直流電動機的轉(zhuǎn)速及方向)，為紅外光電開關(guān)提供5 V 直流電源，直流電動機帶動碼盤轉(zhuǎn)動，碼盤通過紅外光電開關(guān)后產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)量信號，并傳送回NI ELVIS II 教學(xué)平臺。

圖1 直流電動機控制、測量實驗硬件系統(tǒng)

圖2 直流電動機控制、測量實驗軟件系統(tǒng)

圖3 硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2)軟件設(shè)計系統(tǒng)利用LabVIEW 軟件編程通過計算機與NI ELVIS II 教學(xué)平臺的聯(lián)接，控制可調(diào)直流電源的大小和極性，從而控制直流電動機的轉(zhuǎn)速及方向。NI ELVIS II 教學(xué)平臺將紅外光電開關(guān)的開關(guān)量信號傳輸給計算機，在LabVIEW 軟件中以圖像形式顯示，并通過軟件編程從開關(guān)量信號中得出直流電動機平均轉(zhuǎn)速的信息，以數(shù)字形式顯示。

此外，使用NI ELVIS II 教學(xué)平臺幾乎可以實現(xiàn)電工電子技術(shù)課程絕大部分教學(xué)實驗，包括:電路元件伏安特性測試、簡單電路電流和電壓的測量、基爾霍夫定律的驗證、疊加原理的驗證、戴維南定理的驗證、交流阻抗參數(shù)的測量和功率因數(shù)的改善、RC 暫態(tài)電路電壓隨時間的變化、RLC 串聯(lián)諧振電路的研究、RC 選頻電路的設(shè)計、積分電路和微分電路的設(shè)計等。避免了因?qū)嶒炂鞑娜鄙賹嶒炿y以開展的問題，大大節(jié)約了成本。

圖4 溫度檢測實驗系統(tǒng)

圖5 射頻信號檢測實驗系統(tǒng)

NI ELVIS II 教學(xué)平臺不僅可用于電工電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)，還可用于《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》《通信原理》等專業(yè)課程教學(xué)，溫度檢測實驗及射頻信號檢測實驗如圖4 和圖5 所示。

3 ELVIS II 教學(xué)平臺在電工電子技術(shù)課程教學(xué)中的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的實驗臺相比，在電工電子技術(shù)課程教學(xué)中使用NI ELVIS II 教學(xué)平臺，有以下優(yōu)越性:

1)集成度高:NI ELVIS II 教學(xué)平臺集成了12種實驗室常見儀器的功能，真正實現(xiàn)了12 種儀器的無縫集成，大大提高了教學(xué)平臺的功能及實驗項目開發(fā)的效率;

2)擴展性強:NI ELVIS II 教學(xué)平臺的絕大部分功能都是基于開發(fā)板的電路設(shè)計及LabVIEW 軟件編程實現(xiàn)的。其功能的擴展性非常強大，可以滿足測量與儀器、控制、自動化、通信、電子信息、電路及嵌入式等領(lǐng)域的教學(xué)需求;

3)性能優(yōu)越:NI ELVIS II 教學(xué)平臺產(chǎn)生的信號準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好，采集信號實時性好、噪聲低、精度高，對于采集信號的分析準(zhǔn)確;

4)體積小，便于攜帶:由于NI ELVIS II 教學(xué)平臺的高集成度，決定了其體積小，便于攜帶的優(yōu)勢，非常適合于理論課堂教學(xué)的演示。

將NI ELVIS II 引入電工電子技術(shù)的理論教學(xué)中，不僅可以大大提升學(xué)生對理論知識的理解力，而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及創(chuàng)造性，把所學(xué)的知識靈活應(yīng)用。因此，ELVIS II 教學(xué)平臺必將會在電工電子技術(shù)課程教學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。

［1］吳曉男. 高校虛擬實驗室的構(gòu)建［J］. 國外電子測量術(shù)，2006，25(12):37－39.

［2］葉德云，曹薇. 基于LabVIEW 的虛擬儀器在教學(xué)中應(yīng)用［J］. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2004，17(6):59－60.

［3］蔣書波，徐啟.ELVIS 在實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］. 國外電子測量技術(shù)，2007，26(9):59－61.

［4］黃昆，郝小江.USB NI ELVIS 平臺在高校教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用［J］. 電子設(shè)計工程，2009，7(1):72－73.

［5］姚婭川，王茜，賈金玲. 虛擬儀器在實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］. 中國測試技術(shù)，2003，29(4):50－52.

［6］李君.NI ELVIS 在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］. 信息技術(shù)，2011，3，165－167.

［7］ NI 公司. 選用NI ELVIS II 的十大理由［EB/OL］.(2011－09－15)［2011－10－14］.http://www. ni.com/white-paper/7159/zhs.

［8］ NI 公司.NI ELVIS 插入式板卡院校信息套件［EB/OL］.(2009－04－29)［2011－10－14］.http://www.ni.com/white-paper/8658/zhs.