利用虛擬儀器平臺遠程開展“電工電子實驗”教學

朱利香,羅瑞瓊,彭衛(wèi)韶

(中南大學 自動化學院, 湖南 長沙 410083)

0 引言

NI虛擬儀器平臺功能強大，有圖形化編程環(huán)境LabVIEW、虛擬儀器編程環(huán)境、測試執(zhí)行管理軟件TestStand、儀器控制接口GPIB、數(shù)據(jù)采集設備DAQ、圖像采集設備IMAQ、運動控制設備Motion、數(shù)據(jù)管理軟件DIAdem和仿真工具Multisim。目前NI虛擬儀器平臺應用比較廣泛，著名的手機廠商、汽車廠商、無線通信公司等都已在采納NI的測試測量技術，但其價格昂貴，在大學教育中，實際能學習接觸其技術的學生較少。目前遠程實驗教學方式大多以虛擬仿真為主，學生不能接觸到實際電路、不能自己動手測量，實驗效果較差。本文研究旨在利用虛擬儀器平臺、電腦遠程控制、監(jiān)控攝像頭等設施遠程開設虛實結合“電工電子實驗”教學，將實際電路實驗課堂引入到遠程教學中，提高“電工電子實驗”遠程教學的質量，達到人才培養(yǎng)的目的。

1 遠程監(jiān)控實驗系統(tǒng)構架與流程

遠程監(jiān)控實驗系統(tǒng)主要由實驗箱及數(shù)據(jù)采集卡、計算機云服務器和學生用戶端三大部分組成，其工作流程如圖1所示。

首先，在教學主機內運行基于LabVIEW的數(shù)據(jù)監(jiān)控采集程序，通過DAQmx數(shù)據(jù)采集中的相關節(jié)點搭建的程序獲取傳感器的數(shù)據(jù)，同時采集的數(shù)據(jù)通過Database Connectivity Toolkit的相關節(jié)點實時傳輸?shù)皆品掌鞯腗ySQL數(shù)據(jù)庫中，而LabVIEW和MySQL數(shù)據(jù)庫的連接是通過開放數(shù)據(jù)庫連接(Open Database Connectivity,ODBC)建立的。GVI應用程序會通過GDatabase相關節(jié)點實時地讀取數(shù)據(jù)庫中最新的數(shù)據(jù)，學生打開的網(wǎng)頁實質上是基于LabVIEW NXG所做的WebVI，它是通過云服務器的服務發(fā)布的，它也能通過SystemLink數(shù)據(jù)服務實時訪問NI Web服務器中的數(shù)據(jù)，從而將遠程實驗數(shù)據(jù)實時地顯示在網(wǎng)頁上，達到遠程實驗的目的。有了SystemLink數(shù)據(jù)服務與NI Web服務器的幫助，將實驗結果顯示到學生端的網(wǎng)頁上并可供學生下載編寫實驗報告。

圖1 遠程監(jiān)控實驗系統(tǒng)工作流程圖

為提高設備的利用率，遠程操作時間可以為全天候。為防止遠程操作實驗沖突，設計遠程操作預約制度。學生必須持有教師發(fā)放的操作碼預約實驗，且在規(guī)定的預約時間內完成實驗。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)具體實現(xiàn)

2.1 硬件與軟件的設置

遠程教學除了需要網(wǎng)絡、電腦、監(jiān)控攝像頭等硬件外，還需要有與電腦通信的硬件平臺、教學軟件。

實驗課前應精心準備實驗設備。首先安裝好監(jiān)控攝像頭，通過攝像頭可以清晰觀看到NI-ELVIS平臺，攝像頭主要為學生提供一種實時平臺及電路觀測，讓學生感覺如在現(xiàn)場，同時根據(jù)該界面可觀測電路線路連接正確與否。之后完成電腦遠程設置，遠程控制可以使用Windows遠程桌面，也可安裝其他軟件，以利于學生在局域網(wǎng)內遠程使用實驗室計算機。計算機系統(tǒng)盤處于保護狀態(tài)，C盤不允許修改、刪除數(shù)據(jù)及軟件。選擇合適的軟件會使課程教學事半功倍，本課程實驗教學過程中使用NI LabVIEW。

數(shù)據(jù)采集及實驗箱平臺利用一體化的NI-ELVIS平臺。NI-ELVIS平臺面板上安裝有多個實驗項目，在電工電子實驗課程中，采用傳統(tǒng)元器件搭接與這種虛擬儀器相結合的創(chuàng)新型模式。設置教學主機系統(tǒng)時，可借用智能家居控制方法遠程控制實驗室電源開關、NI-ELVIS平臺開關，這樣教師可根據(jù)具體情況遠程控制平臺開放的時間。

下面以救護車音響電路為例，介紹其實施過程。學生不能來實驗室搭接電路圖，由教師連接實驗電路，在電路連接過程中，可介紹元件、電路設計、實驗要求、實驗測試點等知識，且錄制視頻放在電腦桌面上，供學生學習，如圖2所示。將NI-ELVIS平臺與教學主機數(shù)據(jù)線連接好，在MAX中配置并檢測數(shù)據(jù)采集硬件，將救護車音響電路輸出測試點連接至平臺I/O端，教學主機配置完成。

圖2 NI-ELVIS平臺

2.2 數(shù)據(jù)采集

虛擬儀器技術的核心思想是利用計算機對現(xiàn)實世界中的各種物理量進行測量，其中最基本的一步工作就是將被測物理量通過數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)采集到計算機中。本文利用NI公司的NI-ELVIS數(shù)據(jù)采集卡平臺，以LabVIEW作為軟件開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。LabVIEW軟件開發(fā)環(huán)境可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析及處理，實現(xiàn)快速易用的測量采集及顯示。

在LabVIEW中有兩種實時采集數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法：一種是采用LabVIEW軟件自帶的DAQ助手；另一種是采用DAQmx數(shù)據(jù)采集中的相關節(jié)點進行編程。DAQ助手雖然簡化了編程，提供了良好的用戶交互界面，但同時也喪失了一定的功能性和靈活性，由于學生的實驗時間有限，因此采用LabVIEW軟件自帶的DAQmx助手采集數(shù)據(jù)。

3 實驗結果與分析

學生遠程登錄實驗室監(jiān)控攝像機，了解真實電路，本次實驗電路是由兩片“555”定時器構成的救護車音響報警電路，學生可聽到救護車音響報警聲。擴展實驗也可使用LabVIEW圖形化編程特點，完成一個簡單虛擬儀器設計。

3.1 Web遠程用戶界面虛擬示波器測試電路波形

在計算機屏幕上點擊NI ELVISmx儀器啟動圖標，或點擊快捷方式，虛擬儀器將在屏幕上顯示。平臺集成了12款最常用儀器，NI ELVIS自帶的12種儀器均提供直觀真實的儀器軟面板,無需編程即可使用。該實驗過程中利用NI ELVIS自帶的Instrument Launcher軟面板，它集成了示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、直流電源、動態(tài)信號分析器和波特儀等12種常用儀器,如圖3所示。

圖3 虛擬儀器

打開NI ELVISmx Instrument Launcher，選擇示波器及通道，點擊運行，調整示波器參數(shù)，實現(xiàn)NI ELVIS板載電路的測量，通過虛擬示波器分別觀察“555”多諧振蕩器兩級輸出波形，分析電路動態(tài)特性?！?55”救護車電路輸出波形如圖4所示。

圖4 “555”救護車電路輸出波形

3.2 虛擬儀器測試數(shù)字邏輯狀態(tài)

LabVIEW是一種圖形化編程語言和開發(fā)環(huán)境平臺，庫函數(shù)很豐富，在Web遠程學生用戶界面上使用DAQmx創(chuàng)建數(shù)字采集器，數(shù)字讀取器程序框圖如圖5所示。數(shù)字讀取器能實時讀取電路數(shù)字輸出端數(shù)據(jù)、顯示運行狀態(tài)。

Digital Reader允許按需(單點)或者連續(xù)讀取并行輸入端口的當前狀態(tài)。數(shù)字讀取器前面板紅燈顯示“555”救護車音響警示電路輸出狀態(tài)，其紅燈正確狀態(tài)為連續(xù)閃爍，如圖6所示。

虛擬儀器數(shù)字讀取器可以進行數(shù)字電路測試顯示，使用虛擬儀器萬用表可以測試電路電壓等。

在電工電子實驗中，也可以采用LabVIEW的API來實現(xiàn)數(shù)字I/O，如編寫一個程序、設計一個簡單的邏輯狀態(tài)分析儀、測試數(shù)字電路的輸出結果等。擴展實驗也可使用LabVIEW圖形化編程特點，設計一個簡單的測量儀器。

圖5 數(shù)字讀取器程序框圖

圖6 數(shù)字讀取器前面板

4 結語

以LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺，將虛擬儀器技術與實際數(shù)字電路相結合，設計并實現(xiàn)數(shù)字電子技術實驗電路測試、電路分析過程。該實驗包括虛擬實驗室和實際電路兩大部分，學生可遠程觀看到實際電路，接觸到昂貴的虛擬實驗平臺控制實驗電路，對實際電路進行數(shù)據(jù)測量、分析，完成實驗；同時對LabVIEW圖形化編程有了初步了解，這種實、虛混合遠程實驗教學模式，既可以看到真實電路，又可以接觸到新技術，對培養(yǎng)應用型人才有著非常重要的意義。