可視化圖形編程在新工科實驗教學(xué)中的應(yīng)用

徐 航，印 月，孫 曼，朱英偉，沈 燁

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610065）

高效的實驗教學(xué)非常重要，尤其是工科實驗教學(xué)[1-3]。按照英國高等教育質(zhì)量保證局（Quality Assurance Agency，QAA）的定義，培養(yǎng)生理學(xué)本科生的實驗技能是其教育的一個重要組成部分[4]。此外，在代表數(shù)學(xué)和工程軟件開發(fā)商Math Works進行的一項調(diào)查中，學(xué)術(shù)界和雇主都認(rèn)為，缺乏實驗經(jīng)歷是造成英國STEM 畢業(yè)生技能差距的一個重要因素[5]。據(jù)此英國布里斯托爾大學(xué)要求學(xué)生獨立完成1～2 個實驗設(shè)計研究項目之后，才能開始畢業(yè)答辯論文的撰寫[6]。我國近些年也越來越注重實驗教學(xué)，四川大學(xué)電路電工實驗室疫情期間不斷開拓創(chuàng)新，同時采用口袋實驗室、虛擬實驗平臺、遠(yuǎn)程實物實驗以及可視化圖形技術(shù)等多種方式為全校工科院系學(xué)生開展各類高效的實驗課程。

傳統(tǒng)的實驗設(shè)備在實驗教學(xué)中暴露出各種弊端，比如沒有實驗?zāi)M、數(shù)據(jù)智能測量分析以及可視化界面等功能，可視化圖形編程極有可能解決這些問題。近年來LABVIEW 在多領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展，如電力行業(yè)中的風(fēng)機葉片狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[7]、電廠回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計[8]、復(fù)合絕緣子自動清洗和監(jiān)測系統(tǒng)[9]；機械行業(yè)中的輸送機動態(tài)參數(shù)監(jiān)控[10]、液壓缸監(jiān)測設(shè)計[11]、叉車動力測試系統(tǒng)[12]；航空航天行業(yè)中的航天器電源系統(tǒng)測試[13]、無人機地面監(jiān)測系統(tǒng)[14]、飛機起落架收放系統(tǒng)[15]。這些領(lǐng)域都大量采用LABVIEW 控制，但至今可視化圖形控制在新工科實驗教學(xué)應(yīng)用中還比較欠缺。因此，開發(fā)一個完整的具有先進性的可視化圖形編程與傳統(tǒng)實驗設(shè)備相結(jié)合的智慧教學(xué)平臺，與時俱進地對學(xué)生進行實驗教學(xué)，以提高學(xué)生的動手和創(chuàng)新能力，是一個不可或缺的目標(biāo)。

本文研究LABVIEW 技術(shù)助力實驗教學(xué)的可能性，并開發(fā)了一個完整的可視化實驗控制平臺，對諧振實驗、單管放大以及功率因數(shù)提高等實驗進行了多次測試，結(jié)果表明這種圖形化控制軟件結(jié)合傳統(tǒng)儀器更加靈活、智能。同時將該系統(tǒng)在高溫超導(dǎo)閉環(huán)線圈電流控制項目中進行了應(yīng)用，首次成功將閉合超導(dǎo)線圈中的電流以非接觸的方法，將控制精度提高到了2‰以內(nèi)，達到了國際領(lǐng)先水平。

1 實驗平臺總體設(shè)計框圖

實驗教學(xué)系統(tǒng)的人機界面和系統(tǒng)程序是基于LABVIEW 圖形化編程語言實現(xiàn)的。LABVIEW在人機界面的創(chuàng)建上有巨大優(yōu)勢，利用其眾多豐富的控件可以快速實現(xiàn)大多數(shù)場景的圖形控制設(shè)計[16]。實驗室中的硬件平臺包括固緯GDS-1000B數(shù)字示波器、AFG-2225 任意函數(shù)發(fā)生器、科睿源KA3010P 電源以及RLC 串聯(lián)諧振電路，這個電路也可以替換為單管放大電路或者一階時間常數(shù)測量電路。本文主要設(shè)計完成了兩個模型，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 實驗教學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該程序主要有5 大功能：

1）采集電路電壓、頻率以及波形等基本信息；

2）對采集到的信息進行智能化處理，按照預(yù)先設(shè)定好的程序，從大量數(shù)據(jù)中找到核心數(shù)據(jù)；

3）通過數(shù)據(jù)分析，得出或設(shè)置控制變量，使電路形成一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)；

4）將數(shù)據(jù)按照真實采集時間進行實時存儲；

5）將所采集的電壓、頻率等數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的格式實時存儲在excel 文件中，方便用origin 軟件進行數(shù)據(jù)分析。

該實驗系統(tǒng)形成了一個實時閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有較強的交互性和擴展性，可以幫助學(xué)生通過自主編程，快速、準(zhǔn)確測量出實驗所需的大量數(shù)據(jù)。有助于學(xué)生在充分理解實驗過程的基礎(chǔ)上，加深對課程理論知識的理解，同時掌握相關(guān)儀器儀表的使用，最終提高學(xué)生的綜合實踐能力。

2 通過LABVIEW 搭建完整的自動測試模型

2.1 實驗平臺在諧振實驗中的應(yīng)用

諧振實驗在無線電技術(shù)、廣播電視技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用[17]。各種無線電裝置、設(shè)備、測量儀器等都不可缺少諧振電路。諧振電路的顯著特點就是選擇有用頻率的同時濾除其他有害頻率成分。當(dāng)電路中電壓和電流同相位時，這種情況稱為串聯(lián)諧振，此時的頻率稱為諧振頻率：

式中：f0是 諧振頻率，單位Hz；ω0是諧振角頻率，單位rad；L為諧振電路的電感值，單位mH；C為諧振電路的電容值，單位μF。

當(dāng)函數(shù)發(fā)生器輸出信號的有效值保持不變，電流有效值隨頻率變化的特性曲線即稱為RLC 串聯(lián)電路的幅頻特性曲線。實驗借助LABVIEW 軟件編程實時控制函數(shù)發(fā)生器信號有效值保持不變，頻率在0.1～9 Hz 之間以0.01 Hz 的步長逐漸遞增；同時控制GDS-1000B 示波器實時讀取采集到的波形有效值，并將所有實驗數(shù)據(jù)自動存儲在指定位置的excel 文檔中，并以時間戳自動命名。具體控制流程如圖2 所示。圖3 是諧振實驗LABVIEW 可視化程序界面，采集間隔時間1 ms，程序可以在18 min 內(nèi)采集完1 900 個波形有效值以及對應(yīng)的頻率數(shù)據(jù)。最終利用origin 畫出幅頻特性曲線，即可以求出準(zhǔn)確的諧振頻率以及截止頻率。相較傳統(tǒng)實物實驗，學(xué)生需要重復(fù)多次同樣的步驟，手動測量數(shù)據(jù)，這種“LABVIEW+傳統(tǒng)硬件電路”的實驗?zāi)Ｊ娇梢宰寣W(xué)生在有效預(yù)習(xí)、節(jié)省實驗時間、深入理解實驗過程和意義的同時，得到更加準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。

圖2 LABVIEW 實驗數(shù)據(jù)采集流程圖

圖3 諧振實驗LABVIEW 檢測程序前面板

數(shù)據(jù)采集完成后，程序通過對不同頻率值對應(yīng)的電流有效值進行對比分析，就可以得出電路的諧振頻率并自動顯示。利用origin 軟件分別對電阻、電感以及電容上的電壓和頻率數(shù)據(jù)進行作圖，可以繪制出RLC 電路的諧振曲線，如圖4 所示。圖5 是不同頻率下電阻上的幅頻特性曲線。

圖4 RLC 電路諧振曲線自動繪制

圖5 諧振電路電阻曲線自動繪制

2.2 平臺在單管放大實驗中的應(yīng)用

同樣的LABVIEW 實驗平臺也可以應(yīng)用在晶體管放大電路非線性失真綜合實驗當(dāng)中。放大電路是“模擬電子技術(shù)”實驗課程最基本、最重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。通過調(diào)節(jié)AFG-2225 任意波形發(fā)生器的信號幅值和基極電阻，可以實現(xiàn)無失真放大、飽和失真、截止失真以及雙向失真4 種晶體管常見波形信號輸出，并直接三維作圖輸出，方便學(xué)生對比觀察分析。教學(xué)實踐證明：此實驗較好地實現(xiàn)了晶體管放大電路非線性失真實驗要求。對比常規(guī)實物實驗，學(xué)生可以將更多的實驗時間用在數(shù)據(jù)的分析上，而不是數(shù)據(jù)的重復(fù)測量。利用LABVIEW 可視化實驗平臺可以很方便地測量出4 種失真波形以及最大不失真波形，波形如圖6 所示。

圖6 LABVIEW 自動測量放大波形

3 可視化實驗平臺意義

3.1 智能化測量分析實驗數(shù)據(jù)

系統(tǒng)實現(xiàn)的功能可以根據(jù)不同的實驗需求進行定制，相比傳統(tǒng)的硬件平臺更加靈活、智能，并且可以快速測量出實驗所需數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進行復(fù)雜智能處理。

在這種虛實結(jié)合的實驗中，學(xué)生通過對理論知識的徹底理解，針對某個實驗在較短時間內(nèi)完成LABVIEW 程序的搭建，可以通過十幾分鐘完成數(shù)千數(shù)據(jù)的測量與智能分析。相較傳統(tǒng)實驗，學(xué)生有更多的時間對實驗過程進行升級改進，從而加深對理論知識的理解，老師也可以有針對性的解答學(xué)生的疑問。諧振實驗的LABVIEW 實物平臺如圖7 所示。同時我們也在不斷對平臺進行改造升級，前期的半虛擬仿真平臺由于實驗硬件的原因只能用于實驗課堂教學(xué)使用，通過進一步升級，硬件電路軟件化，完成了全虛擬仿真平臺的替換?，F(xiàn)在實驗平臺不但可以作為實驗預(yù)習(xí)使用，還可以作為理論課課堂演示使用，不受實驗地點、實驗儀器的限制。

圖7 諧振實驗的LABVIEW 實物平臺

3.2 可以基于此平臺做遠(yuǎn)程“實物”實驗

實驗硬件平臺包括固緯GDS-1000B 數(shù)字示波器、AFG-2225 任意函數(shù)發(fā)生器、科睿源KA3010P可編程直流穩(wěn)壓電源、安捷倫的34972A 采集卡以及浙江天煌公司的KT 電路實驗箱。LABVIEW 實驗平臺可以快速實現(xiàn)與實驗室電源、函數(shù)發(fā)生器、示波器以及采集卡等硬件的數(shù)據(jù)交互，并且集成了數(shù)據(jù)采集、顯示與智能分析模塊，在此基礎(chǔ)上學(xué)生可以快速完成簡單實驗數(shù)據(jù)的測量、存儲和分析。實驗室也基于LABVIEW 程序完成了實驗臺的遠(yuǎn)程操作設(shè)計，疫情下，學(xué)生在家就可以完成實物實驗的遠(yuǎn)程操作。這套“實驗平臺+實驗報告評價系統(tǒng)”，基本可以讓學(xué)生在家隔離期間順利完成各種實物實驗的遠(yuǎn)程操作以及網(wǎng)上實驗報告的撰寫，類似深圳市易星標(biāo)技術(shù)有限公司開發(fā)的遠(yuǎn)程硬件實物平臺，相比前者，這種LABVIEW 平臺適用性更加廣泛，也更加靈活，有更強的移植性。

3.3 可以應(yīng)用到多學(xué)科教學(xué)和科研當(dāng)中

該LABVIEW 實驗平臺有以下功能：

1）通過串行通信VISA 口與實驗室的儀器通信，實現(xiàn)上位機LABVIEW 程序與實驗設(shè)備之間的實時通信與數(shù)據(jù)讀取和存儲；

2）對實驗數(shù)據(jù)進行快速采集與定點存儲，相比傳統(tǒng)實驗可以在較短時間內(nèi)完成較大數(shù)據(jù)量的測量；

3）對采集到的實驗數(shù)據(jù)智能化處理，按照程序要求對數(shù)據(jù)進行處理并可視化顯示，并對實驗硬件進行閉環(huán)反饋控制；

4）程序模擬硬件，用于實驗預(yù)習(xí)以及理論課課堂演示。

基于以上功能，LABVIEW 程序可以很方便地應(yīng)用到傳統(tǒng)實驗當(dāng)中，也可以應(yīng)用在科研項目當(dāng)中，比如在沒有反饋硬件的時候采用LABVIEW程序中的高級DIP 控制對系統(tǒng)性能進行測試。2021 年，該實驗平臺成功應(yīng)用到第二代高溫超導(dǎo)發(fā)電機設(shè)計當(dāng)中，將超導(dǎo)磁體閉合電流精度首次控制到2‰以內(nèi)[18]，如圖8 所示，進一步說明該系統(tǒng)的實用性以及可靠性。對比其他控制方法，本文提出的可視化圖形編程在軟件編程、硬件設(shè)計以及調(diào)試難度上都有很大的優(yōu)勢。

圖8 實驗系統(tǒng)在超導(dǎo)電流精準(zhǔn)控制中的應(yīng)用[18]

4 結(jié)束語

本文基于以往實驗室的虛擬平臺建設(shè)過程，結(jié)合一線實驗員的經(jīng)驗，針對實驗室硬件環(huán)境的不足以及疫情常態(tài)化的實驗需求，設(shè)計了一套基于實驗室現(xiàn)有硬件設(shè)備的LABVIEW 實驗平臺。該系統(tǒng)采用可視化虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)脈沖信號、直流電壓、直流電流、數(shù)字示波器以及函數(shù)發(fā)生器等儀器數(shù)據(jù)的生成和輸出，不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)實驗大量重復(fù)數(shù)據(jù)的快速測量分析和存儲，并且有助于學(xué)生理解現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理和傳輸原理，同時掌握LABVIEW 軟件的編程方法。隨著虛擬儀器技術(shù)的進一步發(fā)展，此實驗平臺不但可以用于實驗教學(xué)和科研，還可以用在理論課課堂演示當(dāng)中，有很重要的實用價值。