喬月鳳，范春鳳，劉瑞翔

(信陽師范學(xué)院 物理電子工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

基于LabVIEW的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

喬月鳳，范春鳳，劉瑞翔

(信陽師范學(xué)院 物理電子工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

對虛擬儀器技術(shù)做了概述，分析了當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)在實驗教學(xué)方面的應(yīng)用情況。介紹了基于LabVIEW的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，建立了一套虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)用各種虛擬信號對虛擬儀器進(jìn)行調(diào)試和功能檢驗，改善了電子專業(yè)實驗教學(xué)環(huán)境。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)為形象直觀的實驗教學(xué)提供了極大的方便。

LabVIEW軟件；虛擬儀器；實驗教學(xué)系統(tǒng)

電子技術(shù)作為支柱性產(chǎn)業(yè)，技術(shù)發(fā)展迅速，知識更新快，致使高校開設(shè)的實驗課程落后于電子技術(shù)的進(jìn)步，實驗室也無法及時裝備滿足實驗教學(xué)所需要的儀器設(shè)備。虛擬儀器的信號分析系統(tǒng)可以解決此問題，用虛擬儀器開發(fā)平臺開發(fā)各種“虛擬儀器”，不但成本低廉、簡單易行，且交互性、可操作性和真實感與傳統(tǒng)儀器基本相同?！败浖磧x器(softwares instrument)”反映了虛擬儀器的基本特征[1]。劍橋大學(xué)、斯坦福大學(xué)、新加坡國立大學(xué)以及清華大學(xué)等都已開展了虛擬儀器實驗教學(xué)方面的研究，并取得了一定的進(jìn)展[2]。但目前還沒有大規(guī)模的成功應(yīng)用實例，也未形成國際通用的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

1 虛擬儀器及LabVIEW

1.1 虛擬儀器概述

20世紀(jì)80年代，美國國家儀器公司(National Instruments Company，NI)首先提出了虛擬儀器的概念。1986年，NI公司推出了圖形化的虛擬儀器編程環(huán)境LabVIEW，標(biāo)志著虛擬儀器設(shè)計軟件平臺基本成型，虛擬儀器從概念構(gòu)思變?yōu)楣こ處熆蓪崿F(xiàn)的具體對象。

虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。其中，硬件接口模塊可以包括插入式數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)、串/并口、IEEE488接口(GPIB )卡、VXI控制器以及其他接口卡[4]。它充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的管理與處理能力，將實驗教學(xué)相關(guān)設(shè)備搭配起來，構(gòu)成一種全新的實驗教學(xué)環(huán)境。實驗中的儀器與設(shè)備一般是具有特定功能的單臺設(shè)備，如果它們具有某種總線接口，就有可能進(jìn)行虛擬儀器系統(tǒng)的整體構(gòu)造。

1.2 虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW

LabVIEW是虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)大的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境之一，可替代常用的Basic或C語言，用方框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼。作為編寫應(yīng)用程序的語言，除了編程方式不同外，LabVIEW具備編程語言的所有特征，因此被稱為G (graphical)語言。LabVIEW所運用的設(shè)備圖標(biāo)與工程師們所習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，使得編程過程和思維過程很相似。用LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器可以脫離LabVIEW開發(fā)環(huán)境，最終呈現(xiàn)在用戶面前的是和實際硬件儀器相似的操作面板。

LabVIEW包含有專門用于設(shè)計數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的功能庫和開發(fā)工具庫。LabVIEW的程序設(shè)計實質(zhì)上就是設(shè)計單個的虛擬儀器。在計算機(jī)顯示屏幕上利用功能庫和開發(fā)工具庫產(chǎn)生一個前面板，在后臺則利用圖形化編程語言編制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有與傳統(tǒng)儀器類似的界面，可接受用戶的鼠標(biāo)指令。一般來說，每一個虛擬儀器(virtual instrument，VI)都可以作為其他VI的調(diào)用對象，其功能類似于文本語言的子程序。

LabVIEW的核心是VI。VI有一個人機(jī)交互界面(即前面板)和類似于源代碼功能的方框圖。在VI的前面板中，控件用于模擬儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI；而指示器則模擬儀器的輸出裝置并顯示由VI方框圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。一個VI可以由底層的多個子VI組成，就像真實儀器由印刷電路板組成，而印刷電路板又由集成電路IC、分立元件組成一樣。底層的子VI代表最基本的計算、I/O操作與界面設(shè)計功能，各層VI都有相同的結(jié)構(gòu)形式。虛擬儀器模型、圖形界面和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流程圖編程是LabVIEW的三大核心技術(shù)。

2 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)模塊建立

系統(tǒng)按照模塊化的編程思想進(jìn)行建立[5]，不同的虛擬儀器儀表或工程應(yīng)用均為獨立的，不同的儀器儀表之間幾乎沒有公用的數(shù)據(jù)流，防止儀器儀表之間的干擾，同時降低編程難度。虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)由七個模塊構(gòu)成，如圖1所示，包括：多功能信號發(fā)生器、虛擬電壓表、信號調(diào)制解調(diào)器、帶通濾波器、單通道示波器、步進(jìn)電機(jī)控制、模擬溫度檢測系統(tǒng)等。模塊基本覆蓋了電子類本科實驗教學(xué)的主干課程，對學(xué)生掌握所學(xué)知識有著重要的作用。

2.2 測控系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集部分主要以51單片機(jī)控制 A/D芯片、計算機(jī)聲卡、LabVIEW軟件平臺自帶的各種信號函數(shù)來完成實驗所需數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與讀取，再將數(shù)據(jù)通過虛擬串口傳到上位機(jī)。上位機(jī)利用LabVIEW軟件對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如實時顯示、頻譜分析、加窗截取、濾波分析等。此外，利用軟件本身的圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)可以設(shè)計出友好界面，實現(xiàn)對測控系統(tǒng)的控制操作和數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)控制面板如圖2所示，可以完成各種功能模塊的切換。

圖1 系統(tǒng)的組成模塊框圖

圖2 系統(tǒng)面板

3 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的儀器實現(xiàn)

LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)分析工具包中提供了豐富的信號分析處理相關(guān)程序，包括波形測量、信號調(diào)理、信號監(jiān)測、波形發(fā)生和信號處理等。利用LabVIEW軟件平臺可以方便地設(shè)計出各種儀器儀表。我們設(shè)計出了信號發(fā)生器、數(shù)字電壓表、示波器、調(diào)制(解調(diào))器、濾波器以及模擬溫度檢測系統(tǒng)實驗方案等。下面介紹兩個設(shè)計實例。

3.1 信號發(fā)生器

信號發(fā)生器產(chǎn)生實驗所需的信號源，其波形有正弦波、方波、三角波、鋸齒波和隨機(jī)信號等不同種類，信號的頻率和幅值等參數(shù)可以按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。本虛擬信號發(fā)生器可產(chǎn)生仿真信號，用來充當(dāng)實驗所需的信號源。

LabVIEW將測量中常用的信號函數(shù)做成功能模塊，以生成各種仿真信號波形序列，供編程者方便地調(diào)用。除此之外，還可以利用公式波形節(jié)點生成指定的任意函數(shù)波形。同時，系統(tǒng)的使用者可以方便地通過如圖3所示的前面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與波形選擇。

圖3 信號發(fā)生器前面板

在數(shù)字系統(tǒng)中，必須注意信號中最高頻率部分的頻率與采樣頻率之間的關(guān)系須滿足采樣定理，即耐奎斯特公式。低于耐奎斯特頻率的信號可以被正常采樣，高于耐奎斯特頻率的信號將出現(xiàn)頻率混疊。利用軟件生成的各種虛擬信號可對虛擬儀器進(jìn)行調(diào)試和功能檢驗，為形象直觀的實驗教學(xué)提供了極大的方便。

3.2 模擬溫度檢測系統(tǒng)

模擬溫度檢測系統(tǒng)通過LabVIEW的工具模板產(chǎn)生隨機(jī)信號，并對隨機(jī)信號進(jìn)行數(shù)字化處理，再應(yīng)用濾波等技術(shù)對隨機(jī)信號進(jìn)行處理研究，培養(yǎng)學(xué)生的實際應(yīng)用能力，深化理論知識。圖4為系統(tǒng)的前面板。

圖4 模擬檢測系統(tǒng)的前面板

4 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的意義

4.1 輔助理論教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)往往是理論教學(xué)和實驗教學(xué)分開進(jìn)行。教師在教室內(nèi)傳授抽象的理論知識，在黑板上繪制原理圖，給學(xué)生分析工作原理。教師講得辛苦，卻得不到理想的教學(xué)效果；學(xué)生聽課吃力，不能很好地掌握所學(xué)知識。實驗教學(xué)作為理論教學(xué)的延續(xù)，可以加深對理論知識的理解和記憶。但是我們很難將實驗搬到理論課堂中。應(yīng)用虛擬實驗，可以很方便地在理論課堂上進(jìn)行演示，讓抽象的理論及時得到檢驗[6]，達(dá)到從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的有機(jī)過渡。

4.2 輔助實驗教學(xué)

充分利用計算機(jī)可以快速、準(zhǔn)確地將煩瑣的計算公式通過編制程序計算出結(jié)果，畫出精確仿真圖形，幫助學(xué)生理解、分析和掌握基本理論知識。學(xué)生可以獨立使用計算機(jī)中構(gòu)建的虛擬實驗室[7-8]，主動設(shè)疑、實驗，得出實驗結(jié)果，也可方便地修改參數(shù)，不必?fù)?dān)心損壞儀器，并迅速進(jìn)行實驗仿真，檢驗自己對所學(xué)知識的掌握情況。這對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)水平有很大益處[9]。

4.3 訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造性思維

教育的目的在于提高學(xué)生分析能力、判斷能力及創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[10]。傳統(tǒng)實驗設(shè)計驗證了一些復(fù)雜的理論。在系統(tǒng)中連線是十分復(fù)雜的，接好系統(tǒng)后，為了使系統(tǒng)處于滿意的工作狀態(tài)，不斷地調(diào)整參數(shù)也是十分費時費工的。學(xué)生要運用自己學(xué)到的知識設(shè)計制作一個驗證系統(tǒng)是一件很困難的事?，F(xiàn)在，虛擬實驗室給學(xué)生創(chuàng)造一個優(yōu)良環(huán)境，學(xué)生可以充分發(fā)揮他們的智慧，展現(xiàn)他們的才華[11]。

5 結(jié)束語

將虛擬儀器技術(shù)引入到實驗教學(xué)中是行之有效的方案。虛擬儀器技術(shù)使我們能夠在計算機(jī)上按照自己的需求來設(shè)計儀器并進(jìn)行實驗，加深對理論知識的理解與掌握。同時,虛擬儀器技術(shù)可以提高實驗效率、降低實驗成本、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)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。

[1] National Instruments.LabVIEW user manual[M].Texas:National Instruments，2003：2-46.

[2]Anthony Vento J.Application of LabVIEW in higher education laboratories[J].IEEE Computer Society，1998：443-446.

[3]Asan Ganl，Aalami M J E.A LabVIEW based data acquisition system for vibration monitoring and analysis[J].IEEE Design and Test of Computer，2002：62-74.

[4]林靜，林振宇.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計從入門到精通[M].北京：高等教育出版社，2010：2-3.

[5]程雪敏，仲蓁蓁.基于LabVIEW虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計[J].廣西輕工業(yè)，2010(10)：90-91.

[6]張婷，金鑫. 基于LabVIEW綜合教學(xué)系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010(1)：145-146.

[7]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：20-40.

[8]劉其和，李云明.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計和應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：2-20.

[9]張健.基于LabVIEW的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2003：1-15.

[10]王行娟.基于LabVIEW的虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007：40-56.

[11]陳春朝，趙敏.基于LabVIEW的虛擬實驗平臺的設(shè)計[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009(17)：31-33.

Design of Virtual Experiment Teaching System Based on LabVIEW

QIAO Yuefeng, FAN Chunfeng, LIU Ruixiang

(College of Physics and Electronics, Xinyang Normal University, Xinyang 464000, China)

Virtual instrument technique was briefly summarized and its application situation in experiment teaching was analyzed. Virtual experiment teaching system design method based on the LabVIEW was introduced, and a set virtual experiment teaching system was designed. The system implements debugging and function verification by various kinds of virtual signals. Electronics specialty experiment teaching environment was improved. Experimental results show that the system can provide convenience significantly for vividly and intuitive experiment teaching.

LabVIEW software；virtual instrument；experiment teaching system

2014-06-29；修改日期: 2014-08-19

信陽師范學(xué)院2012年度教育教學(xué)改革研究基金資助項目。

喬月鳳(1965-), 女，實驗師，主要從事物理實驗教學(xué)與研究工作。

TP314

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.004