劉素貞, 饒諾歆, 李 華, 徐桂芝

(河北工業(yè)大學 電磁場與電器可靠性省部共建實驗室, 天津 300130)

基于虛擬儀器技術的電工電子實驗平臺設計

劉素貞, 饒諾歆, 李 華, 徐桂芝

(河北工業(yè)大學 電磁場與電器可靠性省部共建實驗室, 天津 300130)

針對學校實驗儀器設備緊缺的問題,利用LabVIEW軟件構建了虛擬電工電子實驗教學系統(tǒng)平臺。該實驗平臺有用戶登錄、用戶信息、用戶管理和具體實驗等4級界面,可進行電工類、電子類、儀器儀表類和學生自主設計等4類實驗設計,實驗項目具有可拓展性和靈活性。在不增加硬件配置的情況下,利用虛擬儀器技術提升實驗儀器設備的性能和利用率,為學生提供了一個自主學習和創(chuàng)新設計的平臺。

虛擬儀器技術； 電工電子實驗平臺； LabVIEW； 實驗教學

近幾年來,隨著高校招生規(guī)模的擴大,對學校的實驗教學產(chǎn)生了很大的影響。學生人數(shù)增加,需要的實驗儀器設備也相應增加,這與學校實驗儀器設備數(shù)量的不足產(chǎn)生了矛盾。傳統(tǒng)的實驗儀器設備購置存在資金投入大、損壞率高、維護不方便等問題,往往難以滿足實驗教學的需求[1-3]。

本文以虛擬儀器LabVIEW軟件為開發(fā)平臺,設計了河北工業(yè)大學電工電子實驗教學平臺。該平臺擴展性強、實時性強、交互性強,可大大緩解實驗設備緊缺的問題。利用該平臺,學生可以完成多種實驗,并且不受傳統(tǒng)實驗方式的限制,提高了學習效率,并且強化了不同的理論知識間的聯(lián)系,鍛煉了學生的綜合實踐能力。

1 虛擬電工電子實驗平臺解決的關鍵問題

1.1 實驗教學中虛擬儀器技術應用概況

針對實驗資源緊張的問題,高校需要以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心,協(xié)調實驗室的人才、設備等資源,豐富實驗室開放方式,充分利用虛擬儀器技術培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力,挖掘學生的綜合創(chuàng)新潛能,為其個性發(fā)展、創(chuàng)新能力的提升提供平臺。

如今越來越成熟的虛擬儀器(virtual instrument,VI)技術為解決實驗儀器設備不足的問題提供了充分的可能?；谔摂M儀器的實驗教學系統(tǒng)是建立在軟件教學基礎上的,虛擬儀器具有交互性強,數(shù)字化、模塊化、網(wǎng)絡化容易等特點,十分有利于從整體上提高實驗教學水平[4]。虛擬儀器主要由計算機、應用軟件和儀器硬件3部分構成,它充分發(fā)揮了計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力、控制能力和儀器硬件測量的優(yōu)勢,利用軟件對數(shù)據(jù)進行顯示、存儲和分析[5-8]。LabVIEW平臺是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境[9-10]。LabVIEW利用G語言來編寫程序,簡潔易懂、使用方便,VI是LabVIEW編程中的基本程序單元。一個完整的VI由前面板、程序框圖和圖標組成[11-12]。

目前許多國家已經(jīng)將虛擬技術普及到了普通高等教育中。愛丁堡大學采用Matlab仿真軟件和Java編程構建了虛擬實驗室；麻省理工學院建立了WebLab實驗室,進行遠程實驗教學；新加坡國立大學建立了遠程示波器實驗和壓力容器實驗[13-15]。目前國內超過50所高校創(chuàng)建了以LabVIEW等軟硬件為基礎的虛擬儀器實驗室,其中包括NI公司與學校建立的20多個聯(lián)合實驗室。清華大學綜合了Isapi、Java、Matlab引擎嵌入和網(wǎng)絡多媒體等諸多當前計算機和網(wǎng)絡的最新技術,實現(xiàn)了遠程實驗教學[16]。

1.2 原有常規(guī)設備與虛擬儀器的協(xié)調問題

在不改變硬件資源配置的情況下,利用虛擬儀器可以提升實驗儀器設備的功能和利用率。通過設計軟件,增減虛擬儀器系統(tǒng)的操作界面、系統(tǒng)功能與集成規(guī)模,可最大限度地實現(xiàn)硬件復用。一些實驗項目在實驗室利用常規(guī)設備完成,大量的數(shù)據(jù)測試、開放設計型實驗等可以通過虛擬儀器系統(tǒng)完成,從而解決實驗資源緊張的問題。

1.3 通識教育、基本技能和創(chuàng)新教育的協(xié)調問題

根據(jù)各專業(yè)特點,遵循學生學習能力培養(yǎng)的基本規(guī)律,分層次設計實踐教學中的各個實驗項目,由簡到繁、由易到難、循序漸進地設計典型實驗項目,并在軟件系統(tǒng)中以視頻演示、虛擬仿真和基于虛擬儀器測試、選擇元件自行設計電路等不同方法實現(xiàn)。虛擬儀器技術用于實驗教學,將對發(fā)展現(xiàn)代教育思想、優(yōu)化教學過程具有重要影響。

1.4 網(wǎng)絡平臺、開放實驗的管理問題

集開放和共享于一體的虛擬電工電子實驗教學平臺,它的使用不受時間和地域的限制。學生在校園網(wǎng)的任何節(jié)點都可參與實驗學習。為保護虛擬實驗教學資源的安全,在虛擬實驗教學系統(tǒng)中建立了一個標識與認證模塊,通過用戶授權、身份驗證、數(shù)據(jù)加密來保護數(shù)據(jù)安全。為了檢測學生進行開放實驗的情況,在虛擬實驗教學系統(tǒng)中建立一個統(tǒng)計匯總模塊,當學生通過身份驗證后,將該記錄寫進統(tǒng)計表中,最后對統(tǒng)計匯總的數(shù)據(jù)表進行歸納分析,自動生成使用虛擬實驗教學模式頻度圖。

2 虛擬實驗教學平臺的總體構建

虛擬實驗教學平臺由4級界面構成,分別是實驗教學系統(tǒng)登錄界面、用戶信息顯示界面、用戶管理界面以及各個具體實驗的子界面。該實驗平臺總體構建框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

為了實現(xiàn)虛擬電工電子實驗,根據(jù)LabVIEW的使用特點,平臺總設計分前、后兩個面板,前面板相當于傳統(tǒng)儀器中的外部控制面板,后面板則是實現(xiàn)前面板功能的程序框圖,相當于傳統(tǒng)儀器中的內部實際電路。

3 電工電子虛擬實驗模塊的設計與實現(xiàn)

虛擬電工電子實驗平臺主要完成4類實驗設計:電工類、電子類、儀器儀表類、學生自主設計類。其中,電工類、電子類、儀器儀表類的每個模塊都闡述了相應的實驗功能,給出了具體的程序設計方案。學生自主設計類實驗的目標是探索創(chuàng)新,由教師給學生提供一些實際工程中的課題或者理論研究課題,給出基本要求,學生自己查閱資料、制定實驗方案,在實踐過程中提高學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

本文以虛擬示波器的設計為例,介紹利用LabVIEW軟件開發(fā)虛擬實驗的基本思想。

虛擬示波器一般是軟硬件相結合。硬件部分實際是USB數(shù)據(jù)采集卡,軟件部分是實現(xiàn)示波器功能的程序。該虛擬示波器打破了傳統(tǒng)的軟硬件結合的方式,利用虛擬信號發(fā)生器代替硬件部分的數(shù)據(jù)采集卡,實現(xiàn)了純軟件設計,并開發(fā)出對采集信號的控制與處理、數(shù)據(jù)測量、頻譜分析、波形打印等功能,具有方便、快捷、可擴展性。

虛擬示波器的前面板如圖2所示,整個界面設計模擬了傳統(tǒng)虛擬示波器的布局,具有良好的人機交互功能。

圖2 虛擬示波器前面板的設計

虛擬示波器的主程序設計如圖3所示,整個程序框圖采用while循環(huán)結構,里面包含5個事件結構,分別為數(shù)據(jù)采集模塊、頻譜分析模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、波形顯示模塊以及波形打印模塊。

圖3 虛擬示波器程序框圖的設計

在數(shù)據(jù)采集模塊中,通過采用布爾和枚舉型控件實現(xiàn)對通道A和通道B信號參數(shù)的設置,包括通道控制、觸發(fā)控制和時基控制,并利用數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)暫時存儲在內存中,然后對采集到的波形進行處理和運算。

在波形顯示模塊中,利用下拉列表控件實現(xiàn)對A、B顯示模式的轉換,包括“A、B”“A*B”“A+B和A-B”“A和A積分”和“A和A微分”5種模式,利用捆綁函數(shù)實現(xiàn)波形疊加,并調用波形顯示模塊顯示處理和運算后的雙通道波形.

在頻譜分析模塊中,調用FFT功率譜函數(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進行完整的頻域信號分析,并顯示頻譜圖。

數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)的讀寫和波形參數(shù)測量,采用局部變量實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入或讀取。波形文件存儲一個二維數(shù)組,采集周期文件存儲單值,參數(shù)測量通過調用“scope measure”子VI來實現(xiàn)波形的電壓、頻率、幅值、占空比等參數(shù)測量。

在波形打印模塊中,通過創(chuàng)建局部變量,將顯示的波形曲線自動送往打印機。

通過選擇通道A、B的參數(shù)和信號類型,可以得到不同的波形參數(shù)。例如:設置A、B兩個通道的信號,通道A的信號是幅值1.5 V、頻率1 kHz、占空比為50%的正弦波,通道B的信號是幅值1 V、頻率1 kHz、占空比為50%的三角波。采集數(shù)據(jù)后,進行“A+B”和“A-B”的數(shù)據(jù)處理,并顯示兩通道信號相加、相減后波形，如圖4所示。

圖4 虛擬示波器數(shù)據(jù)處理后的波形顯示

4 結語

本文基于LabVIEW虛擬儀器技術進行了電工電子實驗平臺的設計,為學生提供了一個自主學習和創(chuàng)新設計的平臺。本實驗系統(tǒng)所采用的開放式結構,使實驗靈活多樣,給學生留下很大的創(chuàng)造空間。學生根據(jù)實驗需要設計模塊,不僅彌補了傳統(tǒng)實驗的不足,而且提高了對虛擬儀器技術的軟件編程能力和創(chuàng)新能力。

虛擬儀器技術應用于實驗教學是目前國內高校研究的熱點。把虛擬儀器技術引入實驗教學,大力推廣虛擬儀器的應用,無論對加速發(fā)展我國自己的電子儀器儀表工業(yè),還是提高高校實驗教學水平都是極其有益的。

References)

[1] 陳東升,李梅.虛擬儀器技術在電路分析基礎教學中的應用[J].中國電力教育,2011(8):110-111.

[2] 秦宏,黃碩.基于網(wǎng)絡的虛擬電子實驗技術研究[J].科技信息,2009(19):34-35.

[3] 朱敏,張際平,潘侃凱.虛擬儀器技術及其教學應用[J].中國電化教育,2006(4):96-98.

[4] 汪興海,黎漫斯,凌云峰,等.電工電子實驗教學虛擬儀器儀表實驗室構建[J].系統(tǒng)仿真技術,2013(3):283-286.

[5] 劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[6] 尹愛軍,秦樹人,周傳德.網(wǎng)絡虛擬儀器的一種新構架[J].中國機械工程,2005,16(3):420-424.

[7] Wang C T,Gao R X. A Virtual Instrumentation System for Integrated Bearing Condition Monitoring[J].IEEE Trans on IM,2000,49(2):325-332.

[8] 羅海艷,楊濤.基于虛擬儀器的電工電子實驗平臺的構建[J].裝備制造技術,2007(5):84-86.

[9] 李青霞,任焱.虛擬儀器綜述[J].現(xiàn)代科學儀器,1999(4):10-12.

[10] 陳春朝,趙敏,張亞超,等.基于LabVIEW的虛擬實驗平臺的設計[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009(17):31-34.

[11] 楊樂平,李海濤,楊磊,等.LabVIEW程序設計與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[12] 王行娟.基于LabVIEW虛擬儀器實驗教學系統(tǒng)的研究[D].武漢:武漢理工大學,2007.

[13] 侯國屏,奎麗榮.一個虛擬儀器實驗室的建設方案[J].電氣電子科學學報,2003(1):17-21.

[14] Sanchez J, Morilla F, Dormido S.Virtual and remote control labs using Java:A qualitative approach[J].IEEE Control Systems Magazine,2002,22(2):8-20.

[15] Chi C K, Chen B M, Hu S Y, et al. A web-based virtual laboratory on a frequency modulation experiment [J].IEEE Transactions on Systems, 2001,31(3):295-303.

[16] 肖巍,王伯雄,羅秀芝.基于網(wǎng)絡的實驗硬件遠程控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].清華大學學報:自然科學版,2002(6):776-779.

Design of electrical and electronic experimental platform based on virtual instrument technology

Liu Suzhen, Rao Nuoxin, Li Hua, Xu Guizhi

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

Aiming at the serious shortage of experimental equipment in school, this paper designs a virtual electrical and electronic experiment teaching system platform based on the LabVIEW software. The experimental platform has four interfaces including user login, user information, user management and specific experiments, can complete four kinds experimental design containing electrical engineering, electronics, instrumentation and student self-design. The experimental project is scalable and flexible. In the case of no increase in hardware configuration, by using virtual instrument technology to enhance the performance of laboratory equipment and reutilization rate, it can provide a platform for independent learning and innovative design for students.

virtual instrument technology; electrical and electronic experimental platform; LabVIEW; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.030

2016-07-20

國家自然科學

(51077036)資助；河北工業(yè)大學教育教學改革研究重點項目(201502002)

劉素貞(1969—),女,河北大城,博士,教授,博士生導師,主要從事工程電磁場與磁技術方面的研究與電工電子技術的教學工作.

E-mail：szliu@hebut.edu.cn

TP391.9；G642

: A

: 1002-4956(2016)12-0121-04