基于Labview和ARM的便攜多功能電子技術基礎實驗箱設計

姜俊敏 郝子軼 藍 帆 姚纓英

浙江大學 浙江杭州 310027

基于Labview和ARM的便攜多功能電子技術基礎實驗箱設計

姜俊敏 郝子軼 藍 帆 姚纓英

浙江大學 浙江杭州 310027

利用ARM7內核32位單片機LPC2148作為主控芯片MCU，單片集成DDS數字相位合成信號發生器AD9850，配合與計算機的通信和聲卡的信號采集系統，和基于Labview開發的計算機上位程序，實現便攜式多功能電子技術基礎實驗箱。計算機程序通過數據采集，進行處理和顯示，實現虛擬示波器功能。系統與配有常用器件的自由電路板一起安放于小盒子中，提供便攜的實驗環境，為電子技術基礎實驗課堂演示、學生的自主實驗研究帶來便利，在電子技術課程的教學中提出了互動實踐的創新模式。

便攜；Labview；實驗箱；自主實驗

1 設計概述

在電子技術基礎實驗教學過程中，實驗設備、實驗場地的限制往往難以滿足學生及教師的實驗需求。在理論課的課堂教學過程中，教師也僅僅局限于理論知識的傳授，學生無法體會到電子技術基礎理論與實踐的差別。為了給電子技術基礎課程學生與教學人員提供更加方便靈活的實驗環境，我們設計并制作了便攜式電子技術基礎實驗箱。基于移動式的實驗模式，教師可以借助實驗箱在課堂教學的同時安排演示實驗，幫助學生加深對知識的理解和掌握。同時，設備也可以發放給學生帶回寢室實踐練習，完成一些簡易的實驗，自主思考發現問題，激發學習興趣。雖然便攜式實驗箱無法完成高要求的科研需求，但是在課程中的投入使用，可以提高課程教學的生動性，也讓學生自主學習，培養學生的創新實踐能力，在電子技術基礎課程的教學中推進互動實踐的創新模式。

便攜實驗箱的優勢在于具備便攜性的同時，擁有信號發生器和示波器兩大功能，同時提供靈活通用的自由電路板實現用戶自定義的電路實驗。在與電腦連接后，通過上位機程序控制信號的波形輸出，同時將輸出信號通過采樣送回上位機，在電腦上顯示波形。通過電腦實現的虛擬示波器同時節省了購買專業示波器的花費，極大提高系統的便攜性，可以讓實驗者隨時隨地地進行信號發生、波形檢測等操作。

2 方案設計

2.1 方案實現

系統可分為7個模塊，方案的系統框圖如圖1所示。

圖1 便攜式實驗箱系統框圖

電源采用標準正負12V和5V供電，在數字電路的實驗中，可以采用單5V供電。與計算機連接后，可以通過USB接口為系統供電，無需外接電源。

主控芯片采用ARM7內核LPC2148 32位單片機，有外設豐富，頻率高，穩定性好，可發資源多，對外部設備的控制簡單方便，低功耗等優點。因此，ARM系列內核處理器廣泛應用于便攜式電子產品中，其外設豐富，低功耗的特點也非常適應本實驗箱的要求。

信號發生模塊部分,采用主流DDS(數字相位合成)技術的AD9850芯片,可以實現正弦、三角、方波(可調占空比)3種波形的輸出,頻率1Hz～1MHz,精度0.1Hz。相比于傳統的模擬型信號發生芯片，該芯片頻率范圍和精度都能得到保障，能充分滿足教學實驗中典型頻率1K～10KHz范圍的需求。系統電路如圖2所示。

圖2 系統整體電路圖

此外為了讓實驗者更加方便地使用，配合課程的教學，在實驗箱中安排了需要演示或學生練習的實驗電路，例如入門的三極管共射放大電路，運放負反饋實驗等。實驗電路板上安排不同數值的器件供選擇，引出信號輸入端、輸出端和需要測試的端口。實驗電路根據課程不同可以更改替換。由于AD9850本身對輸出電壓幅度調整不夠方便，故在信號產生后接入一級比例可調放大電路，如圖3所示，用以調整輸出信號的電壓大小。兩個電位器分別實現微調與粗調。

圖3 信號幅度控制電路

2.1.1 數據采集方式設計

數據采集部分是實驗箱的核心，可以有系統片上AD采樣USB傳輸數據和聲卡采集兩種方案。

在采樣方式上,聲卡方式依賴于計算機聲卡的性能。其采樣頻率最高為44.1KHz,雙通道,數據精度16位,幅度-1V～+1V,可以保證實時采樣。AD的采樣頻率則受USB傳輸速率的限制,最高在64KB/s。LPC2148內置了ADC,其數據精度為10位,最高采樣頻率約410KHz。因此，實時USB方式最高采樣頻率為32KHz(64KB/s，10位數據精度需要2個字節)，數據精度10位，幅度0～3V。在控制方式上，聲卡方式是單工方式數據傳輸，不具備控制功能，只是單一的數據輸入。USB方式可以實現控制，但需要驅動程序的支持。

對于教師和學生來說，在使用實驗箱時，如果采用USB的模式，需要配合相應的驅動程序。使用聲卡采集，考慮到在絕大多數計算機系統中，都具備聲卡，有非常強的便攜性。用戶只需要將信號的輸出線直接接入聲卡即可實現采集，不需要額外操作。

綜合采樣方式，控制方式和便攜性的考慮，實驗箱采用聲卡采集，在保證采用效果的同時更大地提高便攜性，同時節省成本。

2.1.2 信號顯示模塊設計

信號顯示采用輸入聲卡進行采樣，然后由計算機處理顯示。待顯示信號由轉錄線接入聲卡音頻輸出端(麥克風口)，雙聲道輸出，即可提供兩路信號的同時顯示。

由于信號顯示模塊使用聲卡采樣進入計算機，而一般聲卡本身可接受信號輸入電壓最大值在1V左右，故為保護聲卡，在信號進入計算機前加一級幅值衰減，在計算機內部虛擬儀器處將該衰減倍數乘回即可。幅值衰減電路與圖3類似。

2.1.3 數據處理顯示軟件設計

為了實現波形的顯示，需要將采樣的數據傳遞到計算機后處理。對于這些大量的數據，需要關心傳遞和處理的速度以及用戶使用的便捷程度。

目前的處理方法，可以自己開發軟件處理數據，繪制波形或者使用現成的軟件進行二次開發。自主開發軟件，例如利用VC等工具，但是需要處理大量的系統函數，開發成本較高，容易產生錯誤。

利用現成的開發工具，如Matlab，Labview。Matlab工具在處理數據上有非常優異的能力，但是由于系統需要涉及聲卡的數據采集或是USB數據通信。Matlab在對系統設備的調用控制能力不強。NI(美國國家儀器)公司的Labview工具，自帶了對系統設備的操作控件。在設備控制上有很大的優勢，開發時不需要關心如何得到聲卡采集的數據，只需調用聲卡信號采集模塊即可獲取相應數據。

由于聲卡上有可能引入來自計算機內部的干擾信號，故在分聲道后各接入一個帶通濾波器，對信號進行濾波，以獲取有用信號的較好波形，最后再接以顯示模塊進行顯示。聲卡采集模塊的采樣頻率設為44100Hz，而由于聲卡本身主要用于聲音的輸入輸出故其有效可用頻帶大致在20Hz～20KHz，即音頻信號頻率段內。提供實驗的典型頻率為1K和10K，因此完全可以滿足實驗的要求。

綜上考慮，計算機部分的驅動程序和虛擬示波器軟件，采用Labview開發，開發簡便易用，人機交互友好。采用聲卡信號采集模塊獲取由聲卡傳遞來的輸入信號，再對信號進行數字濾波等處理后，將得到的波形輸出顯示。數據處理顯示的系統框圖如圖4所示，軟件部分的編寫主要包含與計算機通信、USB設備驅動和Labview程序3部分。

圖4 采樣數據處理顯示系統框圖

2.2 系統功能與優點

便攜式實驗技術箱基于便攜，多功能以及與電腦交互使用的考慮，使用方便、安全、可靠，系統主要的特點與優點有：

2.2.1 電源支持簡便

采用輕便的開關電源提供，電源所占體積小，重量輕，方便攜帶。同時，相對普通線性電源有效率高、熱散耗低的優點。同時也可單獨由USB接口提供5V電壓。

2.2.2 信號精度高

信號發生模塊采用AD9850單片集成信號發生芯片，采用目前最主流的DDS數字相位合成技術，信號發生頻率可以從0.1Hz～125MHz，低頻端精度可達0.0291Hz，完全可以滿足實驗需求。同時基于SPI或者并行總線的控制方式，使得單片機控制非常容易。

2.2.3 便攜性強

整個系統封裝于一個小盒子中，非常方便攜帶。只需配合計算機軟件，可以輕松地完成需要的實驗。

2.2.4 采樣方便

系統采樣采用計算機聲卡輸入，同時可以采樣2路信號。由于聲卡對信號幅度和頻率有要求，系統也做了處理，以保證實際使用的需要。

2.2.5 成本低廉

相對于專業的示波器和信號發生器，本系統采用計算機上位軟件的虛擬示波器，成本大大減少。系統最主要的兩部分，MCU和信號發生模塊的成本估計在100元左右。

2.2.6 獨立編寫的驅動程序

MCU與計算器通過USB串行口通信時，需要有驅動程序支持。針對系統的功能，獨立開發了系統的驅動程序，并封裝成DLL動態鏈接庫文件。驅動程序優點在于可以根據功能的需求進行更改，DLL文件也可以輕松地被VC，Matlab，Labview等主流的開發工具調用。

2.2.7 軟件界面友好

計算機上位軟件采用NI公司的Labview軟件開發。基于Labview的大量組件，軟件調用通信、濾波器、顯示器等模塊，對于操作者界面友好。

3 系統應用

系統核心在于上位機的波形顯示，虛擬示波器的前置面板如圖5所示。通過旋轉左邊的旋鈕可以分別調節XY軸上信號的幅度。采樣信號當前的頻率和幅值可以通過左下角的Freq和Amp顯示。點擊SaveWave的OK按鈕，可以將當前波形保存至計算機中。底部可以選擇輸入信號的處理方式，包括低通、高通、帶通和帶阻濾波。

圖5 示波器面板

對三極管共射放大實驗進行測試，觀測波形。分別觀察輸入信號和輸出信號，由于采用聲卡采集的限制，在波形進入聲卡前，進行了保護限幅處理。接好外部連線，左聲道接入正弦信號，右聲道接入方波信號。啟動程序，調節頻率值為1KHz，此時系統產生1KHz的輸入信號，同時調節XY軸幅值，使波形處于適宜的狀態，觀察信號波形結果如圖6所示。

圖6 輸出波形觀察結果

為了方便觀察和驗證設備的可用性，加大輸入信號的幅值，使三極管放大輸出的波形失真至深飽和區，信號上下出現明顯失真，波形接近方波。波形采樣有1V的限幅，因此結果如圖7所示。

圖7 輸出失真波形結果

從結果中可以看出，在計算機上可以方便地觀察實驗時的信號波形，實現虛擬示波器的功能。

4 結束語

實驗箱成本控制在50元之內，在課程使用中，系統的設計內容和具體電路可以向學生開放，將本實驗箱的制作調試結合到電子技術課程的教學中來，開創自制儀器進行后續實驗的教學思路和訓練模式，成為教學中的一大亮點。

便攜式電子技術實驗箱采用了便攜式信號發生和計算機虛擬示波器結合的方式，在電子技術的教學過程中，極大拓展了實驗空間，向教師和學生提供了便利的實驗環境和便攜的儀器設備，方便教師當堂演示和學生課后自主實驗。便攜的實驗室模式和自主的訓練模式，開創了電子技術課程教學的新思路。

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Design of multi-functional portable electronic experimental box based on Labview and ARM

Jiang Junmin, Hao Ziyi, Lan Fan, Yao Yingying
Zhejiang university, Hangzhou, 310027, China

The multi-functional portable electronic experimental box is based on ARM7 LPC2148 32-bit microcontroller, integrating DDS digital phase synthesis signal generator AD9850, cooperating with computer’s communication system and the sound card’s signal collection system, and making use of a computer host process developed by Labview. After data collection, computer programs process and display the data to work as a virtual oscilloscope. The whole system and the circuit boards equipped with the common devices are placed in a small box,providing portable test environment. It brings convenience to the basic electronic experimental class presentation and students’ independent experiments and has brought about a innovaton model of interactive practice in the teaching of electronic technology courses.

portable; Labview; electronic experimental box; interactive practice

2010-11-30

姜俊敏，本科，IEEE會員。姚纓英，教授。