基于虛擬儀器的實驗與實踐教學研究

劉淑聰 張瑾琳

摘 要 目前一些高校實驗資源緊缺、教學效率低下，無法滿足電子類、信號處理類等課程的實驗和實踐教學要求，將虛擬儀器技術應用到教學和實踐，使教學效果和學生實踐動手能力得到了極大的提高。利用LabVIEW技術,開發的虛擬教學實驗系統非常適合于電子類、信號處理類等課程的虛擬仿真教學，也為學生動手實踐提供了很好的機會。通過結合教學實例，說明虛擬教學實驗系統對進一步深入開展教學實踐的改革與創新具有重要的意義。

關鍵詞 虛擬儀器 LabVIEW 電子電工 實驗實踐教學

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A

Experiments and Practice Teaching Research on Virtual Instrument

LIU Shucong, ZHANG Jinlin

(Institute of Disaster Prevention, Sanhe, Hebei 065201)

Abstract According to the problem of laboratory resources shortage, inefficient teaching, not meeting experimental and practice teaching requirements of the electronics and signal analysis program for some college at current，the virtual laboratory are taken into the teaching and practice, and the teaching effectiveness and the practical ability of students have been greatly improved. By using LabVIEW, the virtual teaching laboratory system were ideal for virtual simulation of experimental teaching program such as electronics, signal processing and so on, and also gave opportunity for students practice. Teaching research examples showed that the virtual teaching experimental system were of great significance for further into the reform and innovation of the teaching practice.

Key words virtual instruments; LabVIEW; electronics and electrical; experimental and practical teaching

0 引言

隨著電子技術、計算機技術和網絡技術的高速發展及其在電子測量技術與儀器領域中的應用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領域以及新的儀器結構不斷出現，傳統儀器顯得越來越力不從心。許多學校存在儀器設備缺乏和過時陳舊，實驗室設備利用率低等現象，嚴重影響教學科研效果。學生不能真正地掌握實驗，培養過關的動手能力，并且通常根據學校教學要求，實驗室所完成的實驗都是一些簡單的驗證性實驗，有些學生想要更深入地完成一些復雜的實驗以及一些設計性的實驗，學校一般不能提供相應的條件。

虛擬儀器①②是電子計算機技術與現代測量技術的產物，利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。LabVIEW③④（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發環境，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。LabVIEW盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件，可充分發揮計算機的能力，有強大的數據處理功能，可以創造出功能更強的儀器，用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器。

將虛擬儀器引入到教學實驗中，用LABVIEW構建一個虛擬教學實驗系統，在教學中采用虛擬實驗室，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儀器基本相同，還可減少儀器設備的損壞，降低教師的勞動強度，從而建立一種新型的實驗教學方式，進一步提高實驗教學質量與效果。下面結合具體的設計實例說明虛擬教學系統的構建。

1 虛擬實驗教學平臺的構建

1.1 虛擬實驗系統模塊建立

虛擬實驗系統主要用于教學實驗的仿真模擬，完全擺脫了硬件的限制。根據實驗的內容和要求，首先在LabVIEW環境下，分別模擬出各種實驗儀器，其中包括虛擬信號發生器，虛擬數字示波器，虛擬頻譜分析儀，虛擬數字濾波器等實驗教學儀器，在此基礎上又構建了三個相應實驗模塊，分別為基礎性實驗，綜合性實驗和創新性實驗。每一個模塊為一個獨立的實驗子系統，以完成特定的實驗內容。所有這些子系統模塊由一個主程序模塊來控制，主模塊則以主程序界面的形式來體現。此外還設置了程序的啟動模塊用以此外還設置了程序的啟動模塊用以啟動主程序。實驗系統的構成如圖1所示。

1.2 虛擬信號發生器

（1）功能描述。在很多情況下需要再沒有硬件的情況下對系統進行仿真或驗證系統是否正確，在某些情況下可能還需要通過D/A變換向硬件輸出波形，此時需要波形發生函數來模擬產生需要的波形。該信號發生器可按不同的需求產生各種各樣的波形。信號類型可以通過公式輸入產生各種波形，產生信號的頻率范圍可輸入，幅值范圍可輸入。

（2）設計步驟。

設計的前面板如圖2所示。

（3）運行檢驗。

設置正弦信號f =10Hz，幅值=1.0V，發生信號為sin(w*t)*sin(2*pi(1)*t)，，生成的正弦波如圖2所示。

1.3 虛擬低通濾波器

（1）功能描述。在信號傳輸過程中，由于外界的干擾，經常會混入高頻噪聲。因此在測量信號時希望把這些來自外部的高頻噪聲信號去掉。通常的做法都是采用低通濾波器將高頻噪聲濾掉。

（2）濾波原理。信號源由一個正弦信號與一個經過高通濾波的高頻信號迭加而成。高通濾波器的截止頻率為100Hz，即濾掉頻率小于100 Hz的低頻噪聲分量。信號濾波器為Butterworth濾波器，截止頻率為30 Hz，即濾掉頻率大于30 Hz的噪聲分量。

（3）設計步驟。添加參數輸入型數字控件，用以設置低通濾波器的低截止頻率。增加三個輸出顯示型控件，分別用以采樣頻率，采樣數，信號頻率，設計完畢的前面板如圖4所示。從圖中可以得出，不管是從時域還是頻域，低通濾波器都很好地濾掉低頻噪聲分量。前面板上的采樣頻率、采樣數、信號頻率，學生可以自行取值，前面板右側的四個圖可以直觀地顯示原信號及濾波后的信號特征。

流程圖設計。執行functions>>analyze>>signal processing >> filter >>butterwoeth filter.vi操作，調入巴特沃斯濾波器圖標。設計完畢的流程圖如圖5所示。

上述示例的虛擬信號發生器與低通濾波器是僅虛擬教學實驗系統的一部分模塊，還可以實現諸如虛擬示波器、函數發生器、頻譜分析儀等其他功能。

2 虛擬儀器在實踐教學中的應用

在課程綜合設計和實踐中，受實驗經費、實驗場地、實驗耗材等條件的限制，綜合性、設計性實驗比例偏少，不利于促進學生自主創新意識和創新能力的培養。LABVIEW將軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機集成在一起，建立虛擬儀器系統，形成用戶自定義的解決方案，成為專門數據采集與儀器控制，數據分析和數據表達而設計的圖形化編程軟件。非常適合學生做一些綜合性、設計性的課程設計，比如數據采集系統、智能溫度控制系統、多功能數字電壓表等綜合性的設計，這些都能夠很好地提高學生的能力，促進學生自主創新意識和創新能力的培養。下面以基于LABVIEW的數據采集系統的設計為例簡單說明。

2.1 數據采集系統設計方案

傳統的數據采集系統大多數是以單片機作為控制核心再加上一些常用外圍電路來構建系統的, 數據顯示也多是應用數碼管記錄或應用RS232/485等通信方式直接上傳PC機。為了改進數據采集的速率等性能，可以采用LabVIEW和Protel兩種軟件共同設計的數據采集系統。數據采集系統的設計分為下位機數據采集部分和上位機數據實時監測部分。下位機部分主要完成溫度信息的采集功能，上位機部分通過利用LabVIEW軟件設計界面，完成將接收的數據進行簡單處理后實時顯示，并且可以實現串口調試，溫度上下限設置以及超限報警等功能。

以AT89C52單片機和DS18B20數字溫度傳感器為核心的下位機，實現了對溫度的采集和發送，通過虛擬串口軟件VSPDXP5產生一對虛擬串口COM3、COM4，這樣就可以將上位機和下位機連接起來實現對溫度的采集并且在上位機中通過虛擬儀器顯示出來。設計中采用LabVIEW實驗室虛擬儀器開發平臺，它是一個高效的圖形化程序設計環境，結合了簡單易用的圖形式開發環境與靈活強大的G編程語言，提供了一個直覺式的環境，與測量緊密結合。

2.2 基于LabVIEW的上位機界面設計

在LabVIEW中開發程序包括前面板和程序框圖兩部分。前面板如圖6所示，具有串口測試、波形顯示、數據設置以及報警等功能。

程序框圖如圖7所示。串口通信程序通過VISA來設計。程序框圖中通過VISA來配置、讀寫以及關閉串口。串口測試按鈕和數據采集按鈕通過與非門和與門來實現互鎖，在波形圖表前添加當前時間設置功能。

運行LabVIEW軟件進行仿真測試，就可以看到由下位機發送的溫度數據。設置合適的溫度上下限，當溫度超過/低于此溫度時會報警，并且上位機界面中的相應指示燈會點亮。在下位機單片系統中，通過手動改變DS18B20上的溫度，可以在上位機界面中看到溫度隨之改變，系統的功能可以實現。

3 結論

在實驗和實踐教學中應用虛擬儀器技術，對于促進實驗和實踐教學有著廣泛的優勢。它方便靈活而且開發周期短，可以提高實驗效率、降低實驗成本、增強學生學習的積極性，取得較好的教學效果，具有傳統實驗所無可比擬的優勢。今后，在實踐教學和學生畢業設計中，都可以結合虛擬儀器技術，提高學生的綜合能力。此外，進一步構建基于虛擬儀器系統的網絡虛擬實驗室，將基于虛擬儀器系統實際應用于遠程實驗教學是今后的發展方向。

注釋

① 虞惠華,俞承片.虛擬儀器(VI)——計算機在儀器領域的中的應用[J].半導體技術,1997(5):19-22.

② 程雪敏,仲蓁蓁.基于LabVIEW的虛擬儀器實驗教學系統的設計[J].計算機與信息技術,2010(10):90-91.

③ 楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW程序設計與應用.電子工業出版社,2005.

④ 侯國屏,王珅,葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京:清華大學出版社,2005.