虛擬儀器課程中的“軟硬結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳 林， 胡 馳， 楊子樞， 王融喬

(華中科技大學(xué) a. 電子信息與通信學(xué)院; b. 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處， 湖北 武漢 430074)

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虛擬儀器課程中的“軟硬結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳 林a， 胡 馳b， 楊子樞a， 王融喬a

(華中科技大學(xué) a. 電子信息與通信學(xué)院; b. 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處， 湖北 武漢 430074)

介紹了在虛擬儀器課程中進(jìn)行“軟硬結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施方法、時(shí)間安排建議和選用的綜合項(xiàng)目。并以兩個(gè)系統(tǒng)綜合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為例，闡述了如何借助NI myDAQ和聲卡兩種不同設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，完成“軟硬結(jié)合”實(shí)驗(yàn)的方法。最后介紹了如何對(duì)虛擬儀器課程綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)展，引入到硬件課程設(shè)計(jì)中的具體實(shí)現(xiàn)方法。

虛擬儀器； 軟硬結(jié)合； 綜合項(xiàng)目； NI myDAQ； 聲卡

0 引 言

虛擬儀器是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments, NI)最早提出的，所謂“軟件即是儀器”的概念[1-3]。目前隨著計(jì)算機(jī)以及電子技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用早已突破最初的儀器控制和數(shù)據(jù)采集的范疇，而向更加縱深的方向發(fā)展，不僅可用于構(gòu)建大型的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，還常常用于系統(tǒng)控制、嵌入式設(shè)計(jì)等方面，應(yīng)用包括電子電氣、射頻與通信、航空航天、能源電力、生物醫(yī)電、環(huán)境工程等多個(gè)領(lǐng)域[4-6]。 因此在大學(xué)階段，設(shè)置相關(guān)課程，使學(xué)生通過(guò)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐掌握這一快速構(gòu)建系統(tǒng)的利器，無(wú)疑是十分必要的。

虛擬儀器系統(tǒng)通常由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成。軟件系統(tǒng)用于將計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件結(jié)合起來(lái)，完成對(duì)實(shí)際信號(hào)的采集、分析、處理和顯示等功能。硬件主要用于解決信號(hào)的調(diào)理、以及計(jì)算機(jī)中信號(hào)的輸入和輸出的問(wèn)題[7-10]。常見(jiàn)虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1所示。

可見(jiàn)要真正讓學(xué)生掌握虛擬儀器技術(shù)，除了配備必要的軟、硬件環(huán)境，如軟件采用廣泛使用的LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，硬件則主要指數(shù)據(jù)采集設(shè)備。更重要的則是在課程中進(jìn)行“軟硬結(jié)合”的綜合訓(xùn)練。

本文介紹的是我們借助NI公司myDAQ數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和計(jì)算機(jī)聲卡完成實(shí)際信號(hào)的采集，實(shí)施“軟硬結(jié)合”的虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一些經(jīng)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)的綜合項(xiàng)目。

圖1 常見(jiàn)虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)架圖

1 課程教學(xué)實(shí)施

1.1 具體實(shí)施方法及時(shí)間安排

目前我們開(kāi)設(shè)的虛擬儀器課程打破了傳統(tǒng)的以理論教學(xué)為主的教學(xué)模式，重在應(yīng)用。為此采用了集中理論授課與開(kāi)放實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。其中集中授課12學(xué)時(shí)，內(nèi)容主要包括① 虛擬儀器的概念及構(gòu)成、模塊化儀器應(yīng)用；② LabVlEW編程方法和程序設(shè)計(jì)與調(diào)試技巧；③ 數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理；④ 虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法介紹。這幾部分是本課程的理論基礎(chǔ)，以引導(dǎo)學(xué)生建立虛擬儀器系統(tǒng)的總體概念，掌握基本開(kāi)發(fā)工具。考慮學(xué)生還有其他課程的學(xué)習(xí)，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)時(shí)間約為三周。這期間實(shí)驗(yàn)室實(shí)行全開(kāi)放，學(xué)生可根據(jù)自己時(shí)間安排，自行進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行軟、硬件調(diào)試，同時(shí)也可向?qū)嶒?yàn)室借用采集設(shè)備。課程采用多元化的考核方式，除關(guān)注學(xué)生是否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)內(nèi)容，也關(guān)注每個(gè)學(xué)生在此期間的付出，其設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)新。

具體教學(xué)時(shí)數(shù)安排及內(nèi)容如表1所示。

1.2 “軟硬結(jié)合”的綜合項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

1.2.1 基于myDAQ的體感游戲手柄設(shè)計(jì)

myDAQ是由NI推出的專門(mén)用于教學(xué)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，小巧輕便。它通過(guò)USB總線與計(jì)算機(jī)通信，集成有數(shù)字萬(wàn)用表、示波器等常用8種儀器設(shè)備，包含模擬輸入、模擬輸出和數(shù)字輸入/輸出及音頻輸入/輸出等多種接口形式[11-12]，結(jié)合相應(yīng)軟件，學(xué)生不僅可以利用它實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際信號(hào)的采集，還可以利用其自帶儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際信號(hào)的測(cè)量。

體感游戲手柄系統(tǒng)是利用三軸加速度傳感器捕獲人體動(dòng)作的加速度信號(hào)，通過(guò)myDAQ對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，借助LabVIEW軟件平臺(tái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)手柄的控制功能。它將過(guò)去單純的手指運(yùn)動(dòng)與身體運(yùn)動(dòng)相結(jié)合,提供了以往純按鍵操作所不能實(shí)現(xiàn)的臨場(chǎng)游戲感和參與感。

顯而易見(jiàn)本項(xiàng)目是一個(gè)包含硬件部分和軟件部分的綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。硬件部分包括三軸加速度傳感器電路、按鍵電路和數(shù)據(jù)采集平臺(tái)myDAQ；軟件部分則利用LabVIEW平臺(tái)控制實(shí)現(xiàn)myDAQ對(duì)信號(hào)的采集、信號(hào)的顯示和鍵值的映射。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

表1 虛擬儀器課程教學(xué)安排

圖2 游戲手柄設(shè)計(jì)框圖

(1) 硬件部分。三軸加速度傳感器采用ADXL335模塊電路，它可以測(cè)量?jī)A斜檢測(cè)應(yīng)用中的靜態(tài)重力加速度，以及運(yùn)動(dòng)、沖擊或振動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。其工作電壓范圍為3～5 V ，能以±3 g 的滿量程范圍測(cè)量加速度并提供經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的模擬電壓輸出，可使用CX、 CY 和CZ 引腳上的電容XOUT、YOUT 和ZOUT 選擇該加速度計(jì)的帶寬。它可以直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。

利用myDAQ的模擬信號(hào)輸入端接收三軸加速度傳感器的x和y方向電壓信號(hào)，8路數(shù)字信號(hào)輸入/出(DIO)端，接收上、下、左、右、A、B、enter、space等8個(gè)按鍵的信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了各數(shù)據(jù)的采集。具體連接方法是：傳感器電路的VCC和GND分別于myDAQ的5V端和GND端相連，將ADXL335的X端與myDAQ的AI0+相連，Y端與AI1+相連。8個(gè)輕觸開(kāi)關(guān)連接成排線，與DIO的0～7相連。

(2) 軟件部分。軟件部分主要完成游戲選擇界面的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的采集、顯示和鍵盤(pán)的響應(yīng)。按照主體功能大致分為：加速度傳感器模擬信號(hào)采集、加速度傳感器模擬電壓顯示、按鍵數(shù)字信號(hào)采集、按鍵狀態(tài)顯示、電壓換算加速度、加速度值顯示、布爾數(shù)組轉(zhuǎn)換、模擬鍵盤(pán)響應(yīng)等幾個(gè)部分。

對(duì)于初學(xué)者，數(shù)據(jù)采集可借助DAQ助手實(shí)現(xiàn)，它提供了一個(gè)對(duì)話框式的向?qū)В梢砸龑?dǎo)快速構(gòu)建數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。而鍵盤(pán)響應(yīng)部分則可借助LabVIEW軟件平臺(tái)提供的接口函數(shù)API方便實(shí)現(xiàn)，具體調(diào)用路徑為：函數(shù)選板→互連接口→庫(kù)與可執(zhí)行程序→調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)，其中keybd_event函數(shù)用于產(chǎn)生鍵盤(pán)事件。其主體程序框圖如圖3所示。

圖3 游戲手柄主體程序框圖

1.2.2 基于聲卡的可視化電子聽(tīng)診器設(shè)計(jì)

目前計(jì)算機(jī)上配置的普通聲卡通常都具有16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)44kHz，且性能穩(wěn)定，完全可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要[13-15]，如本課程軟、硬結(jié)合綜合項(xiàng)目中的“測(cè)控系統(tǒng)”、“按鍵鋼琴” 、“電子聽(tīng)診器”等項(xiàng)目都可以利用聲卡完成數(shù)據(jù)采集。但聲卡使用時(shí)需注意它不能采集直流信號(hào)，且在使用過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)其對(duì)信號(hào)頻率采集的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)信號(hào)幅度的靈敏度，所以為使采集的信號(hào)更加準(zhǔn)確，建議先利用V/F(壓/頻)轉(zhuǎn)換模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有一定幅值的頻率信號(hào)，再通過(guò)聲卡采集信號(hào)頻率，然后借助LabVIEW的信號(hào)處理功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換、處理和顯示。可選用LM331構(gòu)成V/F轉(zhuǎn)換模塊，其轉(zhuǎn)換精度高，且外接電路簡(jiǎn)單。

LabVIEW提供了一系列與聲卡有關(guān)的函數(shù)，這些函數(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)聲卡的訪問(wèn)和操作，便于搭建基于聲卡的信號(hào)采集程序。這些函數(shù)位于“函數(shù)選板→編程→圖形與聲音→聲音”子選板上。硬件上則一般采用計(jì)算機(jī)上淺藍(lán)色的Line In口為采集輸入端，草綠色的Wave Out口為輸出端。

如“可視化電子聽(tīng)診器”項(xiàng)目要求集聽(tīng)診和簡(jiǎn)單的心電信號(hào)監(jiān)測(cè)功能于一體，實(shí)時(shí)記錄并顯示心率及心音圖，并能進(jìn)行存儲(chǔ)。本項(xiàng)目同樣是一個(gè)軟、硬結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目,系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。先通過(guò)自制的合成傳感器，即將傳統(tǒng)聽(tīng)診器探頭與駐極體電容式傳聲器相連，以實(shí)現(xiàn)心音信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于轉(zhuǎn)化的電信號(hào)較小，且其中還含有很多噪聲，如人體內(nèi)部其他器官的活動(dòng)噪聲等等[16]，則必須設(shè)法去除這些噪聲，提高心音信號(hào)的信噪比，所以還需經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波等工作。基于聲卡的信號(hào)采集模塊的作用則是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，最后LabVIEW軟件對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示和儲(chǔ)存。

圖4 電子心音聽(tīng)診器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

利用聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的程序框圖如圖5所示，程序中應(yīng)用了配置聲音輸入函數(shù)和讀取聲音輸入函數(shù)，分別用于設(shè)置聲音采集的相關(guān)參數(shù)和聲音信號(hào)的讀取。

由此可見(jiàn)，即使沒(méi)有條件配置商用數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，也可充分利用計(jì)算機(jī)中配置的聲卡，引入合適的綜合項(xiàng)目，完成“軟硬結(jié)合”的綜合訓(xùn)練。

2 結(jié) 語(yǔ)

三屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐證明，在虛擬儀器課程中采用“軟硬結(jié)合”的綜合項(xiàng)目訓(xùn)練，可使學(xué)生對(duì)虛擬儀器技術(shù)有更全面的理解和認(rèn)識(shí)，對(duì)如何借助先進(jìn)設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程有更深刻的體會(huì)和掌握，教學(xué)效果也較以前有明顯提高。學(xué)生普遍反映在課程中收獲很多，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。有些學(xué)生還積極利用所學(xué)在課后參加了科技創(chuàng)新活動(dòng)，創(chuàng)作出了富有生活情趣的作品。

同時(shí)這些虛擬儀器課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q和擴(kuò)展還可用于“硬件課程設(shè)計(jì)”課程中，如在電路設(shè)計(jì)中可結(jié)合運(yùn)用EDA仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，以獲取最佳參數(shù)，并完成電路的焊接制作等等。

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Experimental Teaching of “Software and Hardware Combination” in the Course of Virtual Instrument

CHENLina,HUChib,YANGZi-shua,WANGRong-qiaoa

(a. School of Electronic Information and Communications; b. Administration Department of Lab and Equipment, HUST, Wuhan 430074，China)

This paper introduces implementation method, time arrangement and comprehensive design projects in the “software and hardware combination” experimental teaching for the course of virtual instruments. Two systems are taken as examples, the paper describes how to implement the data acquisition and the "software and hardware combination" experimental method with the help of NI myDAQ and sound card. Finally, the paper introduces how to extend the comprehensive design project of virtual instrument course, and introduces the method to realize the design of hardware.

virtual instruments; software and hardware combination; comprehensive project; NI myDAQ；sound card

2015-08-14

華中科技大學(xué)2013實(shí)驗(yàn)技術(shù)資助項(xiàng)目

陳 林(1968-)，女，浙江杭州人，碩士，高級(jí)工程師，從事虛擬儀器技術(shù)、EDA技術(shù)和電子技術(shù)的教學(xué)研究工作。

Tel.：13618664056; E-mail：lchen@hust.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2016)03-0089-03