基于虛擬儀器技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉素貞, 饒諾歆, 李 華, 徐桂芝

(河北工業(yè)大學(xué) 電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建實(shí)驗(yàn)室, 天津 300130)

基于虛擬儀器技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉素貞, 饒諾歆, 李 華, 徐桂芝

(河北工業(yè)大學(xué) 電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建實(shí)驗(yàn)室, 天津 300130)

針對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備緊缺的問題,利用LabVIEW軟件構(gòu)建了虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有用戶登錄、用戶信息、用戶管理和具體實(shí)驗(yàn)等4級(jí)界面,可進(jìn)行電工類、電子類、儀器儀表類和學(xué)生自主設(shè)計(jì)等4類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shù)提升實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的性能和利用率,為學(xué)生提供了一個(gè)自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的平臺(tái)。

虛擬儀器技術(shù)； 電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； LabVIEW； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

近幾年來,隨著高校招生規(guī)模的擴(kuò)大,對(duì)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生了很大的影響。學(xué)生人數(shù)增加,需要的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備也相應(yīng)增加,這與學(xué)校實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備數(shù)量的不足產(chǎn)生了矛盾。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備購置存在資金投入大、損壞率高、維護(hù)不方便等問題,往往難以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求[1-3]。

本文以虛擬儀器LabVIEW軟件為開發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)了河北工業(yè)大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)擴(kuò)展性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、交互性強(qiáng),可大大緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊缺的問題。利用該平臺(tái),學(xué)生可以完成多種實(shí)驗(yàn),并且不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的限制,提高了學(xué)習(xí)效率,并且強(qiáng)化了不同的理論知識(shí)間的聯(lián)系,鍛煉了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

1 虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)解決的關(guān)鍵問題

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用概況

針對(duì)實(shí)驗(yàn)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(diào)實(shí)驗(yàn)室的人才、設(shè)備等資源,豐富實(shí)驗(yàn)室開放方式,充分利用虛擬儀器技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力,挖掘?qū)W生的綜合創(chuàng)新潛能,為其個(gè)性發(fā)展、創(chuàng)新能力的提升提供平臺(tái)。

如今越來越成熟的虛擬儀器(virtual instrument,VI)技術(shù)為解決實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備不足的問題提供了充分的可能?；谔摂M儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是建立在軟件教學(xué)基礎(chǔ)上的,虛擬儀器具有交互性強(qiáng),數(shù)字化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化容易等特點(diǎn),十分有利于從整體上提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[4]。虛擬儀器主要由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件3部分構(gòu)成,它充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、控制能力和儀器硬件測(cè)量的優(yōu)勢(shì),利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和分析[5-8]。LabVIEW平臺(tái)是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)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(jiǎn)潔易懂、使用方便,VI是LabVIEW編程中的基本程序單元。一個(gè)完整的VI由前面板、程序框圖和圖標(biāo)組成[11-12]。

目前許多國(guó)家已經(jīng)將虛擬技術(shù)普及到了普通高等教育中。愛丁堡大學(xué)采用Matlab仿真軟件和Java編程構(gòu)建了虛擬實(shí)驗(yàn)室；麻省理工學(xué)院建立了WebLab實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)；新加坡國(guó)立大學(xué)建立了遠(yuǎn)程示波器實(shí)驗(yàn)和壓力容器實(shí)驗(yàn)[13-15]。目前國(guó)內(nèi)超過50所高校創(chuàng)建了以LabVIEW等軟硬件為基礎(chǔ)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室,其中包括NI公司與學(xué)校建立的20多個(gè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。清華大學(xué)綜合了Isapi、Java、Matlab引擎嵌入和網(wǎng)絡(luò)多媒體等諸多當(dāng)前計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的最新技術(shù),實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)[16]。

1.2 原有常規(guī)設(shè)備與虛擬儀器的協(xié)調(diào)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(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的功能和利用率。通過設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)硬件復(fù)用。一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)室利用常規(guī)設(shè)備完成,大量的數(shù)據(jù)測(cè)試、開放設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)等可以通過虛擬儀器系統(tǒng)完成,從而解決實(shí)驗(yàn)資源緊張的問題。

1.3 通識(shí)教育、基本技能和創(chuàng)新教育的協(xié)調(diào)問題

根據(jù)各專業(yè)特點(diǎn),遵循學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的基本規(guī)律,分層次設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中的各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,由簡(jiǎn)到繁、由易到難、循序漸進(jìn)地設(shè)計(jì)典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(cè)試、選擇元件自行設(shè)計(jì)電路等不同方法實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué),將對(duì)發(fā)展現(xiàn)代教育思想、優(yōu)化教學(xué)過程具有重要影響。

1.4 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、開放實(shí)驗(yàn)的管理問題

集開放和共享于一體的虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),它的使用不受時(shí)間和地域的限制。學(xué)生在校園網(wǎng)的任何節(jié)點(diǎn)都可參與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。為保護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的安全,在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中建立了一個(gè)標(biāo)識(shí)與認(rèn)證模塊,通過用戶授權(quán)、身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密來保護(hù)數(shù)據(jù)安全。為了檢測(cè)學(xué)生進(jìn)行開放實(shí)驗(yàn)的情況,在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中建立一個(gè)統(tǒng)計(jì)匯總模塊,當(dāng)學(xué)生通過身份驗(yàn)證后,將該記錄寫進(jìn)統(tǒng)計(jì)表中,最后對(duì)統(tǒng)計(jì)匯總的數(shù)據(jù)表進(jìn)行歸納分析,自動(dòng)生成使用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式頻度圖。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的總體構(gòu)建

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由4級(jí)界面構(gòu)成,分別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(gè)具體實(shí)驗(yàn)的子界面。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體構(gòu)建框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

為了實(shí)現(xiàn)虛擬電工電子實(shí)驗(yàn),根據(jù)LabVIEW的使用特點(diǎn),平臺(tái)總設(shè)計(jì)分前、后兩個(gè)面板,前面板相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器中的外部控制面板,后面板則是實(shí)現(xiàn)前面板功能的程序框圖,相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器中的內(nèi)部實(shí)際電路。

3 電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要完成4類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):電工類、電子類、儀器儀表類、學(xué)生自主設(shè)計(jì)類。其中,電工類、電子類、儀器儀表類的每個(gè)模塊都闡述了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)功能,給出了具體的程序設(shè)計(jì)方案。學(xué)生自主設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是探索創(chuàng)新,由教師給學(xué)生提供一些實(shí)際工程中的課題或者理論研究課題,給出基本要求,學(xué)生自己查閱資料、制定實(shí)驗(yàn)方案,在實(shí)踐過程中提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

本文以虛擬示波器的設(shè)計(jì)為例,介紹利用LabVIEW軟件開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的基本思想。

虛擬示波器一般是軟硬件相結(jié)合。硬件部分實(shí)際是USB數(shù)據(jù)采集卡,軟件部分是實(shí)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(jié)合的方式,利用虛擬信號(hào)發(fā)生器代替硬件部分的數(shù)據(jù)采集卡,實(shí)現(xiàn)了純軟件設(shè)計(jì),并開發(fā)出對(duì)采集信號(hào)的控制與處理、數(shù)據(jù)測(cè)量、頻譜分析、波形打印等功能,具有方便、快捷、可擴(kuò)展性。

虛擬示波器的前面板如圖2所示,整個(gè)界面設(shè)計(jì)模擬了傳統(tǒng)虛擬示波器的布局,具有良好的人機(jī)交互功能。

圖2 虛擬示波器前面板的設(shè)計(jì)

虛擬示波器的主程序設(shè)計(jì)如圖3所示,整個(gè)程序框圖采用while循環(huán)結(jié)構(gòu),里面包含5個(gè)事件結(jié)構(gòu),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(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集模塊中,通過采用布爾和枚舉型控件實(shí)現(xiàn)對(duì)通道A和通道B信號(hào)參數(shù)的設(shè)置,包括通道控制、觸發(fā)控制和時(shí)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(shí)存儲(chǔ)在內(nèi)存中,然后對(duì)采集到的波形進(jìn)行處理和運(yùn)算。

在波形顯示模塊中,利用下拉列表控件實(shí)現(xiàn)對(duì)A、B顯示模式的轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)波形疊加,并調(diào)用波形顯示模塊顯示處理和運(yùn)算后的雙通道波形.

在頻譜分析模塊中,調(diào)用FFT功率譜函數(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的頻域信號(hào)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(cè)量,采用局部變量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入或讀取。波形文件存儲(chǔ)一個(gè)二維數(shù)組,采集周期文件存儲(chǔ)單值,參數(shù)測(cè)量通過調(diào)用“scope measure”子VI來實(shí)現(xiàn)波形的電壓、頻率、幅值、占空比等參數(shù)測(cè)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(dòng)送往打印機(jī)。

通過選擇通道A、B的參數(shù)和信號(hào)類型,可以得到不同的波形參數(shù)。例如:設(shè)置A、B兩個(gè)通道的信號(hào),通道A的信號(hào)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(hào)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(jìn)行“A+B”和“A-B”的數(shù)據(jù)處理,并顯示兩通道信號(hào)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(jié)語

本文基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行了電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì),為學(xué)生提供了一個(gè)自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所采用的開放式結(jié)構(gòu),使實(shí)驗(yàn)靈活多樣,給學(xué)生留下很大的創(chuàng)造空間。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)模塊,不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足,而且提高了對(duì)虛擬儀器技術(shù)的軟件編程能力和創(chuàng)新能力。

虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)是目前國(guó)內(nèi)高校研究的熱點(diǎn)。把虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué),大力推廣虛擬儀器的應(yīng)用,無論對(duì)加速發(fā)展我國(guó)自己的電子儀器儀表工業(yè),還是提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平都是極其有益的。

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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(guó)家自然科學(xué)

(51077036)資助；河北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目(201502002)

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

E-mail：szliu@hebut.edu.cn

TP391.9；G642

: A

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