基于LabVIEW的電子電路虛擬實驗平臺設計與實現

廖柏林　毛凱文　劉暢　馬川　周元玲

【摘 要】運用虛擬儀器替代傳統實驗設備，不但能節省實驗器材資源、降低實驗室建設成本，而且可為學生提供一個更加方便的實驗平臺，提高老師的教學質量、實現設備資源的共享。本文采用模塊化的設計思想，利用LabVIEW軟件開發設計電子電路虛擬實驗平臺。通過不斷地調試和實驗，得到了準確的實驗結果，驗證了基于LabVIEW電子電路虛擬實驗平臺的可行性。同時虛擬實驗平臺可以用于日常的多媒體教學中，激發學生的學習興趣，具有一定的實用性和可靠性。

【關鍵詞】電子實驗；虛擬實驗平臺；LabVIEW；教學改革

1 教學現狀與虛擬實驗平臺開發工具的簡介

電子信息工程專業有兩個顯著的特點：一是，學科知識比較抽象，比如模擬電路、數字電路、信號與系統課程等等。二是，對學生的實踐和動手能力要求比較高，并且還要學會與自己上課學的理論知識緊密的聯系在一起。現在大多數高校的實驗教學基本上是一個模式，老師上課前先講實驗的基本內容，然后老師演示一遍，學生照著老師的演示做一遍得出相同的結果，實驗課就這樣結束。這樣，學生根本就學不到實驗的基本技能，而且會導致他們的動手能力和思考能力的下降，不利于激發學生地創新性思維。

虛擬技術的出現，改變了傳統儀器單一的現狀。LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，類似于C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的又有顯著區別：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G語言編寫程序，產生的程序是框圖的形式。在編程過程中用圖標代替文本行創建應用程序，而且還擁有豐富的函數庫和工具包，使用非常方便，可以采用自上而下的理念開發相應的模塊[1]。

LabVIEW軟件開發的程序一般都由VI（虛擬儀器）組成，所有的VI（虛擬儀器）包括前面板和程序框圖兩部分。前面板是和用戶交互的界面，程序框圖是設計者設計流程。用戶可以通過前面板輸入數據，按照編寫的程序以數據流方式進行計算，最后將結果反饋到顯示控件上，用戶直觀的得到結果[2]。

2 虛擬實驗平臺的思路和基本框架

本實驗平臺包括《電路分析基礎》課程中常見的電路實驗，比如RLC串聯諧振電路、二階電路的零輸入響應、支路電流法、節點分析法、一階低通電路的頻率響應。每個實驗都是根據電路分析實驗指導書上的實驗原理、教學目標、實驗內容和步驟設計。然后通過LabVIEW軟件編程、設計人機交互界面達到更好的效果。虛擬實驗平臺的基本框架如圖1所示，本文以支路電流法來闡述怎樣利用LabVIEW實現實驗設計過程。

用支路電流法可以驗證基爾霍夫電流定律，基爾霍夫電流定律的基本內容是：對于任一集總電路中的任一節點，在任一時刻，流出（或流入）該節點的所有支路電流的代數和為零。所以可以根據基爾霍夫電流定律的基本內容來設計支路電流法實驗。利用LabVIEW圖形化編程的特點，在前面板上放置8個數值型輸入控件，設置好相應的單位，分別代表電阻、電壓，且數值均可以調整。然后在前面板放置5個顯示控件，用來顯示5條支路上的電流。通過修飾控件，可以在前面板建立電路圖，如圖2所示。

使用MathCript節點生成線性方程組的系數和已知向量[3]，就可以求解方程組。利用選項卡控件可以添加實驗目的和實驗步驟，通過程序的調試和幾次實驗驗證，實驗結果可靠準確，支路電流法實驗設計完畢。

將設計的5個實驗添加到一個容器中，LabVIEW里面的函數就可以調用VI（虛擬儀器）。生成的菜單如圖3所示。

3 結語

隨著虛擬儀器技術的發展，傳統儀器設備壽命周期短以及不利于資源共享的缺點愈來愈凸顯。結合我校實際，本文設計了我校電子電路虛擬實驗平臺，經過不斷的調試已成功用于實際實驗中，且實驗效果較好。后續我們將繼續完善該虛擬實驗平臺并在適當范圍內進行推廣，以期獲得更好的教學改革效果。

【參考文獻】

[1]吳俊.基于LabVIEW的虛擬實驗室研究[D].南昌：南昌大學，2012.

[2]李靜.LabVIEW2013完全自學手冊[M].北京：化學工業出版社，2015.

[3]司慧玲.基于LabVIEW的虛擬電工與電子實驗的設計[D].南京：南京理工大學，2012.

[責任編輯：朱麗娜]