基于虛擬儀器的便攜式多功能綜合電子實驗平臺的設計

張磊

(中國民航大學 基礎實驗中心，天津300300)

1 項目設計背景

在電子實驗及實踐課程的教學過程中，以及在學生大創項目和電子設計大賽的培訓過程中主要存在以下幾個問題：

1.1 實驗設備、實驗場地的限制往往不能滿足學生進行實驗學習的需要；在實驗實踐課程的教學中，實驗設備、實驗場地的限制難以滿足學生及教師的實驗需求。每門課程都需要配備一到兩個實驗箱，還要配備相應的測試儀器包括示波器、信號發生器等，成本高、通用性差。

1.2 大部分“口袋實驗室”的研究中，沒有便攜式的測試儀器供學生借用，學生無法測量實驗結果；在“口袋實驗室”的研究過程中，學生借閱了實驗板之后，如果需要用到示波器、信號發生器等實驗儀器測試實驗結果時，還是要回到實驗室來測試，大大局限了“口袋實驗室”的應用范圍和應用效果，如果能讓學生擁有自己的一個便攜式多功能實驗平臺，不僅能提供做實驗時的實驗板，還能提供測試儀器，才能真正滿足學生在宿舍、教室等任何地方都可以開展實驗學習的需求，才能促使“口袋實驗室”被廣泛應用。

1.3 在學生大創項目和電子設計大賽的培訓過程中，創新實踐基地實驗設備有限，實驗儀器較少，大大打擊了學生學習創新的積極性；學生在做大創項目時，或者在電子設計大賽的賽前培訓時，常常需要先掌握單片機、FPGA、嵌入式等方面的基本知識，由于實驗室和創新基地實驗設備有限、實驗儀器較少，使得很多學生有想法、有興趣卻沒有實驗設備去實現，大大打擊了學生學習及創新的積極性，如果“口袋實驗室”能給他們提供一些實驗板和測試儀器，供他們借閱使用，他們可以隨時隨地進行實驗創新，實現自己想法和創意，將大大激發學習興趣、促使學生提高自主學習和創新的能力。在此背景下，該項目提出了一種基于虛擬儀器的便攜式多功能實驗平臺，該實驗平臺不僅包含了可用于做FPGA、單片機、嵌入式實驗的多功能實驗板，還包含了虛擬測試儀器，包括示波器、函數信號發生器、數字萬用表、邏輯分析儀等多種常用虛擬儀器。利用該實驗平臺，學生在宿舍、教室等任何地方都可以開展實驗學習，促使學生自主思考發現問題，激發學習興趣，培養學生的創新實踐能力。

2 項目設計方案

該實驗平臺結構如圖1 所示，其設計方案主要包括以下兩個方面：一是利用NI MyDAQ 作為數據采集卡，以LabVIEW 開發常用的虛擬儀器來代替實驗室中的萬用表、示波器、信號發生器等儀器設備；二是制作一塊可用于做FPGA、單片機、嵌入式實驗的多功能實驗板。將該實驗板和MyDAQ 數據采集設備封裝于一個小的便攜式實驗箱內，學生可以利用該實驗箱隨時隨地進行實驗學習、課程設計和項目開發。

2.1 計算機

計算機作為該實驗平臺的上位機，虛擬儀器軟件采用Labview開發，Labview軟件開發簡便易用，人機交互友好。利用該虛擬儀器可以構成包括示波器、函數信號發生器、數字萬用表、邏輯分析儀等多種常用虛擬儀器。

2.2 NI MyDAQ 作為數據采集卡

在之前的虛擬儀器開發中，大部分采用專用的數據采集卡配工控機來實現數據采集，或者在采樣精度要求不太高的情況下采用聲卡作為數據采集設備，但都不滿足“口袋實驗室”對數據采集設備便攜性、采樣精度、多測量通道等方面的要求，因此，選擇NI 公司生產的便攜式的數據采集設備MyDAQ，其便攜性好，且具有2 路差分模擬輸入與2 路模擬輸出、8 路數字輸入與數字輸出接口、1 路音頻輸出與輸入口，該數據采集模塊主要完成對信號的采集和信號的輸出。

2.3 多功能實驗板

該實驗板主要包括兩部分內容，一部分是核心板，針對不同的課程，配備不同核心板，包括FPGA 核心板、單片機核心板、嵌入式核心板等，核心板主要是最小系統板，主要包括系統時鐘、電源和復位等模塊；另一部分是這幾門課程通用的實驗板主板，主要包括數碼管、按鍵、LED 燈、蜂鳴器、電機、點陣模塊、傳感器接口、USB 接口等模塊，其中部分模塊的原理設計圖如圖2所示。核心板插接在通用主板上構成多功能便攜式“口袋實驗室”的實驗板。

數碼管：

圖2 部分模塊原理圖

3 實驗平臺的應用效果

該項目主要構建一個基于虛擬儀器的便攜式多功能電子實驗平臺。該實驗平臺不僅可用于《電子技術實驗（II）（數字）》、《電子技術應用設計》、《單片機課程設計》等課程，還可用于學生做大創項目或電子設計大賽的賽前培訓等，學生普遍反映使用效果良好。該實驗平臺便攜性強、測試儀器全面、功能強大，主要用于“口袋實驗室”，學生借閱該實驗平臺后可以在宿舍、教室等任何地方都可以開展實驗學習，他們可以隨時隨地進行實驗創新，實現自己想法和創意，將大大激發學習興趣、促使學生提高自主學習的能力。