虛擬儀器在電子競賽測試中的應(yīng)用

摘要：本文介紹虛擬儀器的概念及優(yōu)點(diǎn)，并提出一套針對電子競賽評測設(shè)計(jì)的虛擬測試系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；電子競賽；測試系統(tǒng)

虛擬儀器(Virtual Instruments，簡稱VI)是目前國內(nèi)外測試領(lǐng)域比較關(guān)注的熱點(diǎn)。它是一種硬件和軟件相結(jié)合的產(chǎn)物，其最大的特點(diǎn)是突破了傳統(tǒng)儀器由廠家設(shè)計(jì)，用戶只能被動使用的模式。與傳統(tǒng)儀器相比，用戶可以根據(jù)需求靈活組建虛擬儀器，這類應(yīng)用模式的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代測試技術(shù)發(fā)展的最新方向。本文以電子競賽測試中運(yùn)用的虛擬儀器技術(shù)為例，展示了虛擬儀器在自動化測試中的嶄新應(yīng)用方式。

電子競賽的重要意義

二十一世紀(jì)是一個(gè)信息化高度發(fā)展的時(shí)代，電子信息技術(shù)是信息社會的基礎(chǔ)，也是信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)的手段。全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽對電子信息類創(chuàng)新人才的培養(yǎng)起到了極大的促進(jìn)作用。自1994年創(chuàng)辦以來，已經(jīng)有越來越多的省市高校積極參與其中，并取得了良好的效果。電子設(shè)計(jì)競賽不僅是對學(xué)生理論知識的考察，更是對學(xué)生綜合素質(zhì)的考核，鍛煉學(xué)生自主設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、相互協(xié)作、論文撰寫等多方面的能力，使學(xué)生的創(chuàng)新能力在競賽中得到充分的發(fā)揮和鍛煉。目前，大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽已越來越成為有關(guān)高校檢驗(yàn)教學(xué)改革、學(xué)生綜合素質(zhì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，高校也把組織學(xué)生參加電子競賽作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要手段，相繼開展了很多類似的電子競賽。其中，競賽測評是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，往往傳統(tǒng)的人工測評會帶來很多誤差，造成測評不夠準(zhǔn)確。為提高測評的準(zhǔn)確性，公正性，在這里我們提出使用先進(jìn)的虛擬儀器的思想，設(shè)計(jì)出一套針對性較強(qiáng)的測試系統(tǒng)。

虛擬儀器的特點(diǎn)

虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，硬件接口技術(shù)和軟件技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、存儲功能，配合相應(yīng)的硬件(如程控儀器、數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡等)和專用軟件來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的基本功能，并且還能實(shí)現(xiàn)一些傳統(tǒng)儀器所不能完成的特殊功能，例如數(shù)據(jù)的擬和、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析、顯示與存儲。

虛擬儀器系統(tǒng)的核心是軟件技術(shù)，軟件開發(fā)環(huán)境是其重要的組成部分，目前應(yīng)用最廣泛的是NI公司的LabVIEW(Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺)。它運(yùn)用形象的圖形化的G語言進(jìn)行編程，程序直觀易懂，使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。開發(fā)人員不必像用VC，VB編程時(shí)把精力放在界面設(shè)計(jì)上，只需集中力量在如何實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析上面。這樣，即使從未從事過可視化編程的人員也可以輕松上手，從而提高科研效率。LabVIEW還提供了多種強(qiáng)有力的工具箱和函數(shù)庫，并集成了豐富的硬件驅(qū)動程序和標(biāo)準(zhǔn)的程控命令模塊以及數(shù)據(jù)分析處理模塊(例如FFT變換、時(shí)序分析、小波分析等)，用戶可根據(jù)不同需求隨心所欲的進(jìn)行設(shè)計(jì)。充分體現(xiàn)了Nl公司提出的“軟件就是儀器”的設(shè)計(jì)思想。LabVIEW還支持多種操作系統(tǒng)平臺，在任何一個(gè)平臺上開發(fā)的LabVIEW應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺上。

虛擬儀器在電子競賽中的應(yīng)用

下面以實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的虛擬儀器系統(tǒng)為例，說明虛擬儀器在電子競賽測試中的重要作用。傳統(tǒng)測試中，通常會因?yàn)橐恍┤藶橐蛩卦斐蓽y試結(jié)果不夠精確，如人眼觀看數(shù)據(jù)參數(shù)精度達(dá)不到要求，當(dāng)兩組競賽作品技術(shù)指標(biāo)接近的時(shí)候很難區(qū)分等；另外，有一些題目因?yàn)閭鹘y(tǒng)儀器無法對其測試而使電子競賽出題范圍受到限制。運(yùn)用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)將有效地解決以上問題。以本次哈博杯電子設(shè)計(jì)競賽為例，其中一道題目是設(shè)計(jì)二階有源濾波器，測試電路頻響特性曲線，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算其中心頻率、3db帶寬、矩形系數(shù)并打印測試記錄。根據(jù)這一題目，我們運(yùn)用程控電源、程控信號源、程控?cái)?shù)字萬用表配以LabVIEW開發(fā)環(huán)境，建立一套虛擬儀器測試系統(tǒng)如圖1所示。

這一測試系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是對所有儀器的控制都是由計(jì)算機(jī)上開發(fā)的LabVIEW前面板來完成。學(xué)生只需將自己制作的電路板插在測試平臺的基板上，就可完成測試過程，無需手工調(diào)制任何旋鈕，以減少人為因素帶來的誤差，體現(xiàn)了自動化的思想。首先，LabVlEW測試系統(tǒng)發(fā)送命令給程控電源、程控信號源和程控?cái)?shù)字萬用表初始化各儀器工作模式及參數(shù)，使之與測量范圍相匹配，然后命令程控電源給被測電路供電，程控信號源給被測電路提供輸入信號，電路的輸出信號由程控?cái)?shù)字萬用表讀取，然后將數(shù)據(jù)傳送給LabVlEW測試系統(tǒng)，供系統(tǒng)顯示、分析、存儲。測試結(jié)束后，將接收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并將通過打印機(jī)打印測試報(bào)告。

硬件連接

程控儀器與計(jì)算機(jī)之間可以RS一232串口方式連接，也可以以GPIB(General Purpose Interface Bus)總線方式連接。RS-232串口使用比較簡單，但是傳輸數(shù)據(jù)的速率比較低；GPIB是一種并行連接方式，傳輸速率比較高，但是需要專門的傳輸線和接口卡。

軟件部分

軟件部分是虛擬儀器系統(tǒng)的核心，所有的測試數(shù)據(jù)都傳送給計(jì)算機(jī)，通過軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析及存儲。LabVIEW具有強(qiáng)大的人機(jī)交互能力，能夠讓用戶簡單輕松的用鼠標(biāo)或者鍵盤對前面板上的按鈕、開關(guān)、旋鈕等進(jìn)行操作，就像在傳統(tǒng)儀器上操作一樣；并且LabVIEW具有多種類的前面板控件，圖形美觀且具有可擴(kuò)展性。軟件程序框程圖如圖2。

頻響曲線的繪制

本測試平臺最終目的是要考察學(xué)生所作濾波器在不同頻率的輸入信號下輸出電壓情況，用以得到濾波器的頻響曲線，考察濾波器的性能。因此系統(tǒng)中設(shè)定信號發(fā)生器工作在掃頻狀態(tài)，輸出一個(gè)范圍在2K--40K Hz的正弦波。用數(shù)字萬用表測量輸出端的頻率和電壓，傳送給LabVIEW測試系統(tǒng)，運(yùn)用描點(diǎn)法繪制頻響曲線。

技術(shù)指標(biāo)的確定

在測評過程中，不但要求測量出輸出端的頻率和電壓，而且要計(jì)算出幾個(gè)能夠客觀考察濾波器性能的參數(shù)，主要包括中心頻率，3dB帶寬，矩形系數(shù)K。

中心頻率f_o的確定。

LabVIEW測試系統(tǒng)接收到數(shù)字萬用表測得的電壓值和頻率值將以數(shù)組的形式存放起來，找出電壓中的最大值，與之相對應(yīng)的頻率值即為中心頻率f_o。

3dB帶寬的確定。

3dB帶寬即為電壓降到中心頻率對應(yīng)電壓值的0．707倍時(shí)對應(yīng)頻率的頻帶寬度。

3db帶寬=「f_0.707-f0.707」

本系統(tǒng)中主要采用近似法查找到f_0.707，即先找到中心頻率f₀對應(yīng)的電壓值，然后計(jì)算出f_0.707對應(yīng)的電壓值的準(zhǔn)確值，并且與測量到的結(jié)果進(jìn)行比較，找到數(shù)組中第一個(gè)小于或等于f_0.707對應(yīng)的電壓值，與之相對應(yīng)的頻率值即為測得的f_0.707的頻率值。

矩形系數(shù)K的計(jì)算方法為

k=2f_0.1/2f_0.707

用上述同樣的方法找到f_0.1，按照上面公式計(jì)算出矩形系數(shù)K。

下面給出本測試系統(tǒng)的前面板和源程序如圖3、圖4。

結(jié)語

電子信息控制工程專業(yè)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，電子競賽的出現(xiàn)豐富了學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生的理論知識聯(lián)系到實(shí)際當(dāng)中。電子競賽的測試工作也顯得尤為重要，虛擬儀器技術(shù)的使用能夠更好的實(shí)現(xiàn)自動化測試，使競賽的評測更加公平、公正、準(zhǔn)確。本套虛擬儀器系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于電子競賽的測試過程當(dāng)中，并受到師生的好評。