基于LabVIEW的虛擬實驗室建設(shè)

摘 要:針對目前許多高校的實驗教學(xué)中普遍存在的實驗設(shè)備陳舊、實驗室規(guī)模過小、實驗室建設(shè)經(jīng)費短缺等一系列問題，提出一種基于LabVIEW構(gòu)建虛擬實驗室的方案，通過實例分析，驗證該方案的可行性，并在實際運(yùn)行中取得了良好的教學(xué)效果。該方案目前在國內(nèi)高校具有較高的推廣價值。

關(guān)鍵詞:LabVIEW; 虛擬實驗室; 信號處理; 高校教學(xué)

中圖分類號:TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0154-02

Construction of Virtual Laboratory Based on LabVIEW

YANG Hong， LI Guo-hui， CHANG Shu-juan

(Department of Electronic and Information Engineering， Xi’an University of Post and Telecommunications， Xi’an 710061， China)

Abstract:Aiming at the problems in many universities such as old teaching laboratory equipments， small laboratory scale， lack of laboratory construction funding and so on， the scheme of constructing virtual laboratory based on LabVIEW is proposed. The feasibility of this scheme is proved by analyzing an application example. A good teaching effect has been received in actual application. At the present time， this scheme is worth popularizing in domestic universities.

Keywords:LabVIEW; virtual laboratory; signal processing; teaching in university

0 引 言

實驗教學(xué)是高校教學(xué)過程中一個必不可少的環(huán)節(jié)。通過實驗，可以使學(xué)生更好地理解理論知識，加深對理論的理解，同時能鍛煉學(xué)生的動手能力，更好地培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。然而，目前許多高校的實驗教學(xué)中普遍存在一些問題，比如實驗設(shè)備陳舊、實驗室規(guī)模過小、實驗室建設(shè)經(jīng)費短缺等，這些都嚴(yán)重地影響了正常的實驗教學(xué)工作。

近年來，隨著電子、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及其在測量儀器上的應(yīng)用，產(chǎn)生了一種新的測試?yán)碚摵头椒ā摂M儀器(Virtual Instrument，VI)。所謂虛擬儀器，就是指用戶通過計算機(jī)平臺，根據(jù)自己的需求設(shè)計儀器的測試功能。虛擬儀器的出現(xiàn)打破了人們對儀器的傳統(tǒng)觀念，在測試系統(tǒng)和儀器設(shè)計中用戶可以盡量用軟件代替硬件，而無需購買大量的、昂貴的實驗儀器設(shè)備[1，2]。因此，基于LabVIEW構(gòu)建虛擬實驗室正逐漸被越來越多的高校所采用。

針對目前許多高校的實驗教學(xué)中普遍存在的一些問題，提出了一種基于LabVIEW構(gòu)建虛擬實驗室的方案。通過實例的分析，驗證了該方案的可行性，在實際運(yùn)行中，取得了良好的教學(xué)效果。該方案目前在國內(nèi)高校具有較高的推廣利用價值。

1 基于LabVIEW的虛擬實驗室建設(shè)

1.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instrument，NI)推出的一門圖形化編程語言，同時也是著名的虛擬儀器開發(fā)平臺，它擔(dān)當(dāng)了“軟件即儀器”這一虛擬儀器關(guān)鍵理念中的主角。

它結(jié)合了圖形化編程方式的高性能與靈活性，以及專為測試測量與自動化控制應(yīng)用設(shè)計的高端性能與配置功能，能為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析與數(shù)據(jù)顯示等各種應(yīng)用提供必要的開發(fā)工具。

LabVIEW以計算機(jī)為核心，可將各種傳統(tǒng)儀器的功能集中于一身，通過LabVIEW程序讓它們按一定的步驟、方式工作，并且同一個程序可以使用在不同的采集設(shè)備上，也可以在同一設(shè)備上使用不同的程序[3，4]。LabVIEW的表現(xiàn)形式和功能類似于實際的儀器，但LabVIEW程序很容易改變設(shè)置和功能。因此，LabVIEW特別適用于實驗室、一些需要經(jīng)常改變儀器和設(shè)備的參數(shù)及功能的場合。

1.2 虛擬實驗室特點

虛擬實驗室只需要計算機(jī)和相關(guān)軟件就可以做各種實驗，包括電路分析實驗、模擬電路實驗、數(shù)字電路實驗、信號與系統(tǒng)實驗、數(shù)字信號處理實驗以及相關(guān)實驗課程。因此，采用虛擬實驗教學(xué)模式，不但可以大大減少傳統(tǒng)實驗室建設(shè)中的大量資金投入，也可以大大減少實驗教學(xué)中儀器設(shè)備的維修費用和實驗耗材費用。此外，如果將虛擬實驗室與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，建立成網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，可以給學(xué)生提供一個更為靈活的實驗時間和空間。

1.3 虛擬實驗室的實驗內(nèi)容和實驗過程

虛擬儀器在實驗教學(xué)中最簡單的應(yīng)用就是代替常規(guī)的儀器，如函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬用表等。比如實驗者在實驗中采用虛擬儀器，實現(xiàn)信號發(fā)生及波形記錄，可取得較好的效果。不過，虛擬儀器具有更強(qiáng)的分析處理能力，而且用戶重新定義后，它又能變成數(shù)字萬用表、溫度計或頻譜分析儀等不同的儀器儀表。虛擬儀器可以應(yīng)用到具體的電子技術(shù)實驗、信號處理實驗中去，可以在計算機(jī)上虛擬出各種功能的實驗儀器[5-11]。基于LabVIEW虛擬實驗室的教學(xué)采用局域網(wǎng)多媒體教學(xué)，教師可以通過多媒體演示實例并講解其原理，學(xué)生根據(jù)相關(guān)實驗原理在LabVIEW中完成整個實驗，這樣就可以在虛擬實驗教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的興趣、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性、增強(qiáng)互動性、提高教學(xué)效果。

2 基于LabVIEW的虛擬實驗教學(xué)實例分析

下面以信號逐點分析實驗為例，介紹如何通過LabVIEW構(gòu)建虛擬實驗室。LabVIEW提供了一類逐點分析節(jié)點，可以一個數(shù)據(jù)點接一個數(shù)據(jù)點分析，此時數(shù)據(jù)分析是基于數(shù)據(jù)點的，可以實現(xiàn)實時處理。使用逐點分析可以與信號同步，數(shù)據(jù)丟失的可能性更小，對硬件設(shè)備采樣率的要求更低。

產(chǎn)生逐點信號序列后進(jìn)行濾波處理，對比信號序列經(jīng)過濾波處理的效果。信號逐點分析的程序框圖如圖1所示，具體步驟如下:

(1) 產(chǎn)生逐點信號。逐點信號由周期正弦信號、統(tǒng)一白噪聲和直流偏置三部分疊加而成;正弦信號頻率和幅值為1，每個周期為200個點，共5個周期;統(tǒng)一白噪聲幅值為0.2;直流偏置幅值為2。

(2) 逐點信號濾波處理。將產(chǎn)生的逐點信號通過逐點巴特沃斯濾波器，設(shè)置下限截止頻率為0.1。

(3) 信號序列通過普通濾波處理。將所有逐點信號組成的序列通過普通巴特沃斯濾波器，下限截止頻率一致。

(4) 運(yùn)行程序，比較結(jié)果。前面板結(jié)果如圖2所示。

圖1 信號逐點分析的程序框圖

圖2 前面板仿真結(jié)果

逐點信號分析對接收到的每一個數(shù)據(jù)點進(jìn)行分析，并可同時輸出分析結(jié)果，然后轉(zhuǎn)入下一個數(shù)據(jù)點的分析，這樣可以達(dá)到實時分析的效果。在虛擬實驗過程中，如需改變實驗參數(shù)，只需在框圖中修改對應(yīng)的參數(shù)值即可。另外，采用虛擬儀器進(jìn)行實驗，學(xué)生可以隨意地改變實驗條件，觀察實驗結(jié)果，從而使學(xué)生看到在傳統(tǒng)實驗條件下觀測不到的結(jié)果，促使學(xué)生在實驗的過程中加深對知識的理解。

3 結(jié) 語

實驗教學(xué)是工科院校教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，實驗對于培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力和解決問題的能力至關(guān)重要。基于LabVIEW 的虛擬實驗室建設(shè)，在很大程度上解決了實驗教學(xué)中所面臨的一些問題。它采用自上而下的模塊化的設(shè)計思想和圖形化編程方式，直觀地將公式表達(dá)、算法、仿真結(jié)果等表示出來。在實驗教學(xué)中廣泛深入地應(yīng)用虛擬儀器，既有利于促進(jìn)加快實驗室建設(shè)進(jìn)度，也有利于改進(jìn)實驗教學(xué)方法，增強(qiáng)實驗教學(xué)效果。該系統(tǒng)界面友好、操作簡單，而且擴(kuò)展容易。目前已在信號處理、電子技術(shù)等課程的教學(xué)和實驗中應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果。

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