虛擬儀器技術引入電工電子教學的思考

李啟尚

摘 要： 目前一些高校實驗資源緊缺、教學效率低下，無法滿足電子類、信號處理類等課程的實驗和實踐教學要求，將虛擬儀器技術應用到教學和實踐中，強化了學生的實踐動手能力和教學效果。文章結合LabVIEW 軟件開放性對電工電子類課程教學工作給出參考思想，通過舉出 LabVIEW 設計和替代幾種常用教學儀器說明LabVIEW 在電工電子中測試儀器方面有廣泛的應用，說明作為教學內容將LabVIEW補充到教學中的必要性。

關鍵詞： 虛擬儀器 電工電子 LabVIEW

隨著電子信息技術的高速發展及其在電子儀器測量技術中的應用，新的測試理論、測試方法及新的儀器機構不斷出現，傳統儀器顯得越來越力不從心。許多學校存在儀器設備缺乏和過時陳舊、實驗室設備利用率低的問題，嚴重影響教學科研效果。學生不能掌握實驗方式，培養動手能力，并且通常根據學校教學要求，實驗室所完成的實驗都是一些簡單的實驗性實驗，有些學生想要更深入地完成一些復雜的實驗和一些設計性的實驗，學校卻不能提供相應的條件。

虛擬儀器是一種全新的儀器概念，在自動化監測領域的應用正方興未艾，而LabVIEW是科學家和工程師進行虛擬儀器應用開發的首選工作平臺。將虛擬儀器引入高校教學不但可以提高教學內容的實用性，而且可以為降低實驗儀器成本提供有效的途徑和方法。

一、傳統電子儀器的缺點

從普通意義上看，傳統電子儀器主要由三大模塊組成：即對被測信號的采集與控制、分析與處理、測量結果的表達與儲存。傳統電子儀器的這些功能塊都是以硬件或者固話的軟件的形式存在的，存在一些弱點。

首先，靈活性和可拓展性差。傳統意義的電子儀器是自封閉系統，具有固定的用戶界面、組成模塊和數據處理能力。

其次，成本高，技術更新慢。一般傳統意義的電子儀器價格較貴，動輒十幾萬幾十萬甚至更多。開發周期較長，技術更新較慢，而且存在元器件老化等問題，維護費用高，使用壽命短。

最后，數據顯示、分析和存儲功能不夠強大。傳統意義的電子儀器的圖形顯示界面比較小，依靠人工讀取數據從中獲得的信息量小。由于硬件設備的限制往往無法實現更靈活、更特殊的數據分析功能，更難以實現數據編輯、存儲、打印等功能。

隨著摩爾定律的持續發展及計算機技術的日新月異，虛擬儀器系統的功能越來越強大，這都有利于“虛擬”測量和自動化系統的發展。成本低廉的計算機系統被廣泛應用到實驗室的產品研發和生產線上產品的制作過程中。個人計算機的不斷發展使得虛擬儀器系統成為一種低成本、高彈性的解決方案，大大提升學習效率，這是傳統獨立的儀器設備無法比擬的優勢。虛擬儀器正在大規模地替代傳統的測試儀器，尤其是在新建項目中的非測控儀器。

二、虛擬儀器的優點

虛擬儀器的優點很多：打破了傳統儀器由廠家定義，用戶無法改變的工作模式，用戶可以根據自己的需求，設計滿足自己需要的儀器系統；傳統儀器的某些硬件被虛擬儀器中的軟件替代，克服了硬件使用時所存在的一些弊端，從而大大提高了測量精度和測量速度；傳統儀器一般功能單一，一種儀器只能實現一種功能。虛擬儀器既可以獨立使用，又可以通過網絡構成復雜的分布式測試系統，進行遠程測試、監控和故障診斷；基于軟件體系統結構的虛擬結構代替了基于硬件體系結構的傳統儀器，還可以大大節約儀器購買和維護費用。

虛擬儀器是電子計算機技術與現代測量技術的產物，利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化的應用。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbenvh）是一種圖形化的編程語言的開發環境，它廣泛地被工業界、數學界和研究實驗室接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。LabVIEW盡可能采用通用硬件，各種儀器的差異主要是軟件，可充分發揮計算機的能力，有強大的數據處理功能，可以創造出功能更強的儀器，用戶可以根據自己的需要定義和執照各種儀器。

三、應用案例

利用普通聲卡作為信號采集硬件，以美國NI公司的虛擬儀器軟件LabVIEW 8.5作為開發平臺，可以實現多種實驗室教學設備的設計。波形分析、頻譜分析、相關分析等信號分析理論是測試技術課程教學中的難點，傅里葉變換理論、卷積分定理等常常讓學生很頭疼。為強化教學效果，我們借助虛擬儀器實驗將這些理論知識進行可視化表達。

1.虛擬示波器的實現

虛擬示波器對采集信號進行時域分析，可以實時顯示波形，實現對信號的頻率、周期和幅值的測量。程序主體部分由數據采集和數據分析構成，程序使用while循環結構。設計的函數有Sound Aquire.vi、Sound Iutput Configure.vi、Sound Iutput Start、Sound Iutput Read.vi、Sound Iutput Stop.vi、Sound Iutput Clear.vi等。

可以通過名為幅值控制和時間軸控制的旋轉鈕分別動態控制Y軸量程和X軸量程大小及測量游標顯示的位置，同時根據通道的選擇（通道A和通道B）相應顯示對應的波形。設計方法主要是通過波形控件的屬性節點實現。

采用PC機技術、聲卡技術和虛擬儀器技術，實現了對音頻信號實時、高保真的采集與處理。整個系統性價比高，通用性強，界面友好，性能穩定可靠。如果在置多塊聲卡并進行工作，稍加修改該軟件，就完全可以構成一個多通道音頻數據采集處理系統，滿足音頻數據采集及處理需要。如果采用筆記本電腦則無需添加任何硬件就可以構成便攜式測量系統。

總之，用聲卡作為數據采集硬件，在LabVIEW開發環境中構建的數據采集系統和信號發生系統，能夠做到擁有較高的采樣精度和中等采樣頻率，能夠把聲卡的廉價性和LabVIEW的靈活性很好地結合起來，在特定的應用場合是一種明智的選擇。

2.虛擬頻譜分析儀的實現

頻譜分析是信號的一種頻域分析方法，其目的在于了解信號的頻率成分和每種成分的強度。該分析儀實現了對采集信號的幅值譜分析、相位譜分析、功率譜分析、FFT變換等功能，程序與模擬示波器的程序較為相似，都是數據采集和數據分析兩大部分。信號濾波部分，可以采用Butterworth濾波器進行低通濾波，采用頻率根據需要設定，頻率的上限為200kHz，下限設為50Hz，或設為可調。信號加窗中，可以對信號進行加窗處理，包括矩形窗、漢寧窗、漢明窗等。

3.虛擬信號發生器的實現

主要是結合聲卡驅動函數，在LabVIEW開發平臺下，可以產生雙通道信號，信號包括常用的正弦波、三角波和方波等。并且能夠實現頻率粗調、微調、頻率掃描等功能。

虛擬信號發生器程序主體部分處于while循環結構中，由while循環體現波形參數設置，數據緩沖音量控制和波形產生功能。可實現100Hz～15kHz范圍內信號的實時采集、時域分析和頻域分析功能。聲卡A/D轉換性能優越，技術成熟，配合LabVIEW強大的數據采集及處理功能，可構建一個性價比高、通用性強、界面友好、數據存儲方便的數據采集系統。

測量系統歷來被稱為“自動化的荒島”，因為必須為每個單一的應用專門設計一套獨立的系統。有了虛擬儀器系統，模塊化的硬件組成及開放式的工程應用軟件可以簡單地使一套系統同時符合各種測量應用的要求。

四、結語

在電工電子教學中引入虛擬儀器技術，對于加強實驗和實踐教學有著廣泛的優勢。它方便靈活而且開發周期短，可以提高實驗效率，降低實驗成本，提高學生學習的積極性，取得較好的教學效果，具有傳統實驗無可比擬的優勢。今后，在實踐教學和學生畢業設計中，都可以結合虛擬儀器技術，提高學生的綜合能力。此外，進一步構建基于虛擬儀器系統的網絡虛擬實驗室，將基于虛擬儀器系統實際應用遠程實驗教學是今后的發展方向。

參考文獻：

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