基于LabVIEW的電氣教學虛擬實驗室應用研究

邵曉娟,黎 煒

（陜西工業職業技術學院,陜西咸陽,712000）

0 引言

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Wo rkbench）是一種程序開發環境，類似于C和BASIC開發環境，是由美國國家儀器公司研制開發的。LabVIEW實驗室虛擬儀器工程平臺是NI公司研制的圖形化編程軟件，也是目前最為成功、應用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發環境。如果我們想要在計算機上依照自我需求來設計儀器，便可以采用虛擬儀器技術，該技術省去了其余復雜的操作過程，方便靈活且開發周期短。使用虛擬儀器技術不僅能夠使設計儀器的成本降低，一定程度上使工作效率大大地提高了。近年來，虛擬儀器技術應用的領域逐漸擴散、發展，據統計在全球500強企業中使用了虛擬儀器技術的企業占有85%。除此之外，在教學領域虛擬儀器技術也具有廣大市場，發展前景極為樂觀。

隨著計算機技術和網絡技術的發展，計算機電氣網絡以其具備的可靠且快速的優勢獲得了巨大的發展，廣域網或者是局域網上的計算機能夠進行信息和命令交換，這表明虛擬儀器的使用范圍在網絡服務的協助下被拓展了，此外，強大的活力同時被注入虛擬儀器技術，從而使得數字化儀器的優勢進一步得到增強，順利地進入了網絡化虛擬儀器階段。

LabVIEW內置Web Server，具有非常強大的網絡功能，將虛擬儀器技術與網絡技術恰當地結合起來，遠程教育的實驗課程可通過遠程虛擬實驗室獲取相應的解決方案。

1 電氣專業虛擬實驗室特點及意義

電氣專業教學實驗包括：整流濾波電路分析、模擬信號放大波形、數字電路實驗、交流調壓電路等，具有至關重要的作用，主要是幫助電氣專業的學生透徹地熟知并掌握電氣系統的基本概念與基本理論知識，使學生不再停留在課本文字上，提高他們的實際動手能力。在這些教學實驗中，需要的儀器較多，其中包括計時器、定時器、數字萬用表、示波器、頻譜分析儀以及任意波形發生器等等。在教學實驗中，尤為重要的是作為頻域分析儀器的頻譜分析儀，但是由于它的價格過于昂貴，實驗室至今尚未配備使用。區別于傳統的儀器，虛擬儀器具備多方面的優勢，其性能、易用性以及用戶可定制性等都十分突出，同時虛擬儀器在社會經濟效益與工程應用方面也具有較為突出的優勢。此外，傳統的電氣原理實驗實現各功能模塊主要依靠的是硬件電路，信號由信號發生器產生并用示波器對各點波形進行觀察。然而，目前想要得到豐富的實驗結果是做不到，主要在于實驗條件有限，面對復雜的電路板學生難以從系統的觀點對各點波形的關系進行分析。為了彌補傳統電器原理實驗的不足，其中行之有效的解決方案之一便是在教學實驗中引入虛擬儀器技術。

實現遠程虛擬實驗室最現實的意義就是將其與教育系統相結合，為教育事業解決了諸多疑難問題，其中就包括因學生規模急劇膨脹造成的實驗室緊缺的問題。在高等工科教育中采用虛擬實驗室，具有至關重要的現實意義。采用該技術不僅能夠從根本上解決實驗與實習經費嚴重短缺的現狀，而且計算機技術與該技術的結合還可以實現對儀器設備的遠程、分布式控制。虛擬儀器技術是實驗教學的一個新的發展途徑，應用前景十分可觀，在科研與教育領域發展空間更為廣闊。

2 電氣專業遠程虛擬實驗室的設計與實現

2.1 遠程虛擬實驗室構成

利用LabVIEW內置Web服務器實現遠程虛擬實驗室。其中Web服務器裝有Win2000 Advanced Server操作系統、LabVIEW 8.6軟件，同時此服務器還作登陸服務器用，裝有SQL，也就是需要正確的用戶名密碼登陸服務器，才可以做虛擬實驗。RDA（Remote Device Access遠程設備訪問）服務器裝有NI公司PCI6024E采集卡 (8路同步采樣模擬輸入通道，24位精度。8路同步采樣模擬輸入通道；24位精度；120 dB動態范圍；102.4kp/s最高采樣速度；45 kHz 防混迭帶寬)，對于用戶計算機需要有Web瀏覽器和LabVIEW的Runtime Engine插件。

遠程虛擬實驗室網絡平臺由上傳專區、交流討論系統、下載專區、預約系統以及虛擬實驗系統的無縫連接系統五部分組成。其中虛擬實驗系統可分為虛擬儀器和虛擬實驗兩部分，且該系統是遠程虛擬實驗室的重要組成部分，它為學生提供了便捷的遠程實驗鏈接。

2.2 虛擬實驗部分

虛擬實驗部分包括數字電路實驗、交流調壓電路、模擬信號放大波形、電力電子波形分析、整流濾波電路分析等虛擬實驗，將電氣專業基礎實驗也涵蓋進去，區別于傳統硬件試驗箱，虛擬實驗部分改進了學生的學習方式，豐富了實驗的內容，使實驗效率也大大地提高了。此外，在虛擬實驗室中，教師和學生沒有必要在實驗設備的搭建和各種設備的操作調試上花費大量的精力，只需要將精力完全集中在實驗結果的分析、規律的總結以及結論的得出上。如此不僅可以突出訓練的重點，也會極大地調動學生學習的積極性。以電力電子技術實驗中的三相交流調壓電路為例，采用虛擬實驗方式可在界面上顯示出觸發延遲角а不同過程中所有關鍵點的波形，區別于以往的示波器該實驗方式更為完整，從而有利于學生直觀的對調壓原理的理解。電氣實驗波形顯示前面板和程序圖如下所示。

圖1 實驗波形顯示前面板

圖2 數據測量程序面板圖

2.3 虛擬儀器部分

在虛擬儀器設計中遵循的原則是：將實驗中所需傳統儀器功能涵蓋的同時，豐富了儀器的分析、顯示、結果記錄功能。將多臺功能固定的傳統臺式儀器用一臺虛擬儀器來替代，由此便真正地體現了虛擬儀器技術一大特征——“軟件就是儀器”，同時根據用戶需求的改變，虛擬儀器的測量、分析、存儲與輸出功能也會做出相應地改變。如此，便可為每組配備一臺計算機及數據采集卡來完成教學實驗內容，這樣不僅節省了空間，同時也能夠降低成本，減少儀器的維修保養費用。如圖采集卡6024E在虛擬儀器顯示。

圖3 采集卡6024E在虛擬儀器顯示

3 結束語

綜合上述介紹，可以得出虛擬儀器技術應用前景及適用領域有極大的開發潛力，對該技術的應用還有待開發、完善，使更廣泛的領域可以因其受益。事實證明，在教學實驗中引入虛擬儀器技術是極為有效的解決辦法，如果我們想要在計算機上依照自我需求來設計儀器，便可以采用虛擬儀器技術，該技術省去了其余復雜的操作過程，方便靈活且開發周期短。與傳統實驗相比，虛擬儀器技術的使用能夠降低實驗成本，學生學習的積極性得以加強，實驗效率也得到提高，教學效果必然會愈來愈顯著。

[1]陳錫輝,張銀輝.LABVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2007.

[2]王川.基于LABVIEW的遠程電子技術實驗系統應用研究[J].儀器與表,2007,25(12):14-16.

[3]李成學,姜斯平.電工電子虛擬實驗室技術研究[J].大學物理實驗,2009,22(1):89-93.

[4]邵奇可,陳國定.遠程控制實驗系統軟件體系的結構[J].實驗室研究與探索,2009,28(8):

[5]焦瑞莉 基于LabVIEW的通信專業遠程虛擬實驗室[J].國外電子測量技術.

[6](美)R.Jennings著.中文 Access 2000 開發使用手冊[M].Special Edition Using Access 2000，機械工業出版社.