基于LabVIEW的電子電路虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廖柏林　毛凱文　劉暢　馬川　周元玲

【摘 要】運(yùn)用虛擬儀器替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不但能節(jié)省實(shí)驗(yàn)器材資源、降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，而且可為學(xué)生提供一個(gè)更加方便的實(shí)驗(yàn)平臺，提高老師的教學(xué)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源的共享。本文采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，利用LabVIEW軟件開發(fā)設(shè)計(jì)電子電路虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。通過不斷地調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，得到了準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了基于LabVIEW電子電路虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的可行性。同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺可以用于日常的多媒體教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，具有一定的實(shí)用性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】電子實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺；LabVIEW；教學(xué)改革

1 教學(xué)現(xiàn)狀與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)工具的簡介

電子信息工程專業(yè)有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是，學(xué)科知識比較抽象，比如模擬電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)課程等等。二是，對學(xué)生的實(shí)踐和動手能力要求比較高，并且還要學(xué)會與自己上課學(xué)的理論知識緊密的聯(lián)系在一起。現(xiàn)在大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本上是一個(gè)模式，老師上課前先講實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容，然后老師演示一遍，學(xué)生照著老師的演示做一遍得出相同的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)課就這樣結(jié)束。這樣，學(xué)生根本就學(xué)不到實(shí)驗(yàn)的基本技能，而且會導(dǎo)致他們的動手能力和思考能力的下降，不利于激發(fā)學(xué)生地創(chuàng)新性思維。

虛擬技術(shù)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)儀器單一的現(xiàn)狀。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的又有顯著區(qū)別：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。在編程過程中用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序，而且還擁有豐富的函數(shù)庫和工具包，使用非常方便，可以采用自上而下的理念開發(fā)相應(yīng)的模塊[1]。

LabVIEW軟件開發(fā)的程序一般都由VI（虛擬儀器）組成，所有的VI（虛擬儀器）包括前面板和程序框圖兩部分。前面板是和用戶交互的界面，程序框圖是設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)流程。用戶可以通過前面板輸入數(shù)據(jù)，按照編寫的程序以數(shù)據(jù)流方式進(jìn)行計(jì)算，最后將結(jié)果反饋到顯示控件上，用戶直觀的得到結(jié)果[2]。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的思路和基本框架

本實(shí)驗(yàn)平臺包括《電路分析基礎(chǔ)》課程中常見的電路實(shí)驗(yàn)，比如RLC串聯(lián)諧振電路、二階電路的零輸入響應(yīng)、支路電流法、節(jié)點(diǎn)分析法、一階低通電路的頻率響應(yīng)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都是根據(jù)電路分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)原理、教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟設(shè)計(jì)。然后通過LabVIEW軟件編程、設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面達(dá)到更好的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的基本框架如圖1所示，本文以支路電流法來闡述怎樣利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程。

用支路電流法可以驗(yàn)證基爾霍夫電流定律，基爾霍夫電流定律的基本內(nèi)容是：對于任一集總電路中的任一節(jié)點(diǎn)，在任一時(shí)刻，流出（或流入）該節(jié)點(diǎn)的所有支路電流的代數(shù)和為零。所以可以根據(jù)基爾霍夫電流定律的基本內(nèi)容來設(shè)計(jì)支路電流法實(shí)驗(yàn)。利用LabVIEW圖形化編程的特點(diǎn)，在前面板上放置8個(gè)數(shù)值型輸入控件，設(shè)置好相應(yīng)的單位，分別代表電阻、電壓，且數(shù)值均可以調(diào)整。然后在前面板放置5個(gè)顯示控件，用來顯示5條支路上的電流。通過修飾控件，可以在前面板建立電路圖，如圖2所示。

使用MathCript節(jié)點(diǎn)生成線性方程組的系數(shù)和已知向量[3]，就可以求解方程組。利用選項(xiàng)卡控件可以添加實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)步驟，通過程序的調(diào)試和幾次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠準(zhǔn)確，支路電流法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完畢。

將設(shè)計(jì)的5個(gè)實(shí)驗(yàn)添加到一個(gè)容器中，LabVIEW里面的函數(shù)就可以調(diào)用VI（虛擬儀器）。生成的菜單如圖3所示。

3 結(jié)語

隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器設(shè)備壽命周期短以及不利于資源共享的缺點(diǎn)愈來愈凸顯。結(jié)合我校實(shí)際，本文設(shè)計(jì)了我校電子電路虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，經(jīng)過不斷的調(diào)試已成功用于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，且實(shí)驗(yàn)效果較好。后續(xù)我們將繼續(xù)完善該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺并在適當(dāng)范圍內(nèi)進(jìn)行推廣，以期獲得更好的教學(xué)改革效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳俊.基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)室研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[2]李靜.LabVIEW2013完全自學(xué)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[3]司慧玲.基于LabVIEW的虛擬電工與電子實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]