虛擬儀器技術(shù)在信息工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

梅立坤　朱劍玫　費(fèi)波濤

摘 要 為適應(yīng)現(xiàn)代信息工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)人才培養(yǎng)的需要，提高實(shí)驗(yàn)的多樣性、綜合性和尖端性，探討了基于LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成的虛擬儀器技術(shù)，運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，通過對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的分析，表明了該技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量結(jié)果誤差小、易于擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，可在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中廣泛推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器技術(shù) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) LabVIEW 數(shù)據(jù)采集卡

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.04.061

Abstract In order to meet the needs of modern information engineering experimental teaching personnel training， improve the diversity， comprehensive and cutting-edge， discusses the technology of virtual instrument software LabVIEW and data acquisition card which based on application to experimental teaching， through the analysis of the actual experimental results， show that the technology has the advantages of simple operation the measurement results and error is small， it is easy to expand the experiment content and cost saving， can be widely popularized and applied in experiment teaching.

Key words Virtual instrument technology； experiment teaching； LabVIEW； data acquisition card

在信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，計(jì)算機(jī)在科研、教學(xué)實(shí)驗(yàn)以及工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)的高集成性、數(shù)據(jù)處理高速性、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，研究開發(fā)出虛擬儀器技術(shù)來替代部分傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器可使用通用的數(shù)據(jù)采集卡和軟件編程平臺(tái)LabVIEW，只需隨時(shí)更新集成卡芯片和軟件程序則可開發(fā)出不同的功能，這一特點(diǎn)也使得虛擬儀器在高等學(xué)校信息工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮重要作用。

1 虛擬儀器技術(shù)介紹

虛擬儀器是將LabVIEW軟件平臺(tái)和高性能的硬件相結(jié)合，構(gòu)成功能齊全又易于擴(kuò)展的基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)。虛擬儀器主要特點(diǎn)是測(cè)量端是在計(jì)算機(jī)上顯示，可用LabVIEW軟件隨意設(shè)置測(cè)量的參數(shù)和分析數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，如需提高測(cè)量精度，則只需更換數(shù)據(jù)采集卡中核心芯片即可，更新升級(jí)方便。

虛擬儀器基本組成包括PC機(jī)、LabVIEW軟件、硬件采集模塊等。硬件采集模塊主要解決數(shù)據(jù)的輸入和輸出，軟件主要把輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并用相應(yīng)的圖形顯示出來，具體顯示何種圖像需要在后臺(tái)進(jìn)行編程。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制、結(jié)果分析和顯示界面等功能，使傳統(tǒng)儀器或者部分功能都被虛擬儀器所取代。

虛擬儀器把傳感器、信號(hào)圖像處理、電子、通信、仿真、單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，具備強(qiáng)大的集成性功能，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：（1）改變傳統(tǒng)儀器無法更改的現(xiàn)象，用戶可自定義，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求隨時(shí)添加、刪除儀器，或改變儀器部分功能；（2）可以改變傳統(tǒng)儀器不能及時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸?shù)墓δ埽唬?）可減少人為誤差、使數(shù)據(jù)測(cè)量精度和測(cè)量速度大大提高；（4）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能固定完成設(shè)置好的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而虛擬儀器可根據(jù)需求隨時(shí)更換不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，擴(kuò)展方便；（5）可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、測(cè)量，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)儀器同時(shí)對(duì)多個(gè)不同對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)；（6）目前國(guó)內(nèi)高校使用的高檔數(shù)字示波器、高頻信號(hào)源、頻譜儀幾乎都是進(jìn)口設(shè)備，且價(jià)格昂貴，采用虛擬儀器技術(shù)然后配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡可彌補(bǔ)這些不足，不僅能達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果還極大地節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)。

2 虛擬儀器技術(shù)解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

當(dāng)前企業(yè)對(duì)理工科畢業(yè)生的實(shí)際操作能力要求越來越高，而在校學(xué)生的動(dòng)手能力主要是通過實(shí)驗(yàn)操作來鍛煉，所以對(duì)于應(yīng)用型高校，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位甚至高于理論課教學(xué)。通過調(diào)查研究出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的普遍問題，利用虛擬儀器技術(shù)可得到極大的改善，具體表現(xiàn)在：

（1）數(shù)字電路、模擬電路等用實(shí)驗(yàn)箱完成的實(shí)驗(yàn)課程，由于具體電路已經(jīng)焊接并封裝到實(shí)驗(yàn)箱中，每學(xué)期開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就是一成不變的，極大地阻礙了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。而引入虛擬儀器后，學(xué)生可以分組任意組合電路，實(shí)現(xiàn)課程項(xiàng)目的多樣化。

（2）高頻電子線路實(shí)驗(yàn)、通信原理實(shí)驗(yàn)等專業(yè)性強(qiáng)，難度大的課程，因?yàn)槿藶榈牟僮鳎饨绛h(huán)境和影響，較難實(shí)現(xiàn)理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生就不能通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論知識(shí)，而虛擬儀器軟件中包含有調(diào)制解調(diào)工具包，包含有模擬和數(shù)字兩種調(diào)制方法，學(xué)生可以任意設(shè)計(jì)調(diào)制解調(diào)代碼和參數(shù)，觀察調(diào)頻和鑒頻、調(diào)幅和檢波以及時(shí)域和頻域波形。

（3）單片機(jī)、嵌入式技術(shù)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容更新頻繁的實(shí)驗(yàn)課程，由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不斷加快、單片機(jī)外圍設(shè)備不斷集成化、平均2到3年就有新技術(shù)產(chǎn)生，伴隨有新的單片機(jī)芯片的更新，而虛擬儀器技術(shù)只需更新數(shù)據(jù)采集卡就能和新的單片機(jī)芯片兼容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

（4）目前，國(guó)內(nèi)很多高校由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所有限，專業(yè)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)較少，這樣學(xué)生無論是對(duì)理論課知識(shí)理解和動(dòng)手能力的培養(yǎng)都難以達(dá)到效果。而把虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)室后，只需更改后臺(tái)程序和數(shù)據(jù)采集卡，就可以把多門實(shí)驗(yàn)課程集合到一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，不僅能大大提高實(shí)驗(yàn)室的利用率，還節(jié)約了成本。

3 虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

RLC串聯(lián)諧振頻率的測(cè)量是電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中綜合性較強(qiáng)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，下面以本實(shí)驗(yàn)為例，來具體說明虛擬儀器的使用方法。

（1）按要求連接好RLC串聯(lián)諧振電路，將R兩端分別連接到數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)線和GND；

（2）把數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)通過USB接口連接通信，無需安裝驅(qū)動(dòng)，可適應(yīng)多個(gè)操作系統(tǒng)，直接由USB供電，簡(jiǎn)單方便，如圖1所示；

（3）打開LabVIEW軟件，根據(jù)需要添加測(cè)試儀器的前面板，本實(shí)驗(yàn)添加的是虛擬示波器和虛擬頻譜儀，然后進(jìn)行后臺(tái)編程，如圖2所示；

（4）通過調(diào)節(jié)輸入端信號(hào)源的頻率，用虛擬儀器顯示諧振頻率為10Hz，和用實(shí)物儀器測(cè)量結(jié)果一致，如圖3所示。

4 結(jié)束語

信息工程類課程不僅要求學(xué)生了解電路的工作原理和參數(shù)計(jì)算，更重要的是對(duì)學(xué)生動(dòng)手操作、設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。而虛擬儀器正是因?yàn)槠潇`活性、集成性和共享性等優(yōu)點(diǎn)，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器按部就班的模式，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維能力有極大的幫助，在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中會(huì)發(fā)揮更加重要的作用。

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