基于虛擬儀器的便攜式多功能綜合電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

張磊

(中國民航大學(xué) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，天津300300)

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景

在電子實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐課程的教學(xué)過程中，以及在學(xué)生大創(chuàng)項(xiàng)目和電子設(shè)計(jì)大賽的培訓(xùn)過程中主要存在以下幾個(gè)問題：

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制往往不能滿足學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的需要；在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制難以滿足學(xué)生及教師的實(shí)驗(yàn)需求。每門課程都需要配備一到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)箱，還要配備相應(yīng)的測(cè)試儀器包括示波器、信號(hào)發(fā)生器等，成本高、通用性差。

1.2 大部分“口袋實(shí)驗(yàn)室”的研究中，沒有便攜式的測(cè)試儀器供學(xué)生借用，學(xué)生無法測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在“口袋實(shí)驗(yàn)室”的研究過程中，學(xué)生借閱了實(shí)驗(yàn)板之后，如果需要用到示波器、信號(hào)發(fā)生器等實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，還是要回到實(shí)驗(yàn)室來測(cè)試，大大局限了“口袋實(shí)驗(yàn)室”的應(yīng)用范圍和應(yīng)用效果，如果能讓學(xué)生擁有自己的一個(gè)便攜式多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅能提供做實(shí)驗(yàn)時(shí)的實(shí)驗(yàn)板，還能提供測(cè)試儀器，才能真正滿足學(xué)生在宿舍、教室等任何地方都可以開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的需求，才能促使“口袋實(shí)驗(yàn)室”被廣泛應(yīng)用。

1.3 在學(xué)生大創(chuàng)項(xiàng)目和電子設(shè)計(jì)大賽的培訓(xùn)過程中，創(chuàng)新實(shí)踐基地實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，實(shí)驗(yàn)儀器較少，大大打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)新的積極性；學(xué)生在做大創(chuàng)項(xiàng)目時(shí)，或者在電子設(shè)計(jì)大賽的賽前培訓(xùn)時(shí)，常常需要先掌握單片機(jī)、FPGA、嵌入式等方面的基本知識(shí)，由于實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新基地實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限、實(shí)驗(yàn)儀器較少，使得很多學(xué)生有想法、有興趣卻沒有實(shí)驗(yàn)設(shè)備去實(shí)現(xiàn)，大大打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)及創(chuàng)新的積極性，如果“口袋實(shí)驗(yàn)室”能給他們提供一些實(shí)驗(yàn)板和測(cè)試儀器，供他們借閱使用，他們可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)自己想法和創(chuàng)意，將大大激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、促使學(xué)生提高自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力。在此背景下，該項(xiàng)目提出了一種基于虛擬儀器的便攜式多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅包含了可用于做FPGA、單片機(jī)、嵌入式實(shí)驗(yàn)的多功能實(shí)驗(yàn)板，還包含了虛擬測(cè)試儀器，包括示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬用表、邏輯分析儀等多種常用虛擬儀器。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生在宿舍、教室等任何地方都可以開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，促使學(xué)生自主思考發(fā)現(xiàn)問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其設(shè)計(jì)方案主要包括以下兩個(gè)方面：一是利用NI MyDAQ 作為數(shù)據(jù)采集卡，以LabVIEW 開發(fā)常用的虛擬儀器來代替實(shí)驗(yàn)室中的萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器等儀器設(shè)備；二是制作一塊可用于做FPGA、單片機(jī)、嵌入式實(shí)驗(yàn)的多功能實(shí)驗(yàn)板。將該實(shí)驗(yàn)板和MyDAQ 數(shù)據(jù)采集設(shè)備封裝于一個(gè)小的便攜式實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，學(xué)生可以利用該實(shí)驗(yàn)箱隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、課程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目開發(fā)。

2.1 計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)作為該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的上位機(jī)，虛擬儀器軟件采用Labview開發(fā)，Labview軟件開發(fā)簡便易用，人機(jī)交互友好。利用該虛擬儀器可以構(gòu)成包括示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬用表、邏輯分析儀等多種常用虛擬儀器。

2.2 NI MyDAQ 作為數(shù)據(jù)采集卡

在之前的虛擬儀器開發(fā)中，大部分采用專用的數(shù)據(jù)采集卡配工控機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，或者在采樣精度要求不太高的情況下采用聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，但都不滿足“口袋實(shí)驗(yàn)室”對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備便攜性、采樣精度、多測(cè)量通道等方面的要求，因此，選擇NI 公司生產(chǎn)的便攜式的數(shù)據(jù)采集設(shè)備MyDAQ，其便攜性好，且具有2 路差分模擬輸入與2 路模擬輸出、8 路數(shù)字輸入與數(shù)字輸出接口、1 路音頻輸出與輸入口，該數(shù)據(jù)采集模塊主要完成對(duì)信號(hào)的采集和信號(hào)的輸出。

2.3 多功能實(shí)驗(yàn)板

該實(shí)驗(yàn)板主要包括兩部分內(nèi)容，一部分是核心板，針對(duì)不同的課程，配備不同核心板，包括FPGA 核心板、單片機(jī)核心板、嵌入式核心板等，核心板主要是最小系統(tǒng)板，主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘、電源和復(fù)位等模塊；另一部分是這幾門課程通用的實(shí)驗(yàn)板主板，主要包括數(shù)碼管、按鍵、LED 燈、蜂鳴器、電機(jī)、點(diǎn)陣模塊、傳感器接口、USB 接口等模塊，其中部分模塊的原理設(shè)計(jì)圖如圖2所示。核心板插接在通用主板上構(gòu)成多功能便攜式“口袋實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)驗(yàn)板。

數(shù)碼管：

圖2 部分模塊原理圖

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用效果

該項(xiàng)目主要構(gòu)建一個(gè)基于虛擬儀器的便攜式多功能電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可用于《電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)（II）（數(shù)字）》、《電子技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)》、《單片機(jī)課程設(shè)計(jì)》等課程，還可用于學(xué)生做大創(chuàng)項(xiàng)目或電子設(shè)計(jì)大賽的賽前培訓(xùn)等，學(xué)生普遍反映使用效果良好。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)便攜性強(qiáng)、測(cè)試儀器全面、功能強(qiáng)大，主要用于“口袋實(shí)驗(yàn)室”，學(xué)生借閱該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后可以在宿舍、教室等任何地方都可以開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，他們可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)自己想法和創(chuàng)意，將大大激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、促使學(xué)生提高自主學(xué)習(xí)的能力。