利用虛擬儀器平臺遠程開展“電工電子實驗”教學

朱利香,羅瑞瓊,彭衛韶

(中南大學 自動化學院, 湖南 長沙 410083)

0 引言

NI虛擬儀器平臺功能強大，有圖形化編程環境LabVIEW、虛擬儀器編程環境、測試執行管理軟件TestStand、儀器控制接口GPIB、數據采集設備DAQ、圖像采集設備IMAQ、運動控制設備Motion、數據管理軟件DIAdem和仿真工具Multisim。目前NI虛擬儀器平臺應用比較廣泛，著名的手機廠商、汽車廠商、無線通信公司等都已在采納NI的測試測量技術，但其價格昂貴，在大學教育中，實際能學習接觸其技術的學生較少。目前遠程實驗教學方式大多以虛擬仿真為主，學生不能接觸到實際電路、不能自己動手測量，實驗效果較差。本文研究旨在利用虛擬儀器平臺、電腦遠程控制、監控攝像頭等設施遠程開設虛實結合“電工電子實驗”教學，將實際電路實驗課堂引入到遠程教學中，提高“電工電子實驗”遠程教學的質量，達到人才培養的目的。

1 遠程監控實驗系統構架與流程

遠程監控實驗系統主要由實驗箱及數據采集卡、計算機云服務器和學生用戶端三大部分組成，其工作流程如圖1所示。

首先，在教學主機內運行基于LabVIEW的數據監控采集程序，通過DAQmx數據采集中的相關節點搭建的程序獲取傳感器的數據，同時采集的數據通過Database Connectivity Toolkit的相關節點實時傳輸到云服務器的MySQL數據庫中，而LabVIEW和MySQL數據庫的連接是通過開放數據庫連接(Open Database Connectivity,ODBC)建立的。GVI應用程序會通過GDatabase相關節點實時地讀取數據庫中最新的數據，學生打開的網頁實質上是基于LabVIEW NXG所做的WebVI，它是通過云服務器的服務發布的，它也能通過SystemLink數據服務實時訪問NI Web服務器中的數據，從而將遠程實驗數據實時地顯示在網頁上，達到遠程實驗的目的。有了SystemLink數據服務與NI Web服務器的幫助，將實驗結果顯示到學生端的網頁上并可供學生下載編寫實驗報告。

圖1 遠程監控實驗系統工作流程圖

為提高設備的利用率，遠程操作時間可以為全天候。為防止遠程操作實驗沖突，設計遠程操作預約制度。學生必須持有教師發放的操作碼預約實驗，且在規定的預約時間內完成實驗。

2 遠程監控系統具體實現

2.1 硬件與軟件的設置

遠程教學除了需要網絡、電腦、監控攝像頭等硬件外，還需要有與電腦通信的硬件平臺、教學軟件。

實驗課前應精心準備實驗設備。首先安裝好監控攝像頭，通過攝像頭可以清晰觀看到NI-ELVIS平臺，攝像頭主要為學生提供一種實時平臺及電路觀測，讓學生感覺如在現場，同時根據該界面可觀測電路線路連接正確與否。之后完成電腦遠程設置，遠程控制可以使用Windows遠程桌面，也可安裝其他軟件，以利于學生在局域網內遠程使用實驗室計算機。計算機系統盤處于保護狀態，C盤不允許修改、刪除數據及軟件。選擇合適的軟件會使課程教學事半功倍，本課程實驗教學過程中使用NI LabVIEW。

數據采集及實驗箱平臺利用一體化的NI-ELVIS平臺。NI-ELVIS平臺面板上安裝有多個實驗項目，在電工電子實驗課程中，采用傳統元器件搭接與這種虛擬儀器相結合的創新型模式。設置教學主機系統時，可借用智能家居控制方法遠程控制實驗室電源開關、NI-ELVIS平臺開關，這樣教師可根據具體情況遠程控制平臺開放的時間。

下面以救護車音響電路為例，介紹其實施過程。學生不能來實驗室搭接電路圖，由教師連接實驗電路，在電路連接過程中，可介紹元件、電路設計、實驗要求、實驗測試點等知識，且錄制視頻放在電腦桌面上，供學生學習，如圖2所示。將NI-ELVIS平臺與教學主機數據線連接好，在MAX中配置并檢測數據采集硬件，將救護車音響電路輸出測試點連接至平臺I/O端，教學主機配置完成。

圖2 NI-ELVIS平臺

2.2 數據采集

虛擬儀器技術的核心思想是利用計算機對現實世界中的各種物理量進行測量，其中最基本的一步工作就是將被測物理量通過數據采集環節采集到計算機中。本文利用NI公司的NI-ELVIS數據采集卡平臺，以LabVIEW作為軟件開發環境，實現數據的采集、分析及處理。LabVIEW軟件開發環境可以實現數據的采集、分析及處理，實現快速易用的測量采集及顯示。

在LabVIEW中有兩種實時采集數據的實現方法：一種是采用LabVIEW軟件自帶的DAQ助手；另一種是采用DAQmx數據采集中的相關節點進行編程。DAQ助手雖然簡化了編程，提供了良好的用戶交互界面，但同時也喪失了一定的功能性和靈活性，由于學生的實驗時間有限，因此采用LabVIEW軟件自帶的DAQmx助手采集數據。

3 實驗結果與分析

學生遠程登錄實驗室監控攝像機，了解真實電路，本次實驗電路是由兩片“555”定時器構成的救護車音響報警電路，學生可聽到救護車音響報警聲。擴展實驗也可使用LabVIEW圖形化編程特點，完成一個簡單虛擬儀器設計。

3.1 Web遠程用戶界面虛擬示波器測試電路波形

在計算機屏幕上點擊NI ELVISmx儀器啟動圖標，或點擊快捷方式，虛擬儀器將在屏幕上顯示。平臺集成了12款最常用儀器，NI ELVIS自帶的12種儀器均提供直觀真實的儀器軟面板,無需編程即可使用。該實驗過程中利用NI ELVIS自帶的Instrument Launcher軟面板，它集成了示波器、數字萬用表、函數信號發生器、直流電源、動態信號分析器和波特儀等12種常用儀器,如圖3所示。

圖3 虛擬儀器

打開NI ELVISmx Instrument Launcher，選擇示波器及通道，點擊運行，調整示波器參數，實現NI ELVIS板載電路的測量，通過虛擬示波器分別觀察“555”多諧振蕩器兩級輸出波形，分析電路動態特性。“555”救護車電路輸出波形如圖4所示。

圖4 “555”救護車電路輸出波形

3.2 虛擬儀器測試數字邏輯狀態

LabVIEW是一種圖形化編程語言和開發環境平臺，庫函數很豐富，在Web遠程學生用戶界面上使用DAQmx創建數字采集器，數字讀取器程序框圖如圖5所示。數字讀取器能實時讀取電路數字輸出端數據、顯示運行狀態。

Digital Reader允許按需(單點)或者連續讀取并行輸入端口的當前狀態。數字讀取器前面板紅燈顯示“555”救護車音響警示電路輸出狀態，其紅燈正確狀態為連續閃爍，如圖6所示。

虛擬儀器數字讀取器可以進行數字電路測試顯示，使用虛擬儀器萬用表可以測試電路電壓等。

在電工電子實驗中，也可以采用LabVIEW的API來實現數字I/O，如編寫一個程序、設計一個簡單的邏輯狀態分析儀、測試數字電路的輸出結果等。擴展實驗也可使用LabVIEW圖形化編程特點，設計一個簡單的測量儀器。

圖5 數字讀取器程序框圖

圖6 數字讀取器前面板

4 結語

以LabVIEW作為軟件開發平臺，將虛擬儀器技術與實際數字電路相結合，設計并實現數字電子技術實驗電路測試、電路分析過程。該實驗包括虛擬實驗室和實際電路兩大部分，學生可遠程觀看到實際電路，接觸到昂貴的虛擬實驗平臺控制實驗電路，對實際電路進行數據測量、分析，完成實驗；同時對LabVIEW圖形化編程有了初步了解，這種實、虛混合遠程實驗教學模式，既可以看到真實電路，又可以接觸到新技術，對培養應用型人才有著非常重要的意義。