高校虛擬儀器電工電子實驗應用研究

李志瑞，程萬里(安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南安陽455000)

高校虛擬儀器電工電子實驗應用研究

李志瑞，程萬里
(安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南安陽455000)

針對目前傳統(tǒng)的高校電工電子類實驗教學中存在實驗設備陳舊、落后等問題，結合LabVIEW虛擬儀器技術，采用模塊化思想，設計了應用在高校電工電子類實驗教學中的虛擬實驗教學系統(tǒng)。此虛擬實驗教學系統(tǒng)可滿足電工電子類課程的實驗教學任務。

電工電子實驗；虛擬儀器；LabVIEW

0　引言

實驗教學是高等工科學生培養(yǎng)中的一個很重要的實踐教學環(huán)節(jié)，對提高學生的實際動手能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)應用型人才起著非常重要的作用[1]。尤其是對電工電子類等實踐性很強的基礎課程，如《電路》、《模擬電子技術》、《數(shù)字電子技術》等，實驗教學更是至關重要。目前傳統(tǒng)的實驗教學多采用實驗設備廠生產(chǎn)的實驗箱、實驗儀器等進行實驗教學。實驗室設備存在設備陳舊、落后等問題，跟不上電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐，制約了實驗教學的發(fā)展和人才培養(yǎng)質量的提高。此外普通實驗室還存在實驗儀器設備的調(diào)試、管理、保養(yǎng)、易損壞等問題。

基于LabVIEW的虛擬儀器技術的提出，可較好的解決這些問題，虛擬儀器是利用計算機的強大資源使本來需要硬件實現(xiàn)的技術軟件化，可以在很大程度降低實驗成本，提高實驗效率[2]。虛擬儀器技術是未來實驗儀器儀表的發(fā)展方向，擁有一臺虛擬儀器系統(tǒng)，就相當于擁有了個人實驗室。

虛擬儀器實驗教學環(huán)境的提出，不僅可以節(jié)省購買實驗儀器設備的花銷，還能夠保持實驗室實驗教學設備的先進性與可靠性。更加重要的是可以提高高校電工電子實驗教學的質量與效率，形成一個新型的電工電子實驗課程教學體系，以適應培養(yǎng)應用型本科人才的需要[3]。

目前國內(nèi)外許多高校充分利用現(xiàn)有的計算機資源和適當?shù)膬x器模塊，在美國NI(National Instru?ment國家儀器公司)的LabVIEW開發(fā)平臺上，利用其強大的圖形化編程功能，通過生成自定義的實驗所需的儀器、建立了虛擬儀器實驗室，形成了新的實際操作與計算機相結合的實驗教學模式，并取得了非常好的效果。

1　虛擬儀器技術

1.1虛擬儀器技術的概念、發(fā)展

近幾年來，虛擬儀器（Virtual Instruments，VI）技術在儀器儀表行業(yè)得到了越來越廣泛的應用。隨著計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡技術等的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術的發(fā)展前景更加廣闊[4]。

虛擬儀器技術的實質是充分利用最新的計算機技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能，結合計算機技術和數(shù)據(jù)采集技術的綜合，采用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，計算機中用圖形化的界面語言制成功能強大、靈活易變的計算機測控系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器的基本構成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。通過這些模塊的組合，可以提高測量和自動化系統(tǒng)功能的靈活性，滿足用戶自定義的各種測試需求[5]。

1.2虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW

LabVIEW是美國國家儀器（NI）公司推出的虛擬儀器集成開發(fā)環(huán)境，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強大的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。采用圖形化方框（G語言）代替了傳統(tǒng)的程序代碼，作為編寫應用程序的語言。用LabVIEW設計的虛擬儀器可以脫離LabVIEW的開發(fā)環(huán)境，最終呈現(xiàn)在用戶面前的是和實際的硬件儀器相似的操作面板，從而可以實現(xiàn)直觀，簡潔，方便，易操作等諸多優(yōu)點[6]。

2　電工電子虛擬教學實驗室構建方案

電工電子虛擬教學實驗室作為一個儀器設備和數(shù)據(jù)等資源的交互共享以及可交互控制平臺，具有使用方便、靈活，圖形界面友好、可視，根據(jù)課程需要自行實驗設計，用于教學科研等特點[7]。

電工電子虛擬教學實驗室的實施應從以下幾個方面展開：

首先，在現(xiàn)有的計算機資源的基礎上，購進最基本的數(shù)據(jù)采集卡等采集設備和LabVIEW軟件，開發(fā)出一系列在電工電子實驗教學中常用到的虛擬儀器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗儀器，可以節(jié)約投資、優(yōu)化實驗設計、提高實驗效率、提高實驗教學質量。

其次，學生在已建立的虛擬電工電子實驗室中完成基本的電工電子實驗，掌握如何用虛擬儀器來進行數(shù)據(jù)處理，觀察和分析實驗結果，診斷設備故障等。

最后，組成電工電子虛擬實驗教學系統(tǒng)，增加綜合性實驗。學生根據(jù)實驗具體要求，自行設計各種軟件面板，定義儀器的功能，并以各種形式表達輸出結果，進行實時分析，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和科研能力。

3　電工電子虛擬教學儀器設計

電工電子虛擬教學實驗室中應該根據(jù)課程設計實驗方案，包含電子電路、數(shù)字示波器、函數(shù)發(fā)生器、信號濾波器和信號調(diào)理電路等一系列虛擬儀器，才能滿足電工電子類課程的實驗教學需要。

本設計是采用硬件NI-6009多通道采集卡，LabVIEW2012版，NI-DAQmx數(shù)據(jù)采集助手等，共同設計電工電子實驗教學過程中所需的一些常用的基于LabVIEW的虛擬實驗儀器，如信號發(fā)生器、示波器、頻譜儀、網(wǎng)絡分析儀等，從而構建一個虛擬化的由計算機系統(tǒng)和采集卡構成的虛擬實驗室并應用在電工電子的實驗教學當中[8]。

3.1虛擬示波器設計

數(shù)字示波器是數(shù)據(jù)采集、A/D轉換、軟件編程等一系列的技術制造出來的高性能示波器，是實驗室中廣泛使用的一種通用測試儀器。

虛擬示波器由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中硬件設備與接口包括儀器接口設備和計算機，設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序。本設計的信號采集由NI USB-6009 DAQ數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)，信號處理與結果顯示都由LabVIEW軟件實現(xiàn)。

虛擬示波器由軟件控制信號的采集、處理和顯示，主要包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量三大模塊。

3.2虛擬信號發(fā)生器的設計

虛擬信號發(fā)生器的特點主要有：1）能產(chǎn)生常用信號、任意信號波形。常用信號有正弦波、方波、三角波和鋸齒波；自由信號波形由公式設定。2）能存儲波形，顯示光標，并存儲過程。3）可設置波形的頻率范圍、幅度、相位、直流偏移量、占空比和相位。

前面板用于設置波形數(shù)據(jù)和觀察輸出波形。是由用戶操作界面，設計時應在實現(xiàn)傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器特性的基礎上，使前面板美觀、操作方便。

3.3虛擬頻譜儀的設計

在實際應用中，信號的頻率特性有助于了解信號系統(tǒng)的特性，如通過頻譜分析可以了解濾波器特性、混頻器特性等，還可以根據(jù)采集到的信息分析音頻特性、校準儀器、估計噪聲和振動程度等。

測量一個信號的幅相，就是對一個信號的幅度譜和相位譜進行頻譜分析。幅度譜是表示幅度隨頻率變化的曲線，相位譜是表示相位隨頻率變化的曲線，共同構成了一個信號的完整幅相特性。

4　結語

為了改善實驗條件、改革實驗教學方法、更新實驗教學內(nèi)容、提高實驗教學課程的開設水平，把虛擬儀器引入電工電子實驗課程教學環(huán)節(jié)已成為一種必然的趨勢。實踐結果表明，虛擬電工電子實驗室的應用，提高了實驗效率，降低了實驗成本，增強了學生學習的積極性、創(chuàng)新性和主動性，為實驗教學的創(chuàng)新及改革指引了方向。

[1]施敏敏.虛擬儀器在電工電子實驗教學中的應用[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2011（34）：211，213．

[2]李啟尚.虛擬儀器技術引入電工電子教學的思考[J].考試周刊，2013（66）：133-134．

[3]鐘仙鳳.虛擬儀器在電子類課程實驗中的應用與研究[D].青島：中國海洋大學，2008．

[4]蔣漪漣.基于LabVIEW電子信息類實驗教學系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2011（16）：152-154，160．

[5]劉剛，嵇英華，蔡十華.虛擬儀器技術及其在電工電子實驗中的應用[J].江西教育學院學報，2007，28（3）：15-17．

[6]鄧明.基于虛擬儀器技術的高師電子類實驗教學創(chuàng)新體系[J].電腦知識與技術，2010，6（34）：9885-9886，9889．

[7]謝東坡，高云，余成波.基于labVIEW平臺的虛擬實驗室研究[J].試驗技術與試驗機，2007（3）：40-43，46．

[8]陸綺榮.基于虛擬儀器技術個人實驗室的構建[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006．

(責任編輯：趙建周）

The Application Of Virtual Instrument in College Electronics Experiment

LI Zhi-rui，CHENG Wan-li
（School of Electronic Information and Electrical Engineering,Anyang Institute of Technology,Anyang 455000,China）

The traditional electronics experiment in college existing equipment obsolete,behind other issues. Based on virtual instrument technology the college electronics experiment teaching system was designed by mod?ular thinking.The application of this virtual experiment teaching system can meet the experimental teaching courses in electronics.

electronics experiment;virtual instrument;LabVIEW

TP274；TN0-4

A

1673-2928（2015）02-0057-03

2014-09-12

李志瑞（1985-），男，河南許昌人，安陽工學院助教，碩士，研究方向：無線傳感器、虛擬儀器設計。