基于Labview和ARM的便携多功能电子技术基础实验箱设计

姜俊敏 郝子轶 蓝 帆 姚缨英

浙江大学 浙江杭州 310027

基于Labview和ARM的便携多功能电子技术基础实验箱设计

姜俊敏 郝子轶 蓝 帆 姚缨英

浙江大学 浙江杭州 310027

利用ARM7内核32位单片机LPC2148作为主控芯片MCU，单片集成DDS数字相位合成信号发生器AD9850，配合与计算机的通信和声卡的信号采集系统，和基于Labview开发的计算机上位程序，实现便携式多功能电子技术基础实验箱。计算机程序通过数据采集，进行处理和显示，实现虚拟示波器功能。系统与配有常用器件的自由电路板一起安放于小盒子中，提供便携的实验环境，为电子技术基础实验课堂演示、学生的自主实验研究带来便利，在电子技术课程的教学中提出了互动实践的创新模式。

便携；Labview；实验箱；自主实验

1 设计概述

在电子技术基础实验教学过程中，实验设备、实验场地的限制往往难以满足学生及教师的实验需求。在理论课的课堂教学过程中，教师也仅仅局限于理论知识的传授，学生无法体会到电子技术基础理论与实践的差别。为了给电子技术基础课程学生与教学人员提供更加方便灵活的实验环境，我们设计并制作了便携式电子技术基础实验箱。基于移动式的实验模式，教师可以借助实验箱在课堂教学的同时安排演示实验，帮助学生加深对知识的理解和掌握。同时，设备也可以发放给学生带回寝室实践练习，完成一些简易的实验，自主思考发现问题，激发学习兴趣。虽然便携式实验箱无法完成高要求的科研需求，但是在课程中的投入使用，可以提高课程教学的生动性，也让学生自主学习，培养学生的创新实践能力，在电子技术基础课程的教学中推进互动实践的创新模式。

便携实验箱的优势在于具备便携性的同时，拥有信号发生器和示波器两大功能，同时提供灵活通用的自由电路板实现用户自定义的电路实验。在与电脑连接后，通过上位机程序控制信号的波形输出，同时将输出信号通过采样送回上位机，在电脑上显示波形。通过电脑实现的虚拟示波器同时节省了购买专业示波器的花费，极大提高系统的便携性，可以让实验者随时随地地进行信号发生、波形检测等操作。

2 方案设计

2.1 方案实现

系统可分为7个模块，方案的系统框图如图1所示。

图1 便携式实验箱系统框图

电源采用标准正负12V和5V供电，在数字电路的实验中，可以采用单5V供电。与计算机连接后，可以通过USB接口为系统供电，无需外接电源。

主控芯片采用ARM7内核LPC2148 32位单片机，有外设丰富，频率高，稳定性好，可发资源多，对外部设备的控制简单方便，低功耗等优点。因此，ARM系列内核处理器广泛应用于便携式电子产品中，其外设丰富，低功耗的特点也非常适应本实验箱的要求。

信号发生模块部分,采用主流DDS(数字相位合成)技术的AD9850芯片,可以实现正弦、三角、方波(可调占空比)3种波形的输出,频率1Hz～1MHz,精度0.1Hz。相比于传统的模拟型信号发生芯片，该芯片频率范围和精度都能得到保障，能充分满足教学实验中典型频率1K～10KHz范围的需求。系统电路如图2所示。

图2 系统整体电路图

此外为了让实验者更加方便地使用，配合课程的教学，在实验箱中安排了需要演示或学生练习的实验电路，例如入门的三极管共射放大电路，运放负反馈实验等。实验电路板上安排不同数值的器件供选择，引出信号输入端、输出端和需要测试的端口。实验电路根据课程不同可以更改替换。由于AD9850本身对输出电压幅度调整不够方便，故在信号产生后接入一级比例可调放大电路，如图3所示，用以调整输出信号的电压大小。两个电位器分别实现微调与粗调。

图3 信号幅度控制电路

2.1.1 数据采集方式设计

数据采集部分是实验箱的核心，可以有系统片上AD采样USB传输数据和声卡采集两种方案。

在采样方式上,声卡方式依赖于计算机声卡的性能。其采样频率最高为44.1KHz,双通道,数据精度16位,幅度-1V～+1V,可以保证实时采样。AD的采样频率则受USB传输速率的限制,最高在64KB/s。LPC2148内置了ADC,其数据精度为10位,最高采样频率约410KHz。因此，实时USB方式最高采样频率为32KHz(64KB/s，10位数据精度需要2个字节)，数据精度10位，幅度0～3V。在控制方式上，声卡方式是单工方式数据传输，不具备控制功能，只是单一的数据输入。USB方式可以实现控制，但需要驱动程序的支持。

对于教师和学生来说，在使用实验箱时，如果采用USB的模式，需要配合相应的驱动程序。使用声卡采集，考虑到在绝大多数计算机系统中，都具备声卡，有非常强的便携性。用户只需要将信号的输出线直接接入声卡即可实现采集，不需要额外操作。

综合采样方式，控制方式和便携性的考虑，实验箱采用声卡采集，在保证采用效果的同时更大地提高便携性，同时节省成本。

2.1.2 信号显示模块设计

信号显示采用输入声卡进行采样，然后由计算机处理显示。待显示信号由转录线接入声卡音频输出端(麦克风口)，双声道输出，即可提供两路信号的同时显示。

由于信号显示模块使用声卡采样进入计算机，而一般声卡本身可接受信号输入电压最大值在1V左右，故为保护声卡，在信号进入计算机前加一级幅值衰减，在计算机内部虚拟仪器处将该衰减倍数乘回即可。幅值衰减电路与图3类似。

2.1.3 数据处理显示软件设计

为了实现波形的显示，需要将采样的数据传递到计算机后处理。对于这些大量的数据，需要关心传递和处理的速度以及用户使用的便捷程度。

目前的处理方法，可以自己开发软件处理数据，绘制波形或者使用现成的软件进行二次开发。自主开发软件，例如利用VC等工具，但是需要处理大量的系统函数，开发成本较高，容易产生错误。

利用现成的开发工具，如Matlab，Labview。Matlab工具在处理数据上有非常优异的能力，但是由于系统需要涉及声卡的数据采集或是USB数据通信。Matlab在对系统设备的调用控制能力不强。NI(美国国家仪器)公司的Labview工具，自带了对系统设备的操作控件。在设备控制上有很大的优势，开发时不需要关心如何得到声卡采集的数据，只需调用声卡信号采集模块即可获取相应数据。

由于声卡上有可能引入来自计算机内部的干扰信号，故在分声道后各接入一个带通滤波器，对信号进行滤波，以获取有用信号的较好波形，最后再接以显示模块进行显示。声卡采集模块的采样频率设为44100Hz，而由于声卡本身主要用于声音的输入输出故其有效可用频带大致在20Hz～20KHz，即音频信号频率段内。提供实验的典型频率为1K和10K，因此完全可以满足实验的要求。

综上考虑，计算机部分的驱动程序和虚拟示波器软件，采用Labview开发，开发简便易用，人机交互友好。采用声卡信号采集模块获取由声卡传递来的输入信号，再对信号进行数字滤波等处理后，将得到的波形输出显示。数据处理显示的系统框图如图4所示，软件部分的编写主要包含与计算机通信、USB设备驱动和Labview程序3部分。

图4 采样数据处理显示系统框图

2.2 系统功能与优点

便携式实验技术箱基于便携，多功能以及与电脑交互使用的考虑，使用方便、安全、可靠，系统主要的特点与优点有：

2.2.1 电源支持简便

采用轻便的开关电源提供，电源所占体积小，重量轻，方便携带。同时，相对普通线性电源有效率高、热散耗低的优点。同时也可单独由USB接口提供5V电压。

2.2.2 信号精度高

信号发生模块采用AD9850单片集成信号发生芯片，采用目前最主流的DDS数字相位合成技术，信号发生频率可以从0.1Hz～125MHz，低频端精度可达0.0291Hz，完全可以满足实验需求。同时基于SPI或者并行总线的控制方式，使得单片机控制非常容易。

2.2.3 便携性强

整个系统封装于一个小盒子中，非常方便携带。只需配合计算机软件，可以轻松地完成需要的实验。

2.2.4 采样方便

系统采样采用计算机声卡输入，同时可以采样2路信号。由于声卡对信号幅度和频率有要求，系统也做了处理，以保证实际使用的需要。

2.2.5 成本低廉

相对于专业的示波器和信号发生器，本系统采用计算机上位软件的虚拟示波器，成本大大减少。系统最主要的两部分，MCU和信号发生模块的成本估计在100元左右。

2.2.6 独立编写的驱动程序

MCU与计算器通过USB串行口通信时，需要有驱动程序支持。针对系统的功能，独立开发了系统的驱动程序，并封装成DLL动态链接库文件。驱动程序优点在于可以根据功能的需求进行更改，DLL文件也可以轻松地被VC，Matlab，Labview等主流的开发工具调用。

2.2.7 软件界面友好

计算机上位软件采用NI公司的Labview软件开发。基于Labview的大量组件，软件调用通信、滤波器、显示器等模块，对于操作者界面友好。

3 系统应用

系统核心在于上位机的波形显示，虚拟示波器的前置面板如图5所示。通过旋转左边的旋钮可以分别调节XY轴上信号的幅度。采样信号当前的频率和幅值可以通过左下角的Freq和Amp显示。点击SaveWave的OK按钮，可以将当前波形保存至计算机中。底部可以选择输入信号的处理方式，包括低通、高通、带通和带阻滤波。

图5 示波器面板

对三极管共射放大实验进行测试，观测波形。分别观察输入信号和输出信号，由于采用声卡采集的限制，在波形进入声卡前，进行了保护限幅处理。接好外部连线，左声道接入正弦信号，右声道接入方波信号。启动程序，调节频率值为1KHz，此时系统产生1KHz的输入信号，同时调节XY轴幅值，使波形处于适宜的状态，观察信号波形结果如图6所示。

图6 输出波形观察结果

为了方便观察和验证设备的可用性，加大输入信号的幅值，使三极管放大输出的波形失真至深饱和区，信号上下出现明显失真，波形接近方波。波形采样有1V的限幅，因此结果如图7所示。

图7 输出失真波形结果

从结果中可以看出，在计算机上可以方便地观察实验时的信号波形，实现虚拟示波器的功能。

4 结束语

实验箱成本控制在50元之内，在课程使用中，系统的设计内容和具体电路可以向学生开放，将本实验箱的制作调试结合到电子技术课程的教学中来，开创自制仪器进行后续实验的教学思路和训练模式，成为教学中的一大亮点。

便携式电子技术实验箱采用了便携式信号发生和计算机虚拟示波器结合的方式，在电子技术的教学过程中，极大拓展了实验空间，向教师和学生提供了便利的实验环境和便携的仪器设备，方便教师当堂演示和学生课后自主实验。便携的实验室模式和自主的训练模式，开创了电子技术课程教学的新思路。

[1] 沈任元.学生主动型实验模式的探索与实践[J].实验室研究与探索，2007，8

[2] 朱震华.新型单片机综合实验箱的研制[J].中国现代教育装备，2007，4

[3] 陈晓玲，师学明，刘迎.基于Labview的声卡虚拟仪器性能测试与实验[J].实验室研究与探索，2010，1

[4] 张清，朱雷平，崔厚梅.多功能电路实验箱的研制[J].徐州工程学院学报，2006，12

[5] 王建萍，欧积泉.便携式单片机DIY实验板研制[J].实验科学与技术，2007，6

[6] 张远岐，任茂林，刘国昌.电路模拟数字综合实验箱的研制[J].实验室研究与探索，2000，5

[7] 迟德选，张建萍，杨凤芝，等.一种新实验系统的研制与应用[J].辽宁大学学报(自然科学版)，2003，1

[8] 张庆玲，葛利伟，严晓明，等.用Muhisim和Uhiboard设计制作检测[J].技术实验箱仪表技术，2008，9

Design of multi-functional portable electronic experimental box based on Labview and ARM

Jiang Junmin, Hao Ziyi, Lan Fan, Yao Yingying
Zhejiang university, Hangzhou, 310027, China

The multi-functional portable electronic experimental box is based on ARM7 LPC2148 32-bit microcontroller, integrating DDS digital phase synthesis signal generator AD9850, cooperating with computer’s communication system and the sound card’s signal collection system, and making use of a computer host process developed by Labview. After data collection, computer programs process and display the data to work as a virtual oscilloscope. The whole system and the circuit boards equipped with the common devices are placed in a small box,providing portable test environment. It brings convenience to the basic electronic experimental class presentation and students’ independent experiments and has brought about a innovaton model of interactive practice in the teaching of electronic technology courses.

portable; Labview; electronic experimental box; interactive practice

2010-11-30

姜俊敏，本科，IEEE会员。姚缨英，教授。