基于虚拟仪器的实验与实践教学研究

刘淑聪 张瑾琳

摘 要 目前一些高校实验资源紧缺、教学效率低下，无法满足电子类、信号处理类等课程的实验和实践教学要求，将虚拟仪器技术应用到教学和实践，使教学效果和学生实践动手能力得到了极大的提高。利用LabVIEW技术,开发的虚拟教学实验系统非常适合于电子类、信号处理类等课程的虚拟仿真教学，也为学生动手实践提供了很好的机会。通过结合教学实例，说明虚拟教学实验系统对进一步深入开展教学实践的改革与创新具有重要的意义。

关键词 虚拟仪器 LabVIEW 电子电工 实验实践教学

中图分类号：G420 文献标识码：A

Experiments and Practice Teaching Research on Virtual Instrument

LIU Shucong, ZHANG Jinlin

(Institute of Disaster Prevention, Sanhe, Hebei 065201)

Abstract According to the problem of laboratory resources shortage, inefficient teaching, not meeting experimental and practice teaching requirements of the electronics and signal analysis program for some college at current，the virtual laboratory are taken into the teaching and practice, and the teaching effectiveness and the practical ability of students have been greatly improved. By using LabVIEW, the virtual teaching laboratory system were ideal for virtual simulation of experimental teaching program such as electronics, signal processing and so on, and also gave opportunity for students practice. Teaching research examples showed that the virtual teaching experimental system were of great significance for further into the reform and innovation of the teaching practice.

Key words virtual instruments; LabVIEW; electronics and electrical; experimental and practical teaching

0 引言

随着电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，传统仪器显得越来越力不从心。许多学校存在仪器设备缺乏和过时陈旧，实验室设备利用率低等现象，严重影响教学科研效果。学生不能真正地掌握实验，培养过关的动手能力，并且通常根据学校教学要求，实验室所完成的实验都是一些简单的验证性实验，有些学生想要更深入地完成一些复杂的实验以及一些设计性的实验，学校一般不能提供相应的条件。

虚拟仪器①②是电子计算机技术与现代测量技术的产物，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。LabVIEW③④（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。LabVIEW尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器，用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

将虚拟仪器引入到教学实验中，用LABVIEW构建一个虚拟教学实验系统，在教学中采用虚拟实验室，不但成本低廉、简单易行，且交互性、可操作性和真实感与传统仪器基本相同，还可减少仪器设备的损坏，降低教师的劳动强度，从而建立一种新型的实验教学方式，进一步提高实验教学质量与效果。下面结合具体的设计实例说明虚拟教学系统的构建。

1 虚拟实验教学平台的构建

1.1 虚拟实验系统模块建立

虚拟实验系统主要用于教学实验的仿真模拟，完全摆脱了硬件的限制。根据实验的内容和要求，首先在LabVIEW环境下，分别模拟出各种实验仪器，其中包括虚拟信号发生器，虚拟数字示波器，虚拟频谱分析仪，虚拟数字滤波器等实验教学仪器，在此基础上又构建了三个相应实验模块，分别为基础性实验，综合性实验和创新性实验。每一个模块为一个独立的实验子系统，以完成特定的实验内容。所有这些子系统模块由一个主程序模块来控制，主模块则以主程序界面的形式来体现。此外还设置了程序的启动模块用以此外还设置了程序的启动模块用以启动主程序。实验系统的构成如图1所示。

1.2 虚拟信号发生器

（1）功能描述。在很多情况下需要再没有硬件的情况下对系统进行仿真或验证系统是否正确，在某些情况下可能还需要通过D/A变换向硬件输出波形，此时需要波形发生函数来模拟产生需要的波形。该信号发生器可按不同的需求产生各种各样的波形。信号类型可以通过公式输入产生各种波形，产生信号的频率范围可输入，幅值范围可输入。

（2）设计步骤。

设计的前面板如图2所示。

（3）运行检验。

设置正弦信号f =10Hz，幅值=1.0V，发生信号为sin(w*t)*sin(2*pi(1)*t)，，生成的正弦波如图2所示。

1.3 虚拟低通滤波器

（1）功能描述。在信号传输过程中，由于外界的干扰，经常会混入高频噪声。因此在测量信号时希望把这些来自外部的高频噪声信号去掉。通常的做法都是采用低通滤波器将高频噪声滤掉。

（2）滤波原理。信号源由一个正弦信号与一个经过高通滤波的高频信号迭加而成。高通滤波器的截止频率为100Hz，即滤掉频率小于100 Hz的低频噪声分量。信号滤波器为Butterworth滤波器，截止频率为30 Hz，即滤掉频率大于30 Hz的噪声分量。

（3）设计步骤。添加参数输入型数字控件，用以设置低通滤波器的低截止频率。增加三个输出显示型控件，分别用以采样频率，采样数，信号频率，设计完毕的前面板如图4所示。从图中可以得出，不管是从时域还是频域，低通滤波器都很好地滤掉低频噪声分量。前面板上的采样频率、采样数、信号频率，学生可以自行取值，前面板右侧的四个图可以直观地显示原信号及滤波后的信号特征。

流程图设计。执行functions>>analyze>>signal processing >> filter >>butterwoeth filter.vi操作，调入巴特沃斯滤波器图标。设计完毕的流程图如图5所示。

上述示例的虚拟信号发生器与低通滤波器是仅虚拟教学实验系统的一部分模块，还可以实现诸如虚拟示波器、函数发生器、频谱分析仪等其他功能。

2 虚拟仪器在实践教学中的应用

在课程综合设计和实践中，受实验经费、实验场地、实验耗材等条件的限制，综合性、设计性实验比例偏少，不利于促进学生自主创新意识和创新能力的培养。LABVIEW将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，形成用户自定义的解决方案，成为专门数据采集与仪器控制，数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。非常适合学生做一些综合性、设计性的课程设计，比如数据采集系统、智能温度控制系统、多功能数字电压表等综合性的设计，这些都能够很好地提高学生的能力，促进学生自主创新意识和创新能力的培养。下面以基于LABVIEW的数据采集系统的设计为例简单说明。

2.1 数据采集系统设计方案

传统的数据采集系统大多数是以单片机作为控制核心再加上一些常用外围电路来构建系统的, 数据显示也多是应用数码管记录或应用RS232/485等通信方式直接上传PC机。为了改进数据采集的速率等性能，可以采用LabVIEW和Protel两种软件共同设计的数据采集系统。数据采集系统的设计分为下位机数据采集部分和上位机数据实时监测部分。下位机部分主要完成温度信息的采集功能，上位机部分通过利用LabVIEW软件设计界面，完成将接收的数据进行简单处理后实时显示，并且可以实现串口调试，温度上下限设置以及超限报警等功能。

以AT89C52单片机和DS18B20数字温度传感器为核心的下位机，实现了对温度的采集和发送，通过虚拟串口软件VSPDXP5产生一对虚拟串口COM3、COM4，这样就可以将上位机和下位机连接起来实现对温度的采集并且在上位机中通过虚拟仪器显示出来。设计中采用LabVIEW实验室虚拟仪器开发平台，它是一个高效的图形化程序设计环境，结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言，提供了一个直觉式的环境，与测量紧密结合。

2.2 基于LabVIEW的上位机界面设计

在LabVIEW中开发程序包括前面板和程序框图两部分。前面板如图6所示，具有串口测试、波形显示、数据设置以及报警等功能。

程序框图如图7所示。串口通信程序通过VISA来设计。程序框图中通过VISA来配置、读写以及关闭串口。串口测试按钮和数据采集按钮通过与非门和与门来实现互锁，在波形图表前添加当前时间设置功能。

运行LabVIEW软件进行仿真测试，就可以看到由下位机发送的温度数据。设置合适的温度上下限，当温度超过/低于此温度时会报警，并且上位机界面中的相应指示灯会点亮。在下位机单片系统中，通过手动改变DS18B20上的温度，可以在上位机界面中看到温度随之改变，系统的功能可以实现。

3 结论

在实验和实践教学中应用虚拟仪器技术，对于促进实验和实践教学有着广泛的优势。它方便灵活而且开发周期短，可以提高实验效率、降低实验成本、增强学生学习的积极性，取得较好的教学效果，具有传统实验所无可比拟的优势。今后，在实践教学和学生毕业设计中，都可以结合虚拟仪器技术，提高学生的综合能力。此外，进一步构建基于虚拟仪器系统的网络虚拟实验室，将基于虚拟仪器系统实际应用于远程实验教学是今后的发展方向。

注释

① 虞惠华,俞承片.虚拟仪器(VI)——计算机在仪器领域的中的应用[J].半导体技术,1997(5):19-22.

② 程雪敏,仲蓁蓁.基于LabVIEW的虚拟仪器实验教学系统的设计[J].计算机与信息技术,2010(10):90-91.

③ 杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用.电子工业出版社,2005.

④ 侯国屏,王珅,叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005.