虚拟仪器技术引入电工电子教学的思考

李啟尚

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中，强化了学生的实践动手能力和教学效果。文章结合LabVIEW 软件开放性对电工电子类课程教学工作给出参考思想，通过举出 LabVIEW 设计和替代几种常用教学仪器说明LabVIEW 在电工电子中测试仪器方面有广泛的应用，说明作为教学内容将LabVIEW补充到教学中的必要性。

关键词： 虚拟仪器 电工电子 LabVIEW

随着电子信息技术的高速发展及其在电子仪器测量技术中的应用，新的测试理论、测试方法及新的仪器机构不断出现，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的问题，严重影响教学科研效果。学生不能掌握实验方式，培养动手能力，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实验性实验，有些学生想要更深入地完成一些复杂的实验和一些设计性的实验，学校却不能提供相应的条件。

虚拟仪器是一种全新的仪器概念，在自动化监测领域的应用正方兴未艾，而LabVIEW是科学家和工程师进行虚拟仪器应用开发的首选工作平台。将虚拟仪器引入高校教学不但可以提高教学内容的实用性，而且可以为降低实验仪器成本提供有效的途径和方法。

一、传统电子仪器的缺点

从普通意义上看，传统电子仪器主要由三大模块组成：即对被测信号的采集与控制、分析与处理、测量结果的表达与储存。传统电子仪器的这些功能块都是以硬件或者固话的软件的形式存在的，存在一些弱点。

首先，灵活性和可拓展性差。传统意义的电子仪器是自封闭系统，具有固定的用户界面、组成模块和数据处理能力。

其次，成本高，技术更新慢。一般传统意义的电子仪器价格较贵，动辄十几万几十万甚至更多。开发周期较长，技术更新较慢，而且存在元器件老化等问题，维护费用高，使用寿命短。

最后，数据显示、分析和存储功能不够强大。传统意义的电子仪器的图形显示界面比较小，依靠人工读取数据从中获得的信息量小。由于硬件设备的限制往往无法实现更灵活、更特殊的数据分析功能，更难以实现数据编辑、存储、打印等功能。

随着摩尔定律的持续发展及计算机技术的日新月异，虚拟仪器系统的功能越来越强大，这都有利于“虚拟”测量和自动化系统的发展。成本低廉的计算机系统被广泛应用到实验室的产品研发和生产线上产品的制作过程中。个人计算機的不断发展使得虚拟仪器系统成为一种低成本、高弹性的解决方案，大大提升学习效率，这是传统独立的仪器设备无法比拟的优势。虚拟仪器正在大规模地替代传统的测试仪器，尤其是在新建项目中的非测控仪器。

二、虚拟仪器的优点

虚拟仪器的优点很多：打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，用户可以根据自己的需求，设计满足自己需要的仪器系统；传统仪器的某些硬件被虚拟仪器中的软件替代，克服了硬件使用时所存在的一些弊端，从而大大提高了测量精度和测量速度；传统仪器一般功能单一，一种仪器只能实现一种功能。虚拟仪器既可以独立使用，又可以通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控和故障诊断；基于软件体系统结构的虚拟结构代替了基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节约仪器购买和维护费用。

虚拟仪器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完成各种测试、测量和自动化的应用。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbenvh）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、数学界和研究实验室接受，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尽可能采用通用硬件，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执照各种仪器。

三、应用案例

利用普通声卡作为信号采集硬件，以美国NI公司的虚拟仪器软件LabVIEW 8.5作为开发平台，可以实现多种实验室教学设备的设计。波形分析、频谱分析、相关分析等信号分析理论是测试技术课程教学中的难点，傅里叶变换理论、卷积分定理等常常让学生很头疼。为强化教学效果，我们借助虚拟仪器实验将这些理论知识进行可视化表达。

1.虚拟示波器的实现

虚拟示波器对采集信号进行时域分析，可以实时显示波形，实现对信号的频率、周期和幅值的测量。程序主体部分由数据采集和数据分析构成，程序使用while循环结构。设计的函数有Sound Aquire.vi、Sound Iutput Configure.vi、Sound Iutput Start、Sound Iutput Read.vi、Sound Iutput Stop.vi、Sound Iutput Clear.vi等。

可以通过名为幅值控制和时间轴控制的旋转钮分别动态控制Y轴量程和X轴量程大小及测量游标显示的位置，同时根据通道的选择（通道A和通道B）相应显示对应的波形。设计方法主要是通过波形控件的属性节点实现。

采用PC机技术、声卡技术和虚拟仪器技术，实现了对音频信号实时、高保真的采集与处理。整个系统性价比高，通用性强，界面友好，性能稳定可靠。如果在置多块声卡并进行工作，稍加修改该软件，就完全可以构成一个多通道音频数据采集处理系统，满足音频数据采集及处理需要。如果采用笔记本电脑则无需添加任何硬件就可以构成便携式测量系统。

总之，用声卡作为数据采集硬件，在LabVIEW开发环境中构建的数据采集系统和信号发生系统，能够做到拥有较高的采样精度和中等采样频率，能够把声卡的廉价性和LabVIEW的灵活性很好地结合起来，在特定的应用场合是一种明智的选择。

2.虚拟频谱分析仪的实现

频谱分析是信号的一种频域分析方法，其目的在于了解信号的频率成分和每种成分的强度。该分析仪实现了对采集信号的幅值谱分析、相位谱分析、功率谱分析、FFT变换等功能，程序与模拟示波器的程序较为相似，都是数据采集和数据分析两大部分。信号滤波部分，可以采用Butterworth滤波器进行低通滤波，采用频率根据需要设定，频率的上限为200kHz，下限设为50Hz，或设为可调。信号加窗中，可以对信号进行加窗处理，包括矩形窗、汉宁窗、汉明窗等。

3.虚拟信号发生器的实现

主要是結合声卡驱动函数，在LabVIEW开发平台下，可以产生双通道信号，信号包括常用的正弦波、三角波和方波等。并且能够实现频率粗调、微调、频率扫描等功能。

虚拟信号发生器程序主体部分处于while循环结构中，由while循环体现波形参数设置，数据缓冲音量控制和波形产生功能。可实现100Hz～15kHz范围内信号的实时采集、时域分析和频域分析功能。声卡A/D转换性能优越，技术成熟，配合LabVIEW强大的数据采集及处理功能，可构建一个性价比高、通用性强、界面友好、数据存储方便的数据采集系统。

测量系统历来被称为“自动化的荒岛”，因为必须为每个单一的应用专门设计一套独立的系统。有了虚拟仪器系统，模块化的硬件组成及开放式的工程应用软件可以简单地使一套系统同时符合各种测量应用的要求。

四、结语

在电工电子教学中引入虚拟仪器技术，对于加强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，提高学生学习的积极性，取得较好的教学效果，具有传统实验无可比拟的优势。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远程实验教学是今后的发展方向。

参考文献：

[1]赵勇.虚拟仪器软件平台和发展趋势[J].国外电子测量技术，2002，（1）.

[2]金贫，孙晶.基于声卡的虚拟双踪数字存储示波器[J].仪器仪表用户，2008（15）：42-43.

[3]程雪敏，仲荟荟.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.