NI ELVIS 在电工电子技术教学中的应用

汪 源，王连胜，梁志勇

(三亚学院 理工学院，海南 三亚 572022)

NI ELVIS II 虚拟仪器教学实验套件(Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，ELVIS)是美国国家仪器公司(NI 公司)于2008 年推出的一套基于LabVIEW 软件设计和原型开发的实验教学平台。它与电路仿真系统的Multisim 软件相整合，简化了电路设计教学。此外，NI ELVIS II 虚拟仪器教学实验套件由图形化设计语言LabVIEW 进行编程，并通过原型开发板的设计，满足特殊的教学需求。

由于NI ELVIS II 具有集成度高、扩展性强、性能优越、便于设计电路及测量结果等特点，将NI ELVIS II 引入电工电子技术的理论教学中，可以大大提升学生理解力和学习积极性，也为复杂理论教学提供实验支持［1－6］。

1 ELVIS II 简介

2004 年NI 公司推出NI ELVIS 教学平台，2008年6 月，在NI ELVIS 教学平台的基础上推出了改进版NI ELVIS II 教学平台。NI ELVIS II 教学平台基于强大的LabVIEW 图形化系统设计软件，集成了多个实验室常用通用仪器的功能，实现了教学仪器、数据采集和实验设计一体化。只需要一台NI ELVIS II 就可以实现以下12 种实验室常用仪器的功能:任意波形发生器、波特图分析仪、数字信号监视仪、数字信号记录仪、数字万用表、动态信号分析仪、函数发生器、阻抗分析仪、示波器、两线电流电压分析仪、三线电流电压分析仪、可调电源［7－8］。同时，NI ELVIS II 教学平台与Multisim 仿真软件相整合，通过“先仿真后实现”的原则，大大提高了电路设计的效率。此外，将NI ELVIS II与第三方板卡以及课程资源套件结合在一起，可教授控制设计、通信以及微控制器概念［8］。

2 ELVIS II 在电工电子技术教学中的应用

NI ELVIS II 教学平台将LabVIEW 和NI 的DAQ 设备相结合，综合应用得到一个教学实验平台。该实验平台插入一块原型实验面板，非常适合教学实验和电子电路原型设计与测试，以便完成电路分析、电工学、电子技术、信号处理、物理等学科课程的学习和实验。

用户可以在LabVIEW 软件环境中编写应用程序以适合各自的设计实验，它不仅适用于理工科实验室内作为常规通用仪器使用，还可进行电子线路设计、信号处理及控制系统分析及设计。

“直流电动机”是电工电子技术课程教学中非常重要的内容之一。传统的理论课通过多媒体课件展示直流电动机的原理和结构，对于直流电动机的控制、转速的测量等部分内容却无法在课堂中形象地展示出来。

利用NI ELVIS II 教学平台和小型直流电动机，我们设计并实现了“直流电动机控制、测量实验”。实验的设计分为两大部分:硬件电路系统和软件设计系统，分别如图1 和图2 所示。

1)硬件电路系统由NI ELVIS II 教学平台、小型直流电动机和红外光电开关三部分组成，结构框图如图3 所示。NI ELVIS II 教学平台为直流电动机提供－5 ～5 V可调直流电源(控制直流电动机的转速及方向)，为红外光电开关提供5 V 直流电源，直流电动机带动码盘转动，码盘通过红外光电开关后产生相应的开关量信号，并传送回NI ELVIS II 教学平台。

图1 直流电动机控制、测量实验硬件系统

图2 直流电动机控制、测量实验软件系统

图3 硬件电路系统结构框图

2)软件设计系统利用LabVIEW 软件编程通过计算机与NI ELVIS II 教学平台的联接，控制可调直流电源的大小和极性，从而控制直流电动机的转速及方向。NI ELVIS II 教学平台将红外光电开关的开关量信号传输给计算机，在LabVIEW 软件中以图像形式显示，并通过软件编程从开关量信号中得出直流电动机平均转速的信息，以数字形式显示。

此外，使用NI ELVIS II 教学平台几乎可以实现电工电子技术课程绝大部分教学实验，包括:电路元件伏安特性测试、简单电路电流和电压的测量、基尔霍夫定律的验证、叠加原理的验证、戴维南定理的验证、交流阻抗参数的测量和功率因数的改善、RC 暂态电路电压随时间的变化、RLC 串联谐振电路的研究、RC 选频电路的设计、积分电路和微分电路的设计等。避免了因实验器材缺少实验难以开展的问题，大大节约了成本。

图4 温度检测实验系统

图5 射频信号检测实验系统

NI ELVIS II 教学平台不仅可用于电工电子技术等专业基础课程的教学，还可用于《传感器技术及应用》《通信原理》等专业课程教学，温度检测实验及射频信号检测实验如图4 和图5 所示。

3 ELVIS II 教学平台在电工电子技术课程教学中的优势

与传统的实验台相比，在电工电子技术课程教学中使用NI ELVIS II 教学平台，有以下优越性:

1)集成度高:NI ELVIS II 教学平台集成了12种实验室常见仪器的功能，真正实现了12 种仪器的无缝集成，大大提高了教学平台的功能及实验项目开发的效率;

2)扩展性强:NI ELVIS II 教学平台的绝大部分功能都是基于开发板的电路设计及LabVIEW 软件编程实现的。其功能的扩展性非常强大，可以满足测量与仪器、控制、自动化、通信、电子信息、电路及嵌入式等领域的教学需求;

3)性能优越:NI ELVIS II 教学平台产生的信号准确、稳定性好，采集信号实时性好、噪声低、精度高，对于采集信号的分析准确;

4)体积小，便于携带:由于NI ELVIS II 教学平台的高集成度，决定了其体积小，便于携带的优势，非常适合于理论课堂教学的演示。

将NI ELVIS II 引入电工电子技术的理论教学中，不仅可以大大提升学生对理论知识的理解力，而且可以激发学生的学习积极性及创造性，把所学的知识灵活应用。因此，ELVIS II 教学平台必将会在电工电子技术课程教学中得到广泛的应用。

［1］吴晓男. 高校虚拟实验室的构建［J］. 国外电子测量术，2006，25(12):37－39.

［2］叶德云，曹薇. 基于LabVIEW 的虚拟仪器在教学中应用［J］. 机电产品开发与创新，2004，17(6):59－60.

［3］蒋书波，徐启.ELVIS 在实验教学中的应用［J］. 国外电子测量技术，2007，26(9):59－61.

［4］黄昆，郝小江.USB NI ELVIS 平台在高校教学中的创新应用［J］. 电子设计工程，2009，7(1):72－73.

［5］姚娅川，王茜，贾金玲. 虚拟仪器在实验教学中的应用［J］. 中国测试技术，2003，29(4):50－52.

［6］李君.NI ELVIS 在电子技术课程教学中的应用［J］. 信息技术，2011，3，165－167.

［7］ NI 公司. 选用NI ELVIS II 的十大理由［EB/OL］.(2011－09－15)［2011－10－14］.http://www. ni.com/white-paper/7159/zhs.

［8］ NI 公司.NI ELVIS 插入式板卡院校信息套件［EB/OL］.(2009－04－29)［2011－10－14］.http://www.ni.com/white-paper/8658/zhs.