（通信与信息系统专业论文）基于labview的高职高专电子信息专业虚拟实验平台构建.pdf

硕士论文基于l a b v i e w 的高职高专电子信息专业虚拟实验平台构建 摘要 我国部分高校电子类课程存在着实验设备陈旧、教学方式呆板等问题，对教学硬 件进行更新则需投入大量资金，且维护较困难。传统仪器的缺陷和不足日益凸显。传 统实验室存在着仪器种类多、成本高、用途单一等缺点。而虚拟仪器在很大程度上能 够解决以上困境，并且有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平。通常虚拟仪器 系统由数据采集、数据分析、结果输出显示组成，数据采集部分通过硬件来实现，数 据分析和结果输出完全由计算机的软件系统来完成。 虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发。本文在分析与研究虚拟仪器、虚拟仪 器开发环境- l a b v i e w 、虚拟仪器硬件系统的基础上，以n ie l v i s 为硬件平台，运用 l a b v l e w 编程语言，采用模块化设计方法，详细描述了软件开发的全过程，给出了己 实现的虚拟信号发生器、虚拟数字滤波器和虚拟谐波分析仪共三种虚拟仪器的原理、 前面板图和程序框图，并结合电工电子实验课程教学要求，设计了虚拟晶体管特性测 试实验、r c 瞬态电路电压测量实验、基本元算放大电路测试实验、虚拟采样定理演 示实验和虚拟调制解调演示实验共五种虚拟教学实验。由这些仪器和实验组成的虚拟 实验教学系统，可用于电路分析基础、电子技术基础、高频电子线路、信号与系统等 专业基础课程的实验教学，使之成为现有实验教学的有益补充，从而大大提高实验教 学的灵活性和适应性。 教学实践证明，虚拟实验增加了学生实验的兴趣，同时也提高了教学质量。 关键词：虚拟仪器，数据采集，信号处理，l a b v i e w ，n ie l v i s a b s t r a e t 硕士论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，s o m eo fo u rc o u n t r y su n i v e r s i t i e sa r ef a c e dw i t hm a n yp r o b l e m si n t e s t i n gc o u r s e s t h ep r o b l e m si n e l u d et h eu s eo fo l dt e s ti n s t r u m e n t sa n du n i n s p i r i n gc o u r s e w o r k u p d a t i n gt h e h a r d w a r ei s e x p e n s i v e a n di t i sd i f f i c u l tt om a i n t a i nt h e m t h e s h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a li n s t l u m e n t si si n c r e a s i n go b v i o u s t r a d i t i o n a l l a b o r a t o r yh a ss o m es h o r t c o m i n g s ，i n c l u d i n gav a r i e t yo fa p p a r a t u s ，h i g hc o s t ，s i n g l e u s e ，e t c v i r t u a li n s t r u m e n tc a l ls o l v et h a td i f f i c u l tp o s i t i o na n db eb e n e f i e i a lt oi m p r o v et h e w h o l ee d u c a t i o n a lc o n d i t i o na n dt e a c h i n gl e v e l u s u a l l yv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mi sm a d e u po fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t aa n a l y s i sa n do u t p u td i s p l a y e x c e p ts o m ep a r to fd a t a a c q u i s i t i o ni sc o m p l e t e d b yh a r d w a r e ，t h eo t h e r sa r ea l lr e a l i z e db ys o f t w a r e s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti st h ec o r eo fv i r t u a li n s t r u m e n td e s i g na n di m p l e m e n t t h i s a r t i c l e a n a l y z e s a n dr e s e a r c h e sv i r t u a l i n s t r u m e n t ，v i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t l a b v i e wa n dv i r t u a li n s t r u m e n th a r d w a r es y s t e m a n di td e s c r i b e st h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s si nd e t a i lb yt h el a b v i e wp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dt h e m o d u l a rd e s i g nm e t h o d t h e ni tp r o v i d e st h ep r i n c i p l e s ，f r o n tp a n e ld i a g r a m sa n dp r o c e s s d i a g r a m so ft h es i xv i r t u a li n s t r u m e n t sf o rl a b o r a t o r yt e a c h i n g ，w h i c ha r e t h er e a l i z e d v i r t u a lt r a n s i s t o r - c h a r a c t e r i s t i ct e s t e r , v i r t u a ls i g n a lg e n e r a t o r v i r t u a ld i g i t a lf i l t e r , v i r t u a l h a r m o n i ca n a l y z e r , v i r t u a ls a m p l i n gt h e o r e md e m o n s t r a t i o ni n s t r u m e n ta n dv i r t u a lm o d e m t h ec o m p o s e ds y s t e mb yt h e s ei n s t r u m e n t sc a nb eu s e di nt h es p e c i a l t yc o r ec u r r i c u l u m s e x p e r i m e n tt e a c h i n g ，s u c ha se l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , s i g n a la n ds y s t e ma n ds oo n t h u si t c a nb e c o m eau s e f u lc o m p l e m e n tt ot h ee x i s t i n ge x p e r i m e n tt e a c h i n ga n de n h a n c e st h e f l e x i b i l i t ya n dt h ec o m p a t i b i l i t yo fe x p e r i m e n tt e a c h i n gg r e a t l y t h et e a c h i n gp r a c t i c ep r o v e dt h a tt h ev i r t u a le x p e r i m e n t sc a nr a i s es t u d e n t s i n t e r e s t i ne x p e r i m e n t sa n di m p r o v et h eq u a l i t yo f t e a c h i n g k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t , d a t ac o l l e c t i o n ，s i g n a lp r o c e s s ，l a b v i e w , n ie l v i s i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：左星凇肜年，月弓日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：差歪力加年，月弓日 硕士论文 基于l a b v i e w 的高职高专电子信息专业虚拟实验平台构建 1 绪论 1 1 课题背景 随着电工电子技术的迅速发展，涌现出大量新器件和新实验方法，这使传统的实验 教学方法己明显落后于信息时代和工程实际的需要。电子信息专业的电路基础、电 子线路、高频电子技术等课程概念抽象，理论上具有相当的深度和广度，对于高职 院校的学生而言，难度较大，而这部分内容对学生的专业学习又是非常重要的。要掌握 这些内容，就要进行一定数量的以验证理论为目的的实验。由于目前的大部分电工电子 实验室的常规仪器设备已经老化，有些技术己经落后，在当前学校经费紧张的情况下， 如果大量配置常规仪器、仪表，学校无力支付高额的采购费用，不符合目前学校的实 际情况，而且随着测试仪器数字化、计算机化的发展趋势，传统测试仪器逐渐有被取代 的趋势。虚拟仪器技术是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式，它 是以虚拟仪器技术为基础的“综合 实验平台，运用虚拟仪器技术，以计算机为基础， 构建集成化测试平台，代替常规仪器、仪表，不仅能满足电工、电子实验教学的需要， 而且降低了实验室建设的成本。 本论文以n ie l v i s 为硬件平台，以l a b v i e w 为软件平台，将以虚拟仪器为内容开 发出的电工电子技术实验教学系统为主线，列举了有代表性的实例，说明了其特点。随 着科学技术的不断发展以及相应学科教学内容的更新，传统实验仪器日益暴露出设备费 用高、损耗大、使用不灵活等缺陷和不足。为了改善实验条件、改革实验教学方法、 更新实验教学内容、提高实验教学课程的开设水平，把虚拟仪器技术引入电工电子实 验教学已成为一种积极的发展趋势。学生可以在电脑内的虚拟实验室软件系统中做各种 基础性和验证性的实验。运用虚拟仪器技术建立的虚拟实验室，在一定程度代替了实验 室的传统仪器设备和元器件。真正体现了虚拟仪器技术“软件就是仪器 ，“一台计算机 就是一个虚拟电子实验室 的特殊优势。n 1 1 2 国内外研究现状 虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司在1 9 8 6 年提出的，但其雏形可以追溯到 1 9 8 1 年由美国西北仪器系统公司推出的a p p l e 2 为基础的数字存储示波器，但是由于当 时计算机软件开发水平的限制，编写个人仪器的驱动程序和人机交互接口是一项专门的 技术工作，必须由专业厂商才能完成，这种状况使得个人仪器的推广和应用没有形成工 业标准。目前，国内外很多高校都对虚拟仪器实验室展开了研究。如剑桥大学、斯坦福 大学、新加坡国立大学以及清华大学等都已开展了虚拟仪器实验室方面的研究并取得了 l 绪论硕士论文 一定的进展。华中科技大学、北方交通大学等将自己研制的虚拟仪器用于教学实践，收 到了良好的效果。四川翼龙公司研制了“y l s j a 型电子技术虚拟仪器实验教学系统。 所有这些表明，虚拟仪器实验室在高等工科院校实验室教学中的优势，正在被逐步认识， 并将逐步补充和取代传统实验室。目前，虚拟仪器在发达国家中设计、生产、使用己经 十分普及，虚拟仪器系统及其图形编程平台，己作为理工科学生的- 1 7 必修课程。瞄1 虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性 转变。以软件为主的测量系统，充分利用工作站、台式计算机和笔记本电脑的计算、显 示、存储和互联网等提高工作效率，为工程师及科学家提高生产率、测量精度及系统性 能方面做出贡献。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者 利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软 件。最早和最具影响的开发软件是n i 公司的l a b v i e w 软件。l a b v i e w 采用图形化编 程方案是非常实用的开发软件，l a b w i l l d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的， 在w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。除了上述的优秀开发软件之外，美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i s 公司的e z t e s t 、t e k t n s 软件，以 及美国h e md a t a 公司的s n a p m a t t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发 平台软件。咖 美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国。安捷伦刚开始对虚拟 仪器技术不以为然，称虚拟仪器只能用于教育用途，在工程界的实际应用前景很有限。 但n i 推出的高端采集卡速度可在达到g b i t s ，安捷伦已感觉到威胁。在我国，虚拟仪 器设计、生产、使用也已起步，我国有几家企业在研制虚拟仪器，产品己达到一定的规 模。 1 3 研究意义 高职院校由原先的中专校升格而来，由于兴建新的校区，基建投入巨大，相对而言， 对设备的投入不够。而实验对于学生动手能力培养、学习兴趣激发、理论知识理解的作 用是纯理论教学所不能替代的，尤其象电路基础、高频电子、电子线路等，学 生只有通过足够多高质量的验证性实验和一定数量的综合性实验，给予同学足够的感性 认识，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，提高动手实践能力，培养分析问题的能 力。电工电子类实验，是培养学生电工电子技术应用和工程设计能力不可缺少的教学环 节。由于其面向的是一个发展迅速的学科，所以实验教学方法、手段和水平也要不断改 进和提高，以适应学科的发展。 2 硕士论文 基于l a b v i e w 的高职高专电子信息专业虚拟实验平台构建 1 3 1 传统实验室教学模式的弊端 以往的工业生产以及教学实验当中，传统电子仪器起着主导作用。但是传统电子仪 器有其本身的不足之处。传统电子仪器主要由三部分构成：即对被测信号的采集与控制、 分析与处理、测量结果的表达与存储。传统电子仪器的这些功能块大多是以硬件或者固 化的软件的形式存在的，因此具有以下几个方面的弱点： ( 1 ) 成本高、技术更新慢 传统电子仪器价格比较昂贵，动辄几万人民币。研发周期长，技术更新慢，使用当 中存在元器件老化等问题，从而导致工作状态不稳定，日常维护费用较高，技术难度大， 使用寿命短。 ( 2 ) 数据显示、分析和存储功能不够强大 传统电子仪器的图形显示界面比较小，依靠人工读取数据，误差因观察者的实验方 法而不同，并且从中获得的信息量小。另外由于硬件设备的限制，往往无法实现更灵活、 更特殊、更准确的数据分析功能，也难以实现实验数据编辑、存储和打印等功能。 ( 3 ) 灵活性和可扩展性差 传统电子仪器具有固定的用户界面、组成模块和数据处理功能。独立仪器只有一块 仪器面板，例如。示波器只有示波器面板，频谱仪也只有频谱仪的面板。用户有时只需 要用到仪器中的一小部分功能。而在用到其他功能时却达不到所需指标，如信号的频率 受制于实际元器件的限制。用户无法改动厂家固定好的仪器模块，灵活性和可扩展性差。 ( 4 ) 实验室设备利用率低 高校实验室教学设备数量有限，特别是一些贵重仪器，要做到学生与设备一对一配 套是不现实的。在传统的实验室教学模式中，一般会将学生分为若干小组，以组为单 位作实验，使部分同学难以全部参与和投入，没能充分了解和掌握实验全过程。 ( 5 ) 实验信息管理混乱 实验信息，特别是实验数据的存储、分析和查询是实验的一个重要内容。在传统实 验教学模式中，学生靠手工记录和分析数据。存在的问题是：第一，记录时人为误差较 大；第二，不便于保存、查询和整理。 ( 6 ) 实验教师工作繁杂 实验报告的评阅，典型问题的解答与数据核对，包含大量的重复性工作，给指导教 师带来很多重复性劳动，精力很难集中在实验台上。n 3 如何更合理地配置教育资源，解决好资金投入与人才培养之间的矛盾，是学校开展 实验教育经常需要考虑而又是伤脑筋的问题。 l 绪论硕士论文 1 3 2 虚拟仪器的优点 虚拟仪器在灵活性、性价比、用户化等方面。有着得天独厚的优势。是传统仪器无 法媲美的。虚拟仪器的优点表现在以下几个方面。 ( 1 ) 成本低 虚拟仪器的开发维护成本低，系统构建时间短。只需通过增加软件模块或者通用硬 件模块来增添新的测量功能，缩短了系统的更新时间，有利于系统的扩展。另外，虚拟 仪器的结构是基于软件体系的，不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化及温度变化影 响的问题，可以节省大笔的维护费用，从而延长设各的使用寿命。低廉的开发成本使虚 拟仪器有着雄厚的市场竞争力。预计虚拟仪器价格仅是传统仪器的1 5 至1 1 0 。 ( 2 ) 灵活性大 传统仪器系统自身封闭、功能固定、可扩展性差，功能和模块由生产厂家定义，而 虚拟仪器可由用户自行定义功能模块，大大扩展了其灵活性。 ( 3 ) 自定义性强 在同一台计算机上，通过操作者的不同的定义，可以虚拟出不同的仪器，各仪器之 间还可以通过不同的窗口进行切换，因此实验室无需配备各种传统仪器，可以通过软件 设计使虚拟仪器和实验室设备不断更新。学生在计算机上操纵各种虚拟仪器进行实验， 就如同是在操作传统仪器一样有效，与在真实实验室的现场实验做出的实验结果是一样 的。这样，使用基于虚拟仪器系统的虚拟实验来代替实际现场实验，能很好地解决实验 教学的矛盾，而且又符合现代测试技术和实验技术的发展方向。 ( 4 ) 数据处理功能强大 计算机运算速度的日益提高，使得虚拟仪器处理数据的过程非常快速，数字信号处 理理论的成熟发展使得数据处理过程更为可信、精确。传统仪器无法实现编辑数据的功 能，而虚拟仪器可方便地对数据进行编辑、存储和打印。 ( 5 ) 软硬件接口多 传统仪器与其它仪器设备的连接十分有限，而虚拟仪器在普通p c 机上就可实现， 可方便的与网络外设及多种仪器连接，借助于现在流行的d a q ( 数据采集) 卡、g p i b ( 通 用接口总线) 卡、v xi ( 系统控制接口卡) 等，可以插入计算机插槽和计算机进行数据交 换。软件方面，可以方便地与c 、m atlab 等接口进行调用，也可以与数据库连接，方 便地支持网络传送数据。 ( 6 ) 测量误差小 传统仪器受系统误差的影响，不同仪器之间个体差异较大，加之观察者自身因素等 往往会影响测量结果，而虚拟仪器在p c 机上运行，不同的p c 机上运行具有相同的效果， 测量误差很小。由于虚拟仪器有着诸多的优点，采用虚拟仪器技术来改进实验教学具有 4 硕士论文基于l a b v l e w 的高职高专电子信息专业虚拟实验平台构建 极大的可行性。 ( 7 ) 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于 复杂，通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备 总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的i o 设备提供了标准的接口，可以 轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性晦1 传统仪器与虚拟仪器比较如下表1 1 如示。 表1 1 传统仪器与虚拟仪器比较 指标 传统仪器虚拟仪器 开放性、灵活，可与计算机封闭性、仪器间相互配合较 发展性 技术保持同步发展差 关键是软件，系统性能升级关键是硬件，升级成本较高， 升级方便，通过网络下载升级程序 且升级必须上门服务 即可 价格低廉，仪器间资源可重价格昂贵，仪器间一般无法 价格 复利用率高相互利用 功能用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便功能单一， 只能连接有限的 联网能力 连接独立设备 开发费用开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 10 年) 只有在自己动手的实验过程中，学生才能够将学到的理论知识真正掌握和应用，这 就使得电子测量仪器变得至关重要。而传统仪器下的院校实验教学，己严重滞后于信息 时代和工程实际的需要。虚拟仪器正是解决这一矛盾的最佳方案。如前所述，基于p c 平台的虚拟仪器，可以充分利用学校的微机资源，完成多种仪器功能，可以组合成功能 强大的专用测试系统。随着计算机技术的不断发展和虚拟仪器软件的日趋完善，虚拟仪 器会越来越受到人们的重视，随着教学仪器的发展和高职院校实验教学所面临的新要 求，将虚拟仪器引入实验教学将成为学校未来教学科研的重要方法和手段。 1 4 论文研究主要内容 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强劲。虚 l 绪论硕士论文 拟仪器赖以生存的p c 计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发展莫 定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。据专家预测，到本世纪前 期我国将有5 0 9 6 的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域比我国起步较早，但差距并 不是很大，我们应当充分把握时机，取长补短，学习国外先进经验，将我国的虚拟仪器 产业水平逐渐向先进国家靠拢。 l a b v i e w 作为虚拟仪器开发系统的杰出代表，虽然在我国己经引进了一段时间，但 了解和熟悉它的人还不够，还远远没有被认识和推广应用。本文就l a b v i e w 研发平台在 开发虚拟仪器过程中的应用做了初步的探讨。 本文对传统的电工电子实验教学系统进行简要的分析和介绍，通过分析现代社会对 学生的实际操作能力要求的提高，以及虚拟仪器技术的出现，从而提出了改进后的电工 电子虚拟仪器实验教学系统。然后以n ie l v i s 为硬件平台，以l a b v i e w 为软件平台， 以虚拟仪器在电工电子实验教学系统的应用为主线，列举了有代表性的实例，说明了 它们的特点。 本文论述的是电工电子虚拟实验室的实现，用n i 公司的虚拟仪器开发环境l a b v i e w 开发出多个不同的虚拟仪器，包括仪器的前面板设计，流程图设计；设计了多个基于虚 拟仪器技术的电工电子基础性实验。 第一章主要介绍了传统仪器的不足和当今的发展状况，说明了本课题的背景、意义 及本文的主要工作。 第二章主要介绍了传统的电工电子实验教学系统，以及虚拟实验教学系统的软硬件 结构组成。通过两者对比发现，基于虚拟仪器技术创建的实验教学系统具有一定的优越 性和可能性。 第三章叙述了本课题中涉及的相关技术，如虚拟仪器的组成、功能、特点、虚拟仪 器开发的集成软件包l a b v i e w 、数据采集技术，介绍了信号调理及采集的硬件选择、信 号的类型、模拟端口、本课题所用的数据采集卡、数字信号处理的基本概念、信号处理 的基本方法( 如f f t 、频谱分析、数字滤波、谐波分析) 等。同时也就虚拟仪器实验教 学系统的总体设计作出了简要叙述。该章是整篇论文的基础和理论依据。 第四章结合教学实际，详细阐述基于l a b v i e w 平台的虚拟信号发生器、a m 调制与检 波、虚拟晶体管特性测试仪、虚拟谐波分析仪、虚拟采样定理演示仪、虚拟数字滤波器、 晶体管特性测试仪、r c 瞬态电路测试、基本运放电路测试等仪器和实验的设计。 教学实践证明：l a b v i e w 用于电工电子类仿真实验系统的开发是可行的，可广泛应 用于电子信息专业的实验教学。 最后对本文进行了总结与展望。 6 碗论文 基于l 丑b v 正w 的高职高专电子信息专业虚拟实验平台构建 2 传统与虚拟实验教学系统对比 2 1 传统实验教学系统 传统的电工电子基础实验室一般包括：电路分析基础实验室、电予线路实验室、高 频电子线路实验室等。 2 1 1电路分析基础实验室 电路分析基础实验是与电路分析基础理论课程教学紧密相连的专业技术基础实验， 循序渐进的安排实验教学内容，主要包括常用仪器的使用方法、一般元器件参数指标的 测试方法、直流电路、动态响应电路、正弦电路测量方法、谐振电路、三相交流电路的 设计测量方法。其中基础层次的验证性实验主要包括常用电工仪表的使用及电位；电压 的测定；基尔霍夫定律、叠加原理、戴维南定理和诺顿定理的验证：一阶电路的响应测 试；串联谐振电路；改善功率因素；三相交流电路电压、电流、功率的测量等。 电路分析基础实验室所需的实验设各主要有：电路分析实验仪、直流稳压电源、数 字电压表、直流毫安表、功率表、信号发生器、双踪示波器、数字频率计、交流毫伏表 等。 我院电路分析基础实验室的传统仪器设备如图2 1 所示。 r = 三兰蓄 j ；号专黑： 睦羹篓蓍【孽熏：受_ i 二：i l 1 j o 瓣荇；、i ， i 箩。型墨 是型 ( a ) 天煌教仪电路基础实验台传统实验仪器 图2l 电路分析基础实验室的传统仪器设备 2 1 2 电子电路实验室 电子电路实验包括模拟电子电路实验和数字逻辑电路实验，是重要的技术基础课 程，通过本课程的学习，在实验中验证模拟电子电路和数字逻辑电路课程中的基本理论， 7 奠：薹 嚣，参一 臻孽嚣曩 2 传统与虚拟实验系统对额+ 论文 使学生能使用常用电子仪器仪表对电子线路进行调试和测量，能对电子线路进行分析， 能够安装常用电子电路，能对简单电子产品进行分析与故障排除。主要内容包括：常用 电子仪器的认识和使用、单管放大电路、负反馈放大电路、集成运放的线性应用、集成 稳压电源、r c 串并联正弦波振荡电路、门电路、组合逻辑电路、集成触发器、移位寄存 器、计数译码显示综合应用、5 5 5 时基电路的应用等验证性、设计性实验。 电子电路实验室所需的实验设备主要有：模拟电路实验装置、数字电路实验装置、 双踪示波器、万用表、直流稳压电源、频率计、毫伏表等。 我院电子电路实验室的传统仪器设备如图22 所示。 一一 ( a ) 天煌教仅d z x 一2 型电子学综合实验装置( b ) 传统取踪示渡器 图22 电子电路实验室的传统仪器设备 2 1 3 高频电子线路实验室 高频电子线路实验是一门技术基础实验课。课程包括振荡器；调谐放大器；振幅、 频率、相位的调制、解调器：混频器；频率合成器；锁相环和压控振荡器；语音无线通 信系统实验。 高频电子线路实验室所需的实验设备主要有：高频电子线路实验系统、2 0 卅l z 以上 庄宗示波器，万用表、频率计、毫伏表、高频信号发生器等。 我院采用的高频电子线路实验系统是华中科技大学出品的g p4 型实验设备，该设 备由通信发射机和接收机两大部分组成。每部分都由单独的单元模块组合，学生根据高 频电子线路课程内容、进度完成单元模块实验，也可进行调幅、调频两种收、发系统 的实验。 我院高频电子线路实验室的传统仪器设备如图23 所示。 硕论文基于l a b v i e w 的高职高奇电子信息专业虚扭实验平台构建 ( a ) g p i a 高频电子线路实验箱高频取踪示波器 图23 高额电子线路实验室的传统仪器设备 2 2 新模式实验教学系统 2 2 1 新模式实验教学系统的提出 科学技术的高速发展，使用户对信息的处理速度提出了越来越高的要求，也对电子 系统的功能提出了越来越高的要求，单一的传统电工电子实验室已经不能完成教学、研 究和测试任务，虽然可以根据设计、生产和测试的要求，兴建实验室，再购置新设备， 但技术的日新月异，使计划赶不上变化，同时各太专院校都面临扩招、搬迁等带来的场 地不够、资金不足等实际问题。解决这些问题最好的办法就是打破传统的实验教学模式 和格局，避免实验室设备的重复购置，建设新模式下的电工电子实验教学平台，对实验 设备进行优化整台，充分利用共享资源，让实验设备最大限度的发挥作用。 2 传统与虚拟实骑系统对 顿l 睦文 2 2 2 虚拟仪器实验教学系统的构成 口 圈2 4 虚拟仪器实验教学系统的构成 本课题研究的虚拟仪器实验教学系统是以n ie l e v i s 为硬件平台，以l a b v i e w 软 件为开发工具设计丌发的一个适合于教学实验和电子电路的设计与测试的系统。 n ie l e v i s 是将d a q ( 数据采集) 硬件和l a b v i e w 软件组合成的一个虚拟仪器教 学实验装置，包括硬件和软件两部分。 l 、n i e l e v i s 硬件组成： 可运行l a b v l e w 的计算机； d a q 设备： 6 8 针电缆： 平台工作站： 原型实验板。 ( 】) d a q 设备 d a q 硬件设备功能一般包括模拟量输入、模拟量输出、数字i o 和定时器计数 器4 个组成部分。本课题选用p c i 一6 2 5 1 数据采集卡。p c 卜6 2 5 1 外形如图25 所示。 硕士论文 基于l a b v i e w 的高职高专电子信息专业虚拟实验平台构建 图25p c i - 8 2 5 i 数据采集卡 ( 2 ) n ie l e v i s 平台工作站 平台工作站和d a q 设备一起建立了一个完整的实验系统，e l v i s 平台工作站如 图2 6 所示。工作站提供了连接相关实验硬件仪器的功能，工作站控制面板提供了函 数发生器和可调电源等一些容易操作的旋钮，也提供b n c 和香蕉型连接器可连到n i e l v i s 示波器s f p 和n ie l v i sd m m ( 数字万用表) s f p 上。n ie l v i s 软件可以在 s f p 仪器间传送n ie l v i s 平台工作站上信号。例如，可以将函数发生器的输出送到 一个d a q 设备的指定通道上，然后在n 1e l v i s 示波器s f p 的一个期望通道上采集 数据。平台工作站带有d a q 设各的保护板以免实验错误对设备造成的损害。 图2 6 n i e l e v i s 平台工作站 ( 3 ) n 1e l e v i s 原型实验板 原型实验板又称原形设计面板，连接在平台工作站上，为用户提供一个组建电路 2 传统与虚拟实验系统对比硕论女 的平台。如图27 所示。 图27 n i e l e v i s 原型实验板 2 、n ie l e v i s 软件组成： l a b v i e w 开发环境； n i d a q ； s f p 仪器； 可针对e l e v i s 硬件进行程序设计的一系列l a b v i e w a p l 。 ( 1 ) s f p 仪器 n i e l v i s 自带用l a b v i e w 编制的s f p 仪器及其源代码，用户不能直接修改可 执行文件，但可以通过修改代码来修改或增强这些仪器的功能，这些仪器是在典型 实验室应用中必须要用到的虚拟仪器( v l s ) 。包括仪器启动器( i n s t r u m e n t l a u n c h e r ) 、 任意波形发生器( a r b ) 、波特图分析仪( b o d ea n a l y z e r ) 、数字信号监视仪( d i g i t a l b u sr e a d e r ) 、数字信号记录仪( d i g i t a lb u sw r i t e r ) 、数字万用表( d m m ) 、动态信 号分析仪( d s a ) 、函数发生器( f g e n ) 、阻抗分析仪( i m p e d a n c e a n a l y z e r ) 、示波 器( s c o p e ) 、两线和三线电流一电压分析仪( t w o - w i r ea n d t h r e e - w i r e c u r r e n t - v o l t a g e a n a l y z e r s ) 、可调电源( v a r i a b l e p o w e rs u p p l i e s ) 。 双击n ie l v i s 桌面图标，启动n ie l v i s 。经过如下图所示的初始化之后， l a b v i e w 软件仪器套件就被打开了。界面如图2 8 所示。 硕士论文基十l 出v i e w 的两职高专电子信息 业虚拟安验平台构建 l 麓燃n i e l v i $ 憎h h d 抽h 坼咖呵v - t 柚 h h 日n 日b n 0 l d _ c _ m a 日，日一 m 。p - 日h 0 - 一s “ “r i k m _ 一 d ，t r _ 打 d a f “r a 【1 脚 - i m l 曲l 1 h ，w 口l a 州e w v3 0 图28 n l e l v i s 30 界面 从图28 中可见，n ie l v i s 提供了1 2 种虚拟分析仪，其中数字万用表、函数信号 发生器、阻抗分析仪、两线和三线电流- 电压分析仪界面如图2 9 所示。 iv 、l i n h m c u , m l o 1 田目 a u t o i j - - i r _ 崎e 数字万用衷 r - m 目i - 口k 曲” 2 传统与虚拟实验秉统对比 颈论文 r b l 丽敬信号发毕器 c ) 阻抗分析仪 ( d ) 两线和三线电流一电压分析仪 图2 9s f p 仪器界面 硕士论文基于l a b v i e w 的高职高专电子信息专业虚拟实验平台构建 ( 2 )n ie i j v i sl a b v i e wa p i n ie l v i s 软件也有针对n ie l v i s 硬件的4 种功能：d i o ，d m m ，函数发生器 和可调电源的a p i s 。 3 、n ie l v i s 优越性 在n ie l v i s 平台上实现电子电路实验比用传统实验装置实现更具优越性： ( 1 ) n ie l v i s 平台集成了许多功能性仪器，如电源、波形发生器、万用表、原型 板等，做实验时只需购买必要的电子元器件，而传统的实验则需要一整套工具； ( 2 ) 实验实现的原理简单，因为n ie l v i s 平台具有数据采集功能，可以直接把模 拟信号输入计算机，实现温度显示只需软件编程了，而传统实验要实现温度显示一 般都要用到单片机、模数转换器等，原理复杂不便调试，分析困难； ( 3 ) n ie l v i s 平台附加功能强大，用户界面丰富，可以通过其开发软件实现更多 的功能，如超过最高或最低限度报警，记录数据等；若这些功能在传统实验装置上实 现，相对复杂，一般的学生不易掌握； ( 4 ) 学生可不止完成以上的基本实验内容，还可以发挥搭建成精确的电压监测电路、 频率信号的处理与滤波等实验。 所以在n ie l v i s 平台上完成实验，能使学生们对整个实验过程相当了解，而且可 以根据学生的兴趣及创造性添加更多新的功能，把所学的知识灵活应用。由此可见，基 于n ie l v i s 平台的强大功能必将会在高校实验教学领域得到广泛的应用。 3 虚拟仪器实验教学系统设计方案硕士论文 3 虚拟仪器实验教学系统设计方案 3 1 虚拟仪器技术概述 图形化软件编程方法和集成开发环境为标志的虚拟仪器开发环境是虚拟仪器技术 研究的重要内容，也是虚拟仪器技术应用与发展的技术基础。美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，称n i ) 的创新产品l a b v l e w 是目前最为成功、应用最为广泛的 虚拟仪器软件开发环境，实际上，虚拟仪器的概念最初就是在开发l a b v i e w 时提出的。 3 1 i 虚拟仪器的软件开发平台 1 、虚拟仪器概念 英国国家物理实验室( n p l ) 的定义( h t t p ：w w w n p l c o u k ) ：虚拟仪器是在通用计 算机( 如p c 机、m a c 或工作站) 中加上软件和硬件，并使用计算机屏幕提供仪器虚拟 界面的可重用测量仪器。n i 公司的定义( h t t p ：w w w n i c o r n ) ：虚拟仪器就是在通用计 算机上加上一组软件和硬件，使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设 计的专用电子仪器。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t i o n ，简称v i ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的 密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式： 一种方法是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机 功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含 嵌入式系统的仪器。 另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各 种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。 图3 1 反映了常见的虚拟仪器方案。 1 6 被调 数 数 测理 据虚拟 对信 采 据 仪器 集 处 面板 象号理 卡 图3 1 虚拟仪器组建方案 虚拟仪器的主要特点有： 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。 硕士论文 基于l a b v i e w 的高职高专电子信息专业虚拟实验平台构建 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及 的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。 表3 1 虚拟仪器和传统仪器的比较 虚拟仪器p 传统仪器p 功能由用户自己定义。功能由生产厂商定义驴 可方便地与网络外设连接p与其它仪器设备的连接郁艮 基于软件体系，开发和维护费用低p开发和维护费用高p 技术更新周期短( o 5 1 年) ，技术更新周期长( 5 1 0 年) p 软件是关键p硬件是关键p， 价格 匕较低矿 价格比较高， 开放灵活与计算机同步，可重配置和使用p固定p 自己编程硬件二次开发强一无法自己编程硬件，二次开发差p 无限的显示选项p 有限的显示选项。 完整的时间记录和测试说明p部分具有时间记录和测试说明p 自动化的测试过程p测试部分自动化， 2 、虚拟仪器应用 随着虚拟仪器功能和性能地不断被提高，现今它已成为在许多应用领域中传统仪器 的主要替代方式。未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式， 并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大功能和灵活性，可广泛应用于电子测量、电 气工程、机械工程、航天航空、振动分析、声学分析、故障诊断、军事工程、建筑工程、 铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等多方面。 虚拟仪器的强大优势可以让用户放心地舍弃传统的旧的测量设备，代之以计算机为 基础的虚拟仪器系统，降低使用成本，减少系统的开发费用和维护费用。此外，新型笔 记本电脑又将虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟 仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。口1 3 1 2 虚拟仪器开发环境 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n e h ，实验室虚拟 仪器工程平台) 是美国n i 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程 语言) 的虚拟仪器软件开发工具。可视化编程语言环境v i s u a l c + + 、v i s u a l b a s i e 等也可 用于开发虚拟虚仪器，但编程难度较大，开发周期较长且不易进行更改、升级和维护。 l a b v l e w 用图标、连线和框图代替传统的程序代码，具有简单易学，开发周期短，开发 出的应用程序界面美观，功能强大等特点，并且，l a b v l e w 所运用的设备图标与科学家、 3 虚拟仪器实验教学系统设计方案碰论文 工程师们常用的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常地相似，很适合 于从事科研、开发的没有编程经验的科学家和工程技术人员使用，所以被誉为工程师和 科学家的语言。 l a b v l e w 的程序是数据流驱动的。数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有 输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。这样， l a b v l e w 中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到 行顺序执行的约束。从而，可以通过相互连接功能方框图快速简洁地开发应用程序，甚 至还可以有多个数据通道同步运行。 3 1 3 虚扭仪器设计步骤 l 、程序输入 在l a b v i e w 的用户界而上，应特别注意它提供的操作模板，如图3 2 所示，包括工 具( t o o ls ) 模板、控制( c o n z r