虚拟仪器创新实验室方案-Update

NationalInstruments虚拟仪器创新实验中心建设方案美国国家仪器（中国）有限公司上海，浦东新区，张东路1387号美国国家仪器（中国）有限公司上海，浦东新区，张东路1387号张江集电港二期45幢,201203862150509800/china目录目录 1概要 2NationalInstruments公司简介 2NI平台的优势 3虚拟仪器创新实验室建设背景及意义 6方案简介 7实验室硬件设备/软件配置 7已有资源和案例介绍 17电子线路 17信号处理 22通信原理 26电子测试测量\传感器原理及应用 33控制 36嵌入式开发 41课外动手实践创新 44医学信号检测分析 46虚拟仪器创新实验室—支持说明 51基于项目的学生创新实践教学及竞赛 66学生创新竞赛 69LabVIEW高校俱乐部 71LabVIEW毕业论文竞赛 72附NI与中国高校合作实验室部分列表 74

概要美国国家仪器公司（NationalInstruments）为高校教学及工程实践实验室建设提供富有创新性的解决方案，基于虚拟仪器创新实践平台可覆盖电子电路、信号处理、通信、无线通信、测试测量、自动控制、物理、生物医学等多门专业课程的创新实验需求。NI实验平台支持教师根据教学实验具体需求开发相应的实验内容，同时也适合学生进行各种设计型实验或开展基于项目的学生科技创新活动，提高学生的综合设计和创新能力。NI平台专业的技术支持团队可为高校教师提供完善的技术支持服务，同时NI高校市场部已和国内知名高校合作针对许多课程开发了完善的教学和实验内容资源，从而使教师使用NI平台开展教学工作更加便利。NationalInstruments公司简介美国国家仪器有限公司（NationalInstruments，简称NI）是世界著名的设计和生产数据采集和虚拟仪器系统的专业厂家，致力于为测试测量、自动化、通信、嵌入式应用等领域的工程师和科学家们带来革命性的理念，从“虚拟仪器技术”提升到“图形化系统设计”，帮助他们实现更高效和优化的设计、原型到发布。NI为遍布全球各地的30000家不同的客户提供现成即用的软件（如NILabVIEW图形化开发平台），和高性价比的模块化硬件。NI总部设在美国德克萨斯州的奥斯汀，在近40个国家和地区设有分支机构。在过去连续15年里，NI被《财富》杂志评选为“全美最适合工作的100家公司之一”。NI平台的优势NI平台适用于测试、通信、控制和嵌入式设计等多个领域，基于虚拟仪器平台不仅可完成多门课程实验，而且能提供面向设计、原型、发布应用的统一平台，可以完成从原型设计到系统部署之间的所有工作，从而将教学与科研、理论知识与实际工业应用无缝衔接。这不仅可使学生在学校实验室就接触到工业界所通用的先进系统构建方式和技术手段，使实际动手能力、创新能力和进行系统级设计的能力得到锻炼，而且对于从事科研项目的教师和研究生来说，也可以提高项目开发和验证的效率。NI始终致力于提供业界最先进的软件和硬件，并通过专业的服务、支持和解决方案，助科学家和工程师一臂之力。A. 领先的技术早在八十年代，随着金牌产品NILabVIEW的诞生，NI提出“软件就是仪器”的口号，开辟了“虚拟仪器”的崭新测量概念。25年以来，NI不断致力于开发基于计算机的测试测量与自动化平台。长远的发展目标保证NI的产品具有长期的兼容性，并享有完善的技术支持。B. 广泛的应用目前，NI共提供500多款软硬件产品，应用遍布电子、机械、通信、物理、汽车制造、国防、生物、医药、化工、科研、教育等各个行业领域。从欧洲核子研究组织（CERN）世界第一大粒子加速器控制、德国的机械状态监测与故障诊断、日本的Honda汽车测试、丹麦的风力发电机组仿真与实时监测、澳洲的心脏起搏器设计/验证,到英国电信电话线路性能测试以及我国“三网合一”技术的开发验证，全世界数以万计的工程师和科学家们都在使用NI的产品达到他们共同的目的——更快、更好、更经济。C. 最佳的产品NI的图形化测量程序开发环境（LabVIEW）、GPIB接口卡、PXI模块化仪器系统、插入式数据采集卡、模块化紧凑型嵌入式测控平台、测试执行管理软件等产品在全球测量行业内首屈一指。而LabVIEW、TestStand更曾荣获美国测量行业久负盛名的“年度最佳产品”大奖。D. 庞大的用户群NI拥有庞大的用户群体——仅在2001年度，全球就有超过24,000家公司从NI购买了产品。用户的智慧结合NI先进、优质的产品，造就了无数成功的测试测量方案。借助商业化的计算机平台，用户仅以传统测试测量系统一半乃至十分之一的成本，便可获得与之相同或更出色的功能。学生在本科或研究生阶段接触这些在工业界广为采用的系统构建方式，并学习相关的开发技术，对其今后从事科学研究或实际工作都大有裨益。NI在工业界的部分用户列表E. 全面的售后服务和专业的技术支持现在，在中国，也已经有越来越多的科学工程技术人员开始了解、应用NI产品。NI的用户数以千计，大到著名的手机厂商，小到只有三两个成员的私人企业，都已在积极采纳NI的技术。位于上海的中国分公司总部提供全面、周到的销售服务与专业的技术咨询、售后产品支持以及客户培训。结合美国十佳技术支持网站的丰富参考信息，您可以很快熟悉NI的产品并将其使用到您的工作中。随着本地用户群的不断壮大，NI在全国各主要城市都有常驻的技术工程师，我们力求提供更加完善的服务。F.与国内外教育界建立紧密合作关系NI致力于与国内外各高校建立长期合作关系，为国内外高校提供一个长期的教学经验交流和资源共享平台。与此同时，在过去十年中NI中国高校市场部已和国内知名高校合作，针对一系列课程开发出适合国内教学大纲的教学实验资源。今后这些资源还将得到不断完善和扩展，为高校教师提供与课程结合更紧密、更强调专业性与实践性的课件与实验指导书等资源作为参考。NI与全球著名高校建立长期合作关系虚拟仪器创新实验室建设背景及意义《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》重大改革项目提出为促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国，需培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。为了贯彻落实国家工程教育强国战略，从国家层面对教学投入越来越大而且出台了一些计划和政策，包括卓越工程师教育培养计划、本科教学工程协同创新计划、华盛顿教育认证、国家级示范教学实验中心认证、国家虚拟仿真示范教学中心认证等。国家更加重视高等教育人才培养与工业界的密切合作，重视工程人才培养的国际化，重视学生工程实践能力、创新能力的培养。目前高校实验教学以传统实验箱\实验台为主，验证性实验方式限制学生设计性能力开发，同时实验设备缺乏和实际工业应用背景的衔接，各实验设备相互独立无法满足综合性实验要求。虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成对各类信号的测量、采集、分析处理等功能，应用遍布电子、机械、通信、物理、汽车制造、国防、生物、医药、化工、科研、教育等各个行业领域。在教育领域，基于同一不仅可完成多门课程实验，而且能提供面向设计、原型、发布应用的统一平台，可以完成从原型设计到系统部署之间的所有工作，从而将教学与科研、理论知识与实际工业应用无缝衔接。这不仅可使学生在学校实验室就接触到工业界所通用的先进系统构建方式和技术手段，使实际动手能力、创新能力和进行系统级设计的能力得到锻炼，而且对于从事科研项目的教师和研究生来说，也可以提高项目开发和验证的效率。为了提升学生对实验兴趣，增强动手实践和实验环节，提高学生工程创新实践能力。国内包括清华大学、天津大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、北京邮电大学、山东大学在内众多高校开设虚拟仪器实验教学，使学生在基础知识、动手能力和创新思维等方面都得到了显著的提高，学生对工程课程专业相关基础和专业课程的学习也产生了浓厚的兴趣，比传统的仅靠理论教学中枯燥的公式推导更易于被学生接受。目前，美国国家仪器已与中国高校合作建立了面向电子电路、信号处理、信息与通信、测量与仪器、控制设计与仿真等学科的近300多个教学与科研实验室，每年新增超过50000名大学生学习LabVIEW及相关课程，国内“211工程”中超过70%的高校开设了LabVIEW相关课程并建立相应实验室。2015年6月，教育部发布校企合作专业综合改革项目和国家大学生创新创业训练计划联合基金项目，NI正式成为全国16家与教育部携手开展产学合作育人项目的公司之一。NI会坚持以推动创新教学、实现高效科研，助力工程教育和工程类创新人才培养为己任,通过自身的业界领先技术优势和与高校的多样化合作，为高校教学提供丰富的动手实践和基于项目的学习体验，帮助高校工程教学与科研提升到一个新的层次。方案简介该建设方案旨在为XX大学XX学院提供技术领先、性能优异的虚拟仪器实验平台，基于该建设方案构建的创新实验中心，能够：辅助老师/学生完成电子线路、信号与系统、数字信号处理、通信原理、移动通信、测试测量、传感器、嵌入式、控制等相关专业课、选修课的教学和实验；支持学生设计综合型实验、研究创新型实验教学和学习，培养系统级设计的能力，增强学生的自主学习和创新意识。学生可以参加全国虚拟仪器大赛、挑战杯比赛等，完成具有应用背景的创新项目，培养实际解决问题的能力。方案在满足老师/学生创新实验与工程实践基础上，NI会为学校提供行业前沿应用分享，配合开展相关专业和专题培训，从而将教学与科研、理论知识与实际工业应用无缝衔接。实验室硬件设备/软件配置本方案设备部分主要包含ELVIS虚拟仪器综合实验平台、通用软件无线电平台（USRP）、LabVIEW院校使用权软件、Multisim院校使用权、MyRIO嵌入式开发平台、MyDAQ课外便携式创新平台、Emona及Quanser实验板等。课程及应用如下：核心平台介绍A.NIELVIS多功能虚拟仪器教学平台NIELVIS多功能虚拟仪器教学平台集成8路差分输入（或16路单端输入）模拟数据采集通道（最高采样率1.25MS/s）、24路数字I/O通道，以及12款最为常用的仪器（包括100MS/s示波器、数字万用表、函数发生器等）。NIELVIS可通过USB连接PC，连接简单，便于调试；具有很好的健壮性，降低实验室资产损耗。NIELVISII+所提供的仪器功能NIELVIS上自带的原型面包板所提供的各种I/O接口NIELVIS自带的12种仪器均提供直观易用的软面板,无需编程即可使用学生可基于标准配置中的面包板搭建各种数字与模拟电路，并用平台中已经集成的仪器及软面板进行测试验证结合NIMultisim软件可以进行电路仿真，并通过软件快速比对仿真结果和实际搭建电路的测试结果支持连接多种传感器及执行机构也可选择第三方提供的现成电路板实现各种针对不同专业课程的实验，例如基于信号与系统、FPGA的数字电路设计、光纤通信原理、传感器的信号调理、生物医学工程、电机控制、嵌入式设计等提供现成软面板软件实现不同的仪器功能，教师或学生也可以通过LabVIEW编程实现自定义的数据处理、显示、存储等功能，或开发针对专业课程实验的软件程序。通过LabVIEW网络应用可开发远程教学实验，进一步提高实验室使用效率NIELVIS是一个多学科实验平台，结合NILabVIEW以及不同的插板可完成电子线路类、信号与系统、数字信号处理、传感器、电子测试测量、控制等学科的基础和创新实验，使实验室投入发挥最大效益；同时基于NIELVIS的硬件资源和LabVIEW软件的强大功能，在课程设计等教学环节中结合不同学科背景，可以使学生融会贯通，也符合虚拟仿真实验室对扩展性、兼容性、共享性、可持续性的要求。B.NI-USRP软件无线电仿真实验平台NIUSRP是一个通用的软件无线电仿真教学平台，通过普通以太网线连接PC，结合LabVIEW软件即可实现自定义的编码解码、调制解调、上下变频、脉冲成型等功能，适用于通信原理、数字通信等一系列信息专业的课程实验，同时也可以基于USRP开展一定的学生创新项目和研究工作，包括建立无线通信系统原型、进行算法验证实验等。NIUSRP以相对较低的成本为通信专业的师生提供了一个灵活的软件无线电学习与验证平台，通过从仿真向真实射频信号的过渡，既可提高学生的学习兴趣，也使学生对专业知识概念领会地更加深刻。两种型号可选：可调谐的RF收发器分别可选50MHz至2.2GHz中心频率，或2.4GHz/5.8GHz中心频率，适应FM、移动通信、802.11a/b/g/n、GPS及蓝牙等多种应用频段；高达20MS/s基带I/Q数据流，可在PC机软件上进行信号处理（编解码、基带调制解调等）；国外知名大学的现成教学资源（实验指导书等）；支持研究性学习，例如2x2MIMO，射频信号记录与回放，信号频谱分析等。实验室建议配置：NIUSRP（1-2名学生一组进行小班实验，USRP可选型号为2920或2921，分别对应50MHz-2.2GHz频段以及2.4GHz/5.8GHz频段）关于NIUSRP的更多信息和资源请访问/usrpC.LabVIEW软件NILabVIEW所特有的图形化编程方式可以大大加速工程应用的开发效率。20多年来，全球的工程师和科学家一直依靠LabVIEW满足他们特定的应用需求。由于应用各不相同，NILabVIEW图形化开发环境附带不同的可选模块，这让用户能够更轻松地实现专业应用。在实验室建设中，教师既可以利用LabVIEW为学生开发专业的实验程序和界面，学生只需应用这些程序验证实验结果；或者亦可以让学生基于LabVIEW完成设计型实验（LabVIEW本身就是很多高校工科专业学生学习的重要内容），使学生进一步加深对专业知识的理解，同时掌握LabVIEW这种在工业界所广泛采用的开发工具软件。简单易用的图形化开发环境与各种硬件紧密集成（无缝支持对USRP、MyDAQ等硬件的开发）快速用户界面开发内置超过1000种信号处理、分析和数学函数实验室建议配置：LabVIEW院校使用权包含各种教学常用的工具包（如调制解调工具包、信号处理工具包、滤波器设计工具包等；50人使用权限）。D.Multisim院校教学使用权Multisim是直观的电路图捕捉和SPICE仿真电路教学环境。Multisim的特性专为帮助教师促进教学和引导学生探索电路概念而设计，借助这些特性，教师可为学生提供一个交互式环境，通过强大的仿真和分析功能来可视化电路行为，同时抽象化复杂的SPICE语法。教师可借由仿真驱动的仪器和隐性故障来了解仪器和故障排除，并让学生通过交互式组件和高级仿真探究假设情景("what-if"scenario)，培养电路直觉。主要特点：借助统一、易用的原理图捕捉和交互式仿真环境巩固理论知识借助仿真驱动的仪器和测量探针,进行仪器原理教学借助SPICE分析（比如瞬态、MonteCarlo和噪声），帮助学生培养直觉通过NIMultisim内置的NIELVISII硬件,比较仿真数据和实际信号通过将PLD电路图导出为VHDL,简化数字概念的探索NI电路设计套件教学版提供50人License教学领域：模拟电路和分析：利用Multisim软件的直观图形化环境，学生可以快速地放置电子元件和仿真电路行为，轻松理解电路的基本概念。数字逻辑电路、微控制器和FPGA：Multisim包含数字逻辑门、计数器和微控制器，用于丰富布尔代数等入门级数字电子概念的教学方法。电力电子元件和系统：能源电力是全球各教育机构一个新的重要教学和科研领域。Multisim环境包含了一个元件库和专业分析函数库，帮助学生探索以下概念：AC/DC转换，DC/DC开关电源、用于电机驱动的DC/AC转换、可再生能源、整流器、逆变器和PWM。学生设计和科研：在同一个Multisim环境中，学生可以使用配套的NIUltiboard布局和布线环境来开发物理印刷电路板(PCB)设计的原型。E.Quanser控制\传感器类实验套件ELVISII+提供的12中仪器结合原型版可以通过一些列电路的搭建完成针对控制理论等基础理论的验证性实验同时也可以结合LabVIEW平台进行控制系统的设计性实验。基于ELVIS的Quanser控制实验套件包含了直流电机，倒立摆，一维直升机，热过程控制，传感器训练系统。学生可以通过系统级别的实验对象完成从模式识别，建模，算法设计，事物部署等一些列环节。图：Quanser提供的系统级实验平台F.Emona信号处理\通信类实验套件EmonaInstruments公司采取了一种独特的方框图方法对通信信号与系统进行建模，从而更适用于实验室。他们为NIELVIS平台提供了两种插入板——针对通信概念学习的DATEx和针对光纤通信的FOTEx。学生们采用跳线(patchcable)连接板上的电路块，并采用NIELVIS提供激励并测量响应，从而建立通信系统和编码模型。学生们建立并模型化实现调制和编码模型，利用实际信号将理论知识付诸实践。对于教师们来说，每块插入板都配有整套的练习，可以充分体验相关理论。基于ELVIS平台，也可以选择Emona公司的SIGEx信号处理教学实验板与配套教材开展相关实验。EmonaSIGEx教学板，是Emona公司针对“信号与系统”以及“数字信号处理”课程特别开发的课程实验板，结合ELVIS平台，配套有16门学生动手实验。G.MyRIO机电控制平台NImyRIO是NI针对教学和学生创新应用而最新推出的嵌入式机电控制开发平台。NImyRIO内嵌XilinxZynq芯片，使学生可以利用双核ARMCortex-A9的实时性能以及XilinxFPGA可定制化I/O，学习从简单嵌入式系统开发到具有一定复杂度的系统设计。NImyRIO的便携性、快速开发体验以及丰富的配套资源和指导书，使学生在较短时间内就可以独立开发完成一个完整的嵌入式工程项目应用，特别适合用于控制、机器人、机电一体化、测控等领域的课程设计或学生创新项目。由于NImyRIO是一款针对学生创新应用的平台，因此在产品开发之初即确定了以下重要特点：易于上手使用：引导性的安装和启动界面可使学生更快地熟悉操作。编程开发简单：支持用LabVIEW或C/C++对ARM进行编程，LabVIEW中包含大量现成算法函数，同时针对NImyRIO上的各种I/O接口提供经过优化设计的现成驱动函数，方便快速调用，甚至比使用数据采集（DAQ）设备还要方便；如果学生需要对FPGA进行自定义编程，可采用LabVIEW图形化编程方式进行开发。安全性：直流供电，根据学生用户特点增设特别保护电路。同时，NImyRIO是一款真正面向实际应用的学生嵌入式开发平台。NImyRIO采用NI工业级标准可重配置I/O(RIO)技术，与NI其他工业级的嵌入式监测与控制开发平台（如NICompactRIO及NISingle-BoardRIO）具有相似的系统结构和开发体验，学生通过NImyRIO获得相应的经验后可将其用于其他更加复杂的工业嵌入式应用开发或相关科研项目。H.MyDAQ学生课外动手实践平台NImyDAQ为工程专业的学生量身定制，可以帮助学生在实验室之外的任何时间，任何地点进行工程创新实践的创新教学实践平台。NImyDAQ与图形化系统设计环境LabVIEW以及电路设计软件Multisim无缝集成，并作为实验室配置平台NIELVIS的完美补充。配合丰富的外围扩展支持，myDAQ能够让学生将多个学科的知识相互综合，并付诸创新实践，更好地将理论联系实现。小巧便携，无需外部供电，USB连接，学生可放在书包里随身携带，适用于课外作业与创新实践八种硬件仪器于一身（示波器、数字万用表、任意波形发生器、波特图仪、动态信号分析仪、函数发生器、数字输入、数字输出）两个差分模拟输入通道（200kS/S每通道，16位）两通道模拟输出（200kS/S每通道，16位）两通道音频接口（1输入/1输出，3.5mm插孔）8个数字输入和输出+5V，+/-15V电源输出I/O部分电路采用特别设计，即使连线错误一般也不会损坏数据采集硬件，可放心发给学生作为课外动手作业与创新实践平台工具。已有资源和案例介绍通过长期在教学领域的投入以及与国内外高校的合作，NI已经积累了构建高校教学实验室的丰富经验并乐于将这些经验和资源与国内高校教师分享。该部分将针对电子线路、信号与系统、数字信号处理、通信原理、无线通信、测试测量、控制、嵌入式、课外动手实践等介绍NI解决方案与相关资源，以及已有的可供公开的实际应用案例。电子线路NI电子线路教学方案（电路分析、模拟电子线路、数字电路）在传统书本及理论教学的基础上，注重学生的动手能力，增加交互性，实践性以及创新性。NI主要提供“软件实验”和“硬件实验”2类教学方案，软件方案通过电路设计仿真环境Multisim仿真各类电子线路，深入巩固基础概念；硬件实验通过ELVIS搭建电子线路并将实际的电路参数和信号进行记录，在同一用户界面上与仿真结果实时比对，借助仿真与实际的差别来深入理解电路本质。针对软件实验，NI提供基于Multisim开的《实践教学理论》指南，该书籍包含12个不同章节涵盖了电路基本原理，戴维南定理，二极管，三极管，晶体管，运算放大器，晶闸管和开关，数字电路，模拟和数字混合电路振，简单射频电路，波导及网络分析等电子学基本知识点，每一章节有相应的Multisim配套仿真电路文件及说明。作为全世界最权威、应用最广泛的电子电路设计软件，Multisim相关教学书籍出版数量超过1000本，仅中文版教学用书就超过100本。教师和学生可以很方便选择教材，以下是部分教材：在硬件实验部分，学生可基于ELVIS上面包板搭建各种数字与模拟电路，并利用ELVIS已经集成的示波器、万用表、信号发生器及软面板等进行测试验证，通过对比Multisim仿真结果和实际搭建电路的测试结果，可以锻炼学生思考和解决问题的能力。Multisim仿真结果可以和ELVIS硬件实测结果在同一个仪器界面窗口中的实时比对及虚拟3DELVIS演示。针对硬件实验NI提供电子学教育平台实验教程(第二版)共11章，教程中提供了的配套经典电路实例供教学演示和学生实验使用。涵盖RC瞬态电路，AC电路工具，运放基础，滤波器设计，数字时钟电路设计，磁传感器调理，LED灯，自由空间光通信，射频无线通信等实际可用电路。除此以外NI还可以提供数字实验指导书，主要实验有门电路逻辑功能及测试，组合逻辑电路设计，译码器及应用，触发器及参数测试，移位寄存器，A/D转换电路等。同样针对ELVIS也出版了一些书籍，教师和学生可以很方便选择教材，以下是部分教材：除了能满足基础型电工电子实验外，ELVIS还可以满足综合设计性实验的要求。老师提出实验任务与要求，给定电路功能和技术指标，然后由学生自己拟定实验实施方案并完成实验任务，从中全面提高学生的素质和创新能力，为以后进行更复杂的实验打下基础。下图是基于ELVIS开发的典型电子线路实验，主要包括数字万用表演示、示波器/波形发生器演示、阻抗分析演示、二极管/三极管伏安特性曲线测量、RC电路时间常数测量、八段码数字显示、LED灯显示演示、马达转速测量与控制演示、万用表浮地特性验证、陷波滤波器伯特图分析、低通滤波器设计等说明：a-陷波滤波器电路;b-RC测温电路;c-RC电路；d-RLC串联电路；e-晶体管；f-低通滤波器电路；g-直流电机转速测量电路；h-七段数码管电路。陷波滤波器原理图及使用ELVIS仪器设备所测幅频、相频特性曲线浙江大学基于NIELVIS平台开发的电工电子综合实验“低压直流电动机转速控制测量和显示系统”及教师在《实验室研究与探索》杂志上发表的相关文章清华大学电工电子实验中心利用Multisim和ELVIS开展电路分析和模数电教学、实验。涵盖温度信号调理，AC电路工具，运放基础，滤波器设计，磁传感器调理，自由空间光通信，射频无线通信等实际可用电路，配合相关知识点，展示实际电路应用。并可将实测信号结果与Multisim仿真结果实时比较。拉近理论和实现的距离。同时，学生也可通过该实验教程学会Multisim、LabVIEW、ELVISII的用法，并能掌握利用电子学教育平台解决实际问题的方法。清华大学教师针对NIELVIS平台设计的附加电路板，完成超声调制与传输实验，配合模拟电路教学信号处理信号处理类课程一直是电子信息工程、通信工程、自动化、机电等专业中的重要的专业基础课程。随着国内教学改革的深入，信号处理类课程正逐渐往动手实验与项目实践方向发展，以期在加深学生理论理解的同时，提高学生的创新、动手与工程实践能力。针对这一趋势，许多学校采用理论与实验结合的教学，软件实验与硬件实验结合，可进一步扩展为创新项目作为考核方式之一。NI信号处理教学方案在传统书本及理论教学的基础上，增加交互性与实践性，通过软件的交互性界面帮助学生更形象的理解概念；通过便携或专业的实验平台，引入真实的信号，借助实际的应用来阐述理论，实现学生在工程思想和创新动手实践方面的提升。NI方案以“从仿真到实际I/O”为核心思想，提供从“课堂演示”、“软件实验”、“硬件实验”、“创新实验”等多方面的教学方案，归纳如下：课堂演示：LabVIEW软件可用于课堂演示、学生纯软件仿真以及结合ELVISII+真实硬件的编程。LabVIEW在工程中应用及其广泛，其图形化的编程思想更符合工程师的理念（EngineerSense），同时具备灵活的用户界面与强大的交互性，使LabVIEW亦成为工程教育的领先工具。许多美国高校与国内高校已经使用LabVIEW作为信号处理方面的教学工具，让学生在动手实验中更形象的体会理论，了解更生动的应用背景。NI提供结合经典教材的LabVIEW信号处理教学演示程序NI信号处理课件与经典教材完全契合实验室动手实践：利用ELVIS上的真实I/O接口、各种仪器以及面包板的开放接口，结合电子线路课程的背景知识，可以搭建电路完成实际的板级信号处理效果，比如滤波、放大等；也可以利用ELVIS上提供数据采集通道（1.25MS/s模拟输入和模拟输出通道），完成声音或其他信号的采样，并在PC上的LabVIEW软件中编程进行数字信号处理。除了LabVIEW内置的上千种信号处理函数，学生也可以在LabVIEW中调用Matlab的代码对采集到的真实信号进行分析和处理。基于ELVIS平台，也可以选择Emona公司的SIGEx信号处理教学实验板与配套教材开展相关实验。EmonaSIGEx教学板，是Emona公司针对“信号与系统”以及“数字信号处理”课程特别开发的课程实验板，结合ELVIS平台，配套有16门学生动手实验，包含详细实验指导书和程序（NI提供中文版本）。基于ELVIS平台和LabVIEW软件，还可以实施开放性设计型实验，进一步锻炼学生的动手能力和系统级设计能力。部分国内外应用案例：课堂教学与课内实验：西安交通大学电信工程学院信号处理实验室，配备LabVIEW软件及ELVIS。实验内容包括信号的频谱分析、心音信号采集分析、频谱仪及滤波器的设计与实现、语音信号采集与分析等。浙江大学生命科学与仪器学院大三数字信号处理课程实验，结合LabVIEW与NI硬件完成滤波器综合设计等实验。开放式实验:包含上海交通大学、北京大学、复旦大学、天津大学、西安交通大学等国内大学均已开设基于NI平台的数字信号处理相关开放性实验。例如：“在线音效处理”，利用ELVIS可采集任何音乐播放器的音频输出，通过LabVIEW编程实现滤波器，在播放音乐的同时针对高、中、低音部进行滤波处理，实现实时的音效处理。让学生在理解滤波器的同时，了解滤波器在实际应用中的意义和价值。其他更多创意实验包括音乐阶梯、声音门锁、特雷门琴等等，例如可利用NIELVIS的模拟信号输入接口以及数字I/O口，实现基于声音特征的自动门锁，当敲门声符合指定规律的情况下控制电机开门。通信原理课堂演示：图形化的LabVIEW结合其调制解调工具包等附件既可以作为教师的课堂演示工具，也可以作为学生完成软件仿真作业的工具。NI为有需要的教师提供“通信原理实验室”课件，涵盖模拟调制、数字调制、信道复用、信道噪声、信道干扰、载波同步和频谱分析等七个知识大类的虚拟仿真。基于LabVIEW可快速进行通信系统软件仿真，并且NI提供相关编写好的程序代码实验室动手实践：NIUSRP为学生基于“软件无线电”理念快速原型化通信系统提供了高性能且灵活的硬件平台，支持50MHz-2.2GHz或2.4GHz/5.8GHz射频收发。学生可以直接通过LabVIEW自定义USRP的射频收发功能，将调制、编码、扩频等通信原理基础知识系统整合，构建从简单（如FSK信号收发）到复杂（如MIMO-OFDM系统）的各类通信系统，积累通信系统级的工程实践经验。如果实验学时数有限，教师也可以为学生开发好实验程序，让学生基于该平台进行验证型实验；或留出一部分与相关概念密切相关的代码让学生编写，从而强化所学知识。随USRP可获得UniversityofTexas(Austin)的RobertHeath教授基于USRP进行通信原理教学的实验指导书和相关资料。同时，NI中国高校市场部也积极与国内教师合作开发与国内教学大纲结合更好的配套中文实验教材。NIUSRP是通信原理教学的理想平台，并已配有相应的指导书资源除了课堂仿真教学实验，基于NIUSRP还可以完成一些基于项目的开放性实验，例如学生基于USRP平台可以进行2x2MIMO系统的研究等。如果学生创新项目或科研项目中需要更高的性能和灵活性，亦可考虑选择成本更高的NIPXI软件无线电平台。这些平台也可以同时作为移动通信课程的实验平台，可开展调制解调、OFDM等内容的实验。基于这样的软件无线电平台还可快速验证一些最新的技术，并引导高年级学生和研究生进行研究性学习。典型应用案例：斯坦福大学面对全美高校电子信息类本科生源不足的现象，斯坦福大学决定通过教学改革增加动手实践体验，以此激发学生的学习兴趣。在经过多番调研后，斯坦福大学工学院决定将LabVIEW和USRP（软件无线电平台）引入通信课程实践教学中。通过LabVIEW和NIUSRP的软硬件结合，学生可以创建整个通信系统信号链路中的各个功能模块，并观察各点的信号特征。通过该方法，学生亲身体验并构建了信道编码、调制、定时恢复、随机数生成等现代数字通信系统中常见的功能模块。最后，作为结课项目，学生在USRP射频发射机和射频接收机之间创建完成了一个无线通信链接。学生们仅在学习了射频和通信入门级课程之后，就能够独立地完成构建通信系统的项目。每个实验都鼓励学生们动手实现通信系统的一个功能模块。例如，在第四个试验中，学生学习了解调理论，并在两个USRP构建的空中无线链接上实现了基于BPSK（二进移相键控）调制方式的射频接收机。射频收射机重复发送BPSK信息包，由学生负责解码。每位学生在自己的计算机和NIUSRP上开发接收机解调信号。在两个星期的实验室课程中，学生共接受到信道校正、BPSK符号解映射、报头检测方法、包解码、CRC检测、错误排除等动手实践训练。实验室课程的安排使学生最终还可以将之前课程中开发的代码整合起来用于创建一个实际的无线链接，作为课程的结课项目。基于USRP实现QAM星座图调制2*2MIMOAlamouti空时分组编码和MRC研究动手实验使学生能够亲手操作NIUSRP射频收发机，频率范围从50MHz到2.2GHz，实时带宽达20MHz。借助NIUSRP和LabVIEW，学生可实时看到标准汽车安全钥匙发送的简单射频开关信号，以及850MHz的GSM移动手机信号。学生们还可通过实时分析频谱找到FM发射站，甚至实现一个FM解调器来收听FM广播。在结课项目中，每个学生都设计了一个数据包收发机。收发机能够成功接收并解码一个数据包，并通过ACK信号完成通信握手。

无线车钥匙信号监测实时频谱监测国内高校方面，包括北京邮电大学、东南大学、上海交通大学、北京交通大学在内的几十所院校均已采用USRP进行教学改革。以北京交通大学为例，利用USRP实际搭建通信链路实现模拟通信调幅、调频、数字通信的采样/量化/信源编码、基带传输/信道编码、制和解调等理论知识。在实验中用声音、文本、图像和视频作为检验实验是否完成的手段，让学生体会书本理论知识如何融入真实生活。以下是具体实验内容：基于软件无线电（USRP）通信实验内容通信原理实验无线通信实验在满足通信原理、无线通信课程本科基础实验的同时，北京交通大学意识到本科教育是研究型大学可持续发展的基础，改变传统教学“以知识为本”模式为“以研究为本”模式，注重科研与教学实验对接。部分优秀的学生参与了轨道交通控制与安全国家重点实验室项目，基于NIPXI高性能射频科研平台和USRP开发了无线信道仿真平台。该平台基于PXI总线技术的高性能信号发生器、信号分析仪以及FPGA模块进行了无线信道仿真平台核心部分的设计，并搭配USRP进行辅助设计和性能分析，为无线通信系统的半实物仿真和测试提供了较好的实验和验证平台。平台整体架构现场实测和仿真场景上海交通大学自2013年起引入软件无线电平台（USRP）开展通信原理创新教学与实践方式探索，面向通信相关专业333名学生。实验采用核心模块设计和创新实践内容相结合方式，其中核心模块设计部分为通信原理相关核心算法在无线通信系统链路的设计建模、仿真验证和实时的原型实现。学生按实验指导教材和参考资料，自行对核心模块建模，编制可视化程序，给出仿真链路系统进行仿真验证在实际的无线收/发系统中运行，即采用USRP设备。其中在通信链路中具体需要设计的基本核心模块内容为：1.随机信号产生及直方图统计2.相关噪声模型和相关函数计算3.模拟FM调制解调系统4.QAM调制发送模块设计5.QAM解调及检测模块设计6.通信系统中同步模块设计7.通信系统中信道估计与时域均衡模块设计8.通信系统中信道编解码模块设计创新实践部分学生可以根据自已的兴趣结合其它专业的知识或自已正在进行的实践项目，在教师的指导下设计实现一个完整的系统，从而进一步调动学生的主观能动性，提高了学生的自主创新和实践能力。电子测试测量\传感器原理及应用虚拟仪器技术的核心思想是通过软件去定义硬件的功能，并实现自定义的数据处理与控制等应用，从而通过现成的模块化硬件和灵活的软件实现一种系统级的设计方式。许多最新的科研与工业应用中的测控系统都是基于虚拟仪器的思想构建的，NI为这些应用的实现提供可靠的模块化硬件平台（如NI数据采集系列硬件、NIPXI模块化仪器平台等）以及高效的软件工具（如NILabVIEW），加速这些应用的实现。正是由于系统级设计方式带来的巨大优势以及虚拟仪器技术与应用的不断发展，越来越多的高校认识到所有工程专业学生都应该对虚拟仪器技术的基本概念和方法有所了解和掌握，相关专业学生还应具备利用虚拟仪器技术解决实际工程问题的动手能力。在国外高校，取决于不同高校的课程体系设置，或设置独立的虚拟仪器技术课程，或以概念讲授与实践练习相结合的方式将虚拟仪器的教学贯穿于其他工程课程中。在麻省理工、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、伊利诺伊大学、卡内基梅隆大学、弗吉尼亚理工、德州大学奥斯汀分校等美国顶尖工程院校均将虚拟仪器技术的教学引入学生培养的全阶段，并且将其概念和方法渗透至其他多学科教学（如机械、电气、通信、环境、自动化、土木、生物医学等），同时在教学中采用理论教学、教学实验与项目实践相结合的方式，贯穿于整个高等教育阶段（例如下图显示了加州大学洛杉矶分校在不同阶段虚拟仪器技术教学中所侧重的学生能力培养，形成”EngineeringPipeline”）。在国内，已有包括清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、天津大学、北京邮电大学在内的超过200所高校开设了《虚拟仪器技术》课程，并建立了近300个教学和科研实验室，据不完全统计每年至少新增超过50,000名学生学习LabVIEW程序与系统设计，并且涌现了一批优秀的教材以及创新的学生实验作品。此外，还有许多高校在测控专业的其他专业课程中（例如《现代测量技术》、《自动检测技术》、《传感器原理与应用》、《测试总线技术》、《智能仪表设计》）也将虚拟仪器技术作为课程内容中的重要部分传授给学生。NI可以为各高校从事《虚拟仪器技术》课程教学或拟开设该课程的教师提供技术理论及最新发展和应用方面的最新资料，以及部分多媒体课件内容和演示程序。此外，随着虚拟仪器技术的快速发展及其教学的全面展开，已有一些从事该领域教学或科研的教师编写了诸多相关教材，可作为重要的教学参考资料。NI可为教师提供整套参考课件众多的虚拟仪器技术教学参考书此外，NI中国网站以及全球最大的图形化系统设计专业网站GSD提供丰富的资源下载，包括国外知名高校的虚拟仪器课程教学课件以及非常丰富的LabVIEW范例代码等。具体链接参见后续章节。对于《虚拟仪器技术》课程实验可以使用NIELVIS的数据采集硬件平台和LabVIEW软件的实验室配置方案。NIELVIS集成8路差分输入（或16路单端输入）模拟数据采集通道、24路数字I/O通道，以及12款最为常用的仪器（包括示波器、数字万用表、函数发生器等）。支持连接多种传感器及执行机构学生可基于标准配置中的面包板实现自定义的信号调理电路或其他电路模块功能也可选择第三方提供的现成电路板实现针对不同传感器的信号调理功能教师也可自行开发实验电路板通过USB连接PC，连接简单，便于调试；具有很好的健壮性，降低实验室资产损耗提供现成软面板软件实现不同的仪器功能教师或学生也可以通过LabVIEW编程实现自定义的数据处理、显示、存储等功能基于ELVIS平台可开展的部分基本教学实验（从左至右:电桥测量、电子温度计设计、利用霍尔传感器进行磁脉冲计数、直流电机的转速测试和PID控制）NI为ELVIS平台提供现成的的数据采集教学实验指导书NI翻译引进的国外高校基于ELVIS平台的教学实验指导书可供教师参考教师和学生可根据课程需要设计自定义的ELVIS实验板和相关实验程序（清华大学和吉林大学供图）控制众所周知，控制原理一直是电气、自动化及机电各类相关专业最重要的专业基础课程。为了紧跟自动控制技术快速变革的发展脚步，顺应国内教学改革的深入，迫切需要在控制原理授课中引入更为灵活的教学平台，不断强化动手实验与项目实践，以期在加深学生理论理解的同时，提高学生的创新、动手与工程实践能力。NI自动控制原理教学方案在传统书本及理论教学的基础上，增加交互性与实践性，通过软件的交互性界面帮助学生更形象的理解概念；通过便携或专业的实验平台，引入真实的信号，借助实际的应用来阐述理论。实现学生在工程思想和创新动手实践方面的提升。NI提供从“课堂演示”、“软件实验”、“硬件实验”、“创新实验”等多方面的教学方案，归纳如下：软件硬件纯软件课堂演示LabVIEW+CDS+MathscriptRT从仿真到部署的实验室实验：

专业基础实验

专业核心实验LabVIEW+CDS+MathscriptRT

RCPtoolkitELVIS+Quanser插板LabVIEW+CDS+MathscriptRT

RCPtoolkitmyRIO+QUBE对象或CompactRIO+Quanser对象基于创新项目的开放性实验LabVIEW+CDS+MathscriptRTmyRIO或myDAQ机器人教学与竞赛LabVIEW+机器人模块NI机器人起步包或myRIO课堂演示LabVIEW在工程中应用极其广泛，其图形化的编程思想更符合工程师的理念（EngineerSense），同时具备灵活的用户界面与强大的交互性，使LabVIEW亦成为工程教育的领先工具。LabVIEW本身提供了数据流,文本方式(如符合matlab语法的Mathscript节点-MathscriptRT提供)等多种方式进行程序设计;同时LabVIEW控制仿真工具包可以提供针对控制设计与仿真的各种模块。丰富的图形化控件可以更加直观的显示仿真对象的动态特性。越来越多的美国大学以及国内的顶尖院校开始使用LabVIEW作为控制原理教学的软件仿真工具，让学生在软件动手实验中更形象地体会理论，更生动地了解控制原理。LabVIEW图形化系统设计平台在LabVIEW中实现控制设计与仿真从仿真到部署的实验室实验基于ELVIS的Quanser控制对象,学生学生可以完成从建模,模型验证,控制算法设计,算法仿真到实物部署的一系列环节,让学生获得从仿真到部署的完成控制工程概念与实践体验。ELVIS插板名称Quansor直流电机插板模块Quansor温控箱插板模块Quansor机电传感器模块Quansor倒立摆插板模块Quansor一自由度直升机模块配套实验内容阶跃响应建模开关控制响应形变传感器建模（状态空间）模型建立（等效电阻）稳态误差分析过程控制系统建模压力传感器摩擦对控制算法的影响（状态空间）模型分析模型时间常数提取PI控制算法设计压电传感器模型分析（状态空间）系统辨识工具建立模型仿真模型与实际模型对比电位计传感器控制算法设计（LQR）（状态空间）PD控制算法设计根据实际结果修正模型红外传感器PID控制算法设计PI控制算法设计（速度控制）声纳传感器PI控制速度（方波激励）电磁场传感器PI控制速度（三角波激励）编码器PD控制算法设计（位置控制）温度传感器电机负载对控制的影响LED和开关专业核心实验软件:NILabVIEW+CDS+MathscriptRT+RCPtoolkit硬件:myRIO+CUBE或CompactRIO+QuanserNImyRIO是NI今年针对教学实验和学生创新应用而最新推出的嵌入式系统开发平台，内嵌XilinxZynq芯片，学生可以将图形化的LabVIEW算法直接下载到ARM实时系统上执行，结合丰富的板载I/O资源（AI、AO、编码器输入、PWM输出等），使在特别适合用于控制理论、机器人、机电一体化等领域的课程教学。在控制理论的教学中，结合Quanser公司的控制对象CUBE，在基本的电机、倒立摆PID控制等实验的基础上，还可以基于实时系统开展LQR控制等较复杂控制方法的教学实验。NImyRIO提供的现成驱动函数抽象了嵌入式系统开发的底层细节，使学生可以将精力用于课程相关的控制设计和验证。NImyRIO嵌入式实验平台和QuanserQUBE对象NICompactRIO平台是一个模块化的高性能嵌入式控制平台，包含开放编程的嵌入式处理器和FPGA资源，同时可根据需要选择不同的硬件I/O模块，可用于对处理性能有更高要求的高级控制实验。Quanser公司提供的一系列可以连接NICompactRIO嵌入式平台的控制对象平台，包括电机、倒立摆、直升机、柔性臂、柔性关节等实验内容，学生可以完成从复杂系统建模、模型验证、现代控制算法设计、算法仿真到实物部署的一系列环节，让学生获得从仿真到部署的完成控制工程概念与实践体验。RCPtoolkit提供的工具可以将算法到硬件I/O部署的环节简化到3个LabVIEW函数，使学生可以专注于控制算法设计及参数选择验证；同时也允许学有余力的学生通过LabVIEW访问CompactRIO提供的底层实时系统以及FPGA资源，实现完全自定义的项目设计以及工程实践。NICompactRIO嵌入式控制平台和Quanser被控对象（多种被控对象选择）目前国内已有许多高校基于NI平台开展控制方面的教学和课外实践。例如，西安交通大学自动化系基于NIELVIS平台开展自动控制原理的教学实验改革，用更多设计型实验取代传统的验证型实验，并且将自控原理实验与电子技术等前序课程的内容有机衔接起来，提升学生的系统级设计能力和动手实践能力，收到良好的效果。浙江大学则基于NI机器人起步教学平台（核心控制硬件平台基于NISingle-BoardRIO平台）开展机器人教学实验。西安交通大学基于NIELVIS平台进行自控原理实验教改项目，开展更多设计型实验

（详细案例可参见:/cs/app/doc/p/id/cs-15537）上海交通大学自动化系与NI建立的联合实验室

涵盖运动控制、过程控制、计算机控制等全系列自动控制实验内容嵌入式开发NImyRIO是NI针对教学和学生创新应用而最新推出的嵌入式系统开发平台。NImyRIO内嵌XilinxZynq芯片，使学生可以利用双核ARMCortex-A9的实时性能以及XilinxFPGA可定制化I/O，学习从简单嵌入式系统开发到具有一定复杂度的系统设计。NImyRIO的便携性、快速开发体验以及丰富的配套资源和指导书，使学生在较短时间内就可以独立开发完成一个完整的嵌入式工程项目应用，特别适合用于控制、机器人、机电一体化、测控等领域的课程设计或学生创新项目。针对运动控制类实验，NI提供MyRIO机电一体化附件包，用于教授和实现机电一体化实验。该套件包含伺服电机、H桥驱动器、齿轮电动机（包含旋转和速度编码器）、罗盘、加速度计等。针对视觉类应用，MyRIO支持USB摄像头图像采集处理。典型应用案例：罗斯霍曼理工学院的EdDoering教授将MyRIO引入到嵌入式教学中，并且编写《NImyRIOProjectEssentialsGuide》作为入门实验指导书，通过16个实验介绍了与16种不同的外围元器件相连接的方法，如电位计、编码器、电机等。在完成基本实验的基础上学生还开发了无人机、庭院防盗系统、自行车换挡器等创新应用。图:《NImyRIOProjectEssentialsGuide》封面及部分章节图:以NImyRIO作为控制平台开发完成的四旋翼飞行器图:UCBerkeley的EECS149课程采用LabVIEW和myRIO作为配套实验平台(左图为课程在的MOOC界面)，课程要求学生基于NImyRIO控制一个iRobot机器人图:基于MyRIO实现无线遥控小车，可以通过USB摄像头实现图像传输图:开发自行车自动换挡控制器，并可通过iPhone界面显示当前档位课外动手实践创新随时随地，实现工程创新：不同于一般的USB便携式数据采集设备，NImyDAQ是为工程专业的学生量身定制，可以帮助学生在实验室内外的任何时间，任何地点进行工程创新实践的创新教学实践平台。与NIELVIS相似，NImyDAQ可与电路设计软件Multisim和图形化系统设计环境LabVIEW无缝集成。NImyDAQ能够让学生将多个学科的知识相互综合，并付诸创新实践。只要学生有电脑，就可以通过USB连接NImyDAQ实现多种仪器和电源等功能，同时又有足够的开放性，非常适合用于帮助学生完成各种课外动手作业、设计型实验、或开展基于项目的学生科技创新活动，提高学生的动手能力和解决实际问题的能力，使学生具备“系统级”设计的能力，同时充分发挥学生的创造性，适应教学改革的要求和卓越工程师的培养目标。以清华大学、上海交通大学、浙江大学、西安电子科技大学等为例，为了调动学生的学习积极性并深化对理论知识的理解，在课外作业的环节增加了更多的仿真和实践性动手作业。教师给学生布置一些开放式的题目，学生在宿舍进行仿真并搭建实际电路，教师按三四名学生一组将NImyDAQ借给学生，这样学生只要有一台电脑就可以利用示波器、函数发生器、万用表、波特图分析仪等功能对电路进行各种测试，完成报告。除电子线路类实验外，学生还可以基于MyDAQ完成信号处理、控制、电子测试测量类创新实验。清华大学与MIT合作开设的大规模在线MOOC课程《电路》中以NIMultisim和NImyDAQ作为学生作业和实践平台（视频链接:/v_show/id_XNjA3NjY2NjY0.html）上海交通大学、西安电子科技大学基于MyDAQ开展电子线路创新实验浙江大学基于MyDAQ开展信号分析与处理实验教学医学信号检测分析虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成对各类信号的测量、采集、分析处理等功能，应用遍布电子、机械、通信、物理、汽车制造、国防、生物、医药、化工、科研、教育等各个行业领域。在医学领域，虚拟仪器利用传感器获取的人体生理信号（如压力信号，张力信号，温度信号等）或电生理信号（如心电、肌电和脑电）经过放大和A/D转换输入计算机，再利用LabVIEW图形化软件做进一步分析和处理。相比传统测试及诊断设备，用户可以通过虚拟仪器友好的人机界面方便地进行操作，可对虚拟仪器的功能和用途进行定义、组合和扩展，从而更快、更省和更方便的解决测试、测量应用问题。对于医学相关类学生来讲，知识结构的更新、动手能力、实验技能和创新思维等的培养，对于将其培养成为一名知识广、基础厚、能力强的高层次医生或医疗相关工作者是极其重要的。包括山东大学、浙江大学、复旦大学、首都医科大学、上海交通大学、中南大学在内的众多著名高校通过开设医学信号检测分析课程并应用虚拟仪器进行实验教学，使学生在基础知识、动手能力和创新思维等方面都得到了显著的提高，学生对生物医学工程课程专业相关基础和专业课程的学习也产生了浓厚的兴趣，比传统的仅靠理论教学和信号处理中枯燥的公式推导更易于被学生接受。以山东大学医学院为例，从2008年起面向山东大学医科学生开设了《虚拟仪器的设计与实现》课程，目的是让学生了解虚拟仪器技术的基本概念、结构和特点，掌握使用LabVIEW开发虚拟仪器的方法和技巧，指导医学生运用LabVIEW编写程序进行医学信号的处理与分析。对应医学信号检测分析课程，其主要内容包括医学信号和传感器、医学信号采集、医学信号的相干平均和相关分析、医学信号的数字滤波、医学信号的频谱分析、医学信号的特征提取、小波变换和人工神经网络的应用等。目前基于LabVIEW及数据采集设备实验实验包括：虚拟仪器及其编程、生物医学传感器、医学信号采集、相干平均与相关分析、滤波器设计与频谱分析、心电信号特征提取、小波变换及其应用等。通过虚拟仪器实验拓展了学生的视野，提高了学生独立分析问题和解决问题的能力。该课程受到学生的热烈欢迎，每年选课人数达120人，学习过该课程的学生都能利用LabVIEW程序按需设计虚拟仪器。目前该课程已经入选山东大学校级精品课程，基于虚拟仪器搭建的医学仪器平台是山东大学获批国家级医学虚拟仿真实验教学中心重要组成部分。以神经放电信号检测分析系统为例，膈神经的放电信号是一簇簇密集的放电，对此信号经典的处理方法是对放电信号积分运算，从积分后的曲线再进一步区分每一时相的开始时刻。模拟积分仪采用RC电路完成积分运算，改变积分参数就是改变电阻和电容的数值，缺点是误差较大。而虚拟仪器充分利用了计算机强大的计算能力，采用“计算公式”就得到了积分曲线，改变积分参数非常容易，而且精度较高。国内外的、成品的基于计算机的多道生理记录仪也能完成这一测试任务，但是学生只能“知其然，不知其所以然”。而使用LabVIEW编写程序，学生不仅能够完成实验，而且能探究其内部是如何实现的，这无疑会激发学生的求知欲和探索域，拓展学生们的视野，提高他们的综合分析问题和处理问题的能力。基于LabVIEW及模块化采集硬件实现神经放电信号检测分析除山东大学外，LabVIEW和NI硬件设备还被应用到浙江大学、复旦大学、首都医科大学、天津大学等高校生物医学工程教学实验中。基于LabVIEW和NI数据采集设备开展创新性实验（复旦大学）基于LabVIEW和NI数据采集设备开展创新性实验（浙江大学）除以上高校教学实践应用外，LabVIEW、生物医学处理工具包和NI高性能模块化采集平台被广泛于医学研究项目。以下列举了南京航空航天大学神经细胞研究、上海交通大学激光与光子生物医学实验室OCT成像、日本北里大学癌症诊断等应用。壁虎神经细胞记录与模式分析（南京航空航天大学）光学断层图像扫描研究（上海交通大学\东北大学生物医学实验室）全球首台实时3D光学相干断层（OCT）医学成像系统（北里大学）虚拟仪器创新实验室—支持说明为了更好地将学校人才培养和企业技术优势相结合，通过全面的、多样化的校企合作实现应用型高级专门人才培养目标，NI将协助XX大学XX学院在创新性实验教学、开放性自主研学、高水平科研训练和科研型毕业设计等方面开展多层次、开放性、立体化的教学。合作框架体系如下：教学侧纯软件课堂演示——电子线路\通信原理\信号处理\控制；基础课程实验——电子线路、信号与系统、数字信号处理、通信原理、测试测量（NI提供实验指导书）；第二课堂（课外活动）研讨会：图形化系统设计系列报告，向老师\介绍介绍前沿科研\工业应用；全国虚拟仪器大赛：推荐优秀学生作品参加教育部和中国仪器仪表协会主办（NI协办）全国大赛；毕业论文设计大赛：推荐学生优秀作品参加NI全国毕业论文大赛（自2007年起已连续举办8届）；其他：支持校内举办虚拟仪器大赛、建立学生俱乐部等；培训\资格认证教师培训：优先安排XX大学XX学院老师参加教师培训及活动；CLAD资格认证：XX大学XX学院学生参加CLAD（LabVIEW助理工程师认证）享受50%折扣优惠；NI将在信号与系统、数字信号处理、通信原理、无线通信等基础\专业、电子线路、测试测量、嵌入式等课程上，给予XX大学XX学院实验材料、教师培训等支持，以下是课程支持体系：具体教学资源如下：A:电子线路针对电子线路实验教学，NI提供Multisim软件仿真、Multisim仿真+ELVIS实际搭建电路对比2类实验资源，其中Multisim软件仿真包含基础验证性实验和提高设计性实验，具体实验内容如下：实验形式实验内容Multisim软件仿真A:Multisim在电路分析中的应用

1仿真实验报告的书写

2基尔霍夫定律

3叠加定理

4戴维宁定理

5一阶RC动态电路

6单相交流电路

7三相交流电路

8谐振电路B:Multisim在模拟电子技术中的应用

1半导体二极管电路

2双极型晶体管基本放大电路

3场效应管基本放大电路

4差分放大电路

5功率放大电路

6运算电路

7电压比较器

8负反馈放大电路

9RC正弦波振荡电路

10非正弦波发生电路

11有源滤波电路

12串联稳压电源C:Multisim在数字电子技术中的应用

1逻辑转换

2门电路逻辑功能测试

3组合逻辑电路

4触发器

5中规模计数器

6555定时器及应用硬件实验通过ELVIS搭建电子线路并将实际的电路参数和信号进行记录，在同一用户界面上与Multisim仿真结果实时比对，借助仿真与实际的差别来深入理解电路本质。该部分实验内容如下：实验形式实验内容Multisim仿真+ELVIS实际电路搭建(仿真与实际电路对比)a)示波器、信号源、可变电源虚拟仪器的使用

b)RC、RLC电路特性分析

c)二极管、三极管特性曲线分析

d)OpAmp电路及设计和分析

e)OpAmp滤波器实验电路设计和分析（高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器）

f)数字电路设计（555数字时钟电路、数字计数器电路）

g)交流电路实验

h)数据采集实验

i)温度、压力、应变测量和分析实验

j)生物医电生理信号测量和分析

k)救援用LED灯实验

l)数码管控制实验

m)自由空间光通信实验

n)波形编辑及频谱分析实验

o)磁场传感器测量和分析实验

p)直流电机的马达转速测量与控制

q)直流电机的马达位移测量与控制

r)机械运动实验

s)无线通信实验B:信号处理针对信号处理课程NI提供软件仿真、Emona信号与系统、数字信号处理3类实验资源，其中信号处理软件仿真适合教师课堂演示和学生课后学习，具体实验内容如下：形式内容信号处理软件仿真；“信号处理实验室”是由NI开发针对信号处理、信号与系统课程量身订做的课程套件，其中包括了卷积、混叠、窗函数分析、栅栏效应、IIR、FIR、AM/FM调制、倒谱等等50多个从基础到高级的信号处理知识点的演示程序。有助于教学演示使用，帮助学生理解。该部分完全基于LabVIEW院校使用权（LabVIEW基本开发环境、高级信号处理工具包等）实现，对于联合实验室建设NI可以提供源代码。这种教学方式适合纯虚拟仿真教学，教师课堂授课使用、学生课后复习基础知识都可以。信号与系统：基于虚拟仪器综合实验平台（ELVIS），学生可以SIGEx信号处理教学实验板与配套教材开展相关实验。该实验板针对“信号与系统”以及“数字信号处理”课程特别开发的课程实验板，配套有16门学生动手实验。图：SIGEx信号处理实验板图：SIGEx信号处理实验板虚拟仪器综合实验平台（ELVIS）单元上的LabVIEW具有可编程能力，同时结合大量的模拟和数字输入输出通道，能够按照用户需求定制仪器，便于实践当中的动手实验教学。对应实验列表如下：实验一：NIELVISII+实验仪器简介实验二：EmonaSIGEx插入板介绍实验三：信号特性及其应用实验四：线性与非线性系统实验五：解卷积实验六：卷积、相关性和匹配滤波器实验七：复数与指数实验八：傅里叶级数分析实验九：时变信号的谱分析实验十：RC网络的时域分析实验十一：拉普拉斯域零极点实验十二：采样与混叠实验十三：模数转换初探实验十四：FIR系统的离散时间滤波器实验十五：Z平面零极点当虚拟仪器综合实验平台（ELVIS）和SIGEx配合使用来进行信号与系统实验时，用户需要运行SIGExMainSFPVI，如下图所示：图：SIGEx程序界面备注：信号处理实验板详细说明见《SIGEx实验手册》数字信号处理：针对数字信号处理应用，LabVIEW本身提供丰富的数学运算和信号处理函数库，另外还提供一些专门的附加工具包，针对某一方面的信号处理应用提供更多专业的函数工具。这些工具包包括数字滤波器设计工具包、高级信号处理工具包、自适应滤波器设计工具包、声音与振动分析套件等。《数字信号处理原理及其LabVIEW实现》会详细介绍LabVIEW中信号处理与数据采集方面的一些编程技术，并且通过LabVIEW仿真和实验帮助学生加深理解数字信号处理的基本概念和理论，同时通过数字信号处理方面的实例使学生掌握基本的LabVIEW编程技术。软件基于LabVIEW，硬件基于ELVIS综合实验平台。具体实验内容如下：实验形式实验内容信号处理软件仿真+硬件采集；基于LabVIEW的数字信号处理实验

1信号序列生成

2信号时域分析

3离散时间序列信号的卷积

4信号频域分析

5数字滤波器设计与应用

6数字滤波器的系数量化误差

7信号的内插与抽取

8高级数字信号处理技术的应用*

9结合数据采集（DAQ）硬件的信号处理实验

9.1数据采集系统（DAQ）与实验平台简介

9.2基于ELVIS（或myDAQ）的波形信号采集

9.3对真实信号的实时采集和频谱分析

9.4信号的滤波、合成与输出

10在嵌入式硬件上实现信号处理算法

10.1用于信号处理应用的嵌入式硬件平台

10.2基于LabVIEW的嵌入式应用开发与应用备注：NI提供实验指导书（电子版）及LabVIEW源代码。C:通信针对通信类课程NI提供软件仿真和硬件搭建2类实验，其中软件仿真适合教师课堂演示和学生课后学习，具体实验内容如下：实验形式实验内容通信原理理论（软件仿真）NI提供“通信原理实验室”课件。包含了11个与通信原理相关的课件涵盖：模拟调制、数字调制、信道复用、信道噪声、信道干扰、载波同步和频谱分析等七个知识大类。-适用课程：《通信原理》，《现代通信原理》国内北京邮电大学、上海交通大学、东南大学、西安电子科技大学、上海交通大学等高校早以将软件无线电平台引入通信实验教学，帮助学生加强通信链路认识的同时，学生自主设计和创新实验很好的锻炼了工程实践能力。针对软件无线电平台，NI提供加州大学圣地亚哥分校（UCSD）、德州大学奥斯汀分校通信课程实验指导书，国内高校上海交通大学、北京邮电大学等也基于USRP和LabVIEW编著相关教材。以下是加州大学圣地亚哥分校（UCSD）、德州大学奥斯汀分校实验指导书明细：加州大学圣地亚哥分校(UCSD)德克萨斯大学奥斯汀分校(UTAustin)1.频谱分析1.1LabVIEW介绍1.2USRP硬件介绍2.基本通信信号与噪声2.1调制和解调2.2脉冲成形和匹配滤波3.正交调制、频带信号和噪声3同步：窄带信道的符号时钟恢复4.基带数据产生和滤波4信道估计与均衡5.数字基带传输-PAM5帧检测与频偏纠正6.锁相环6OFDM调制&频域均衡7.数字带通数字链路-BPSK7OFDM系统的同步算法8.QPSK8OFDM系统的信道编码D:电子测试测量、虚拟仪器、传感器针对电子测试测量、虚拟仪器、传感器类课程，NI提供虚拟仪器课件讲义、基于虚拟仪器综合实验平台（ELVISII+）指导书以及丰富的LabVIEW范例代码等。以下是部分可以完成的实验：形式内容备注基础性实验+开放性实验模式；（NI提供虚拟仪器课件和详细实验指导书）1、基础性实验：利用QNET传感器测量教学实验板的数字和模拟传感器，完成温度、压力、磁场、压电晶体、电位计、编码器、各种类型开关（SPDT、霍尔效应、光透射）等实验，并配合相应的实验指导课件，适合于学习传感器的特性，以及应用传感器进行测试测量的基础理论和实践。2、开放性实验：电桥测量、电子温度计设计、利用霍尔传感器进行磁脉冲计数、直流电机的转速测试和PID控制针对基础和开放性实验，NI提供课堂授课PPT、动手实践教材等。NI提供实验资源说明：资源名称详细内容备注《虚拟仪器课件讲义》1、虚拟仪器的技术背景与基本概念；2、以软件定义的模块化仪器系统；3、LabVIEW开发环境及程序设计基础；4、数据采集与信号调理；5、基于LabVIEW的信号处理；6、LabVIEW程序设计进阶；7、虚拟仪器技术的最新进展与应用；NI提供课件和LabVIEW源代码；市面上也有很多NI和院校合著或赞助的LabVIEW书籍；《基于ELVIS的数据采集实验指导书》1、ELVIS基本操作；2、MAX与DAQ助手；3、模拟输入；4、模拟输出；5、数字输入和输出；6、使用数据采集设备上的计数器；7、在ELVIS上实验信号调理；8、基于ELVIS的音频信号处理；NI提供实验指导书和LabVIEW源代码《基于NIELVIS的传感器测量及应用》实验指导书（NI提供指导书和源代码）：E：控制软件仿真控制工程基础基于LabVIEW院校使用权（LabVIEW基本环境、控制与仿真工具包等）开发的控制理论仿真。NI可以提供源代码保证实验室刚建立时授课实验，进一步提供的教师培训保证老师能熟悉LabVIEW环境并做程序修改，控制系统模型的开发。控制系统纯仿真一方面符合虚拟仿真教学思想，帮助学生随时随地的巩固课堂理论，同时也可将此作为学生课后作业。基于NIELVIS和QuanserQNET直流电机的控制实验指导书《自动控制原理实验指导/本科“十二五”规划教材》简述了自动控制原理经典控制理论的基础知识，介绍了NIELVISⅡ多功能综合数据采集实验平台、自行设计的基于ELVISⅡ的自动控制原理实验系统，以及LabVIEw数据采集API函数，编排设计了自动控制原理基础实验和综合创新设计实验。基础实验包括了典型系统时域、频域、根轨迹分析，控制系统校正设计、电机建模与控制、模拟信号的采样与输出等实验。综合创新设计实验包括电机转速控制设计、电机位置控制设计、垂直起降控制系统设计与倒立摆控制系统设计。实验基于LabVIEW院校使用权、ELVISII\II+、直流电机实验板、电阻\电容\运算放大器等完成。包