姜俊敏 郝子軼 藍 帆 姚纓英

浙江大學(xué) 浙江杭州 310027

基于Labview和ARM的便攜多功能電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗箱設(shè)計

姜俊敏 郝子軼 藍 帆 姚纓英

浙江大學(xué) 浙江杭州 310027

利用ARM7內(nèi)核32位單片機LPC2148作為主控芯片MCU，單片集成DDS數(shù)字相位合成信號發(fā)生器AD9850，配合與計算機的通信和聲卡的信號采集系統(tǒng)，和基于Labview開發(fā)的計算機上位程序，實現(xiàn)便攜式多功能電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗箱。計算機程序通過數(shù)據(jù)采集，進行處理和顯示，實現(xiàn)虛擬示波器功能。系統(tǒng)與配有常用器件的自由電路板一起安放于小盒子中，提供便攜的實驗環(huán)境，為電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗課堂演示、學(xué)生的自主實驗研究帶來便利，在電子技術(shù)課程的教學(xué)中提出了互動實踐的創(chuàng)新模式。

便攜；Labview；實驗箱；自主實驗

1 設(shè)計概述

在電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)過程中，實驗設(shè)備、實驗場地的限制往往難以滿足學(xué)生及教師的實驗需求。在理論課的課堂教學(xué)過程中，教師也僅僅局限于理論知識的傳授，學(xué)生無法體會到電子技術(shù)基礎(chǔ)理論與實踐的差別。為了給電子技術(shù)基礎(chǔ)課程學(xué)生與教學(xué)人員提供更加方便靈活的實驗環(huán)境，我們設(shè)計并制作了便攜式電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗箱。基于移動式的實驗?zāi)Ｊ?，教師可以借助實驗箱在課堂教學(xué)的同時安排演示實驗，幫助學(xué)生加深對知識的理解和掌握。同時，設(shè)備也可以發(fā)放給學(xué)生帶回寢室實踐練習(xí)，完成一些簡易的實驗，自主思考發(fā)現(xiàn)問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。雖然便攜式實驗箱無法完成高要求的科研需求，但是在課程中的投入使用，可以提高課程教學(xué)的生動性，也讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，在電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)中推進互動實踐的創(chuàng)新模式。

便攜實驗箱的優(yōu)勢在于具備便攜性的同時，擁有信號發(fā)生器和示波器兩大功能，同時提供靈活通用的自由電路板實現(xiàn)用戶自定義的電路實驗。在與電腦連接后，通過上位機程序控制信號的波形輸出，同時將輸出信號通過采樣送回上位機，在電腦上顯示波形。通過電腦實現(xiàn)的虛擬示波器同時節(jié)省了購買專業(yè)示波器的花費，極大提高系統(tǒng)的便攜性，可以讓實驗者隨時隨地地進行信號發(fā)生、波形檢測等操作。

2 方案設(shè)計

2.1 方案實現(xiàn)

系統(tǒng)可分為7個模塊，方案的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 便攜式實驗箱系統(tǒng)框圖

電源采用標(biāo)準(zhǔn)正負12V和5V供電，在數(shù)字電路的實驗中，可以采用單5V供電。與計算機連接后，可以通過USB接口為系統(tǒng)供電，無需外接電源。

主控芯片采用ARM7內(nèi)核LPC2148 32位單片機，有外設(shè)豐富，頻率高，穩(wěn)定性好，可發(fā)資源多，對外部設(shè)備的控制簡單方便，低功耗等優(yōu)點。因此，ARM系列內(nèi)核處理器廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品中，其外設(shè)豐富，低功耗的特點也非常適應(yīng)本實驗箱的要求。

信號發(fā)生模塊部分,采用主流DDS(數(shù)字相位合成)技術(shù)的AD9850芯片,可以實現(xiàn)正弦、三角、方波(可調(diào)占空比)3種波形的輸出,頻率1Hz～1MHz,精度0.1Hz。相比于傳統(tǒng)的模擬型信號發(fā)生芯片，該芯片頻率范圍和精度都能得到保障，能充分滿足教學(xué)實驗中典型頻率1K～10KHz范圍的需求。系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體電路圖

此外為了讓實驗者更加方便地使用，配合課程的教學(xué)，在實驗箱中安排了需要演示或?qū)W生練習(xí)的實驗電路，例如入門的三極管共射放大電路，運放負反饋實驗等。實驗電路板上安排不同數(shù)值的器件供選擇，引出信號輸入端、輸出端和需要測試的端口。實驗電路根據(jù)課程不同可以更改替換。由于AD9850本身對輸出電壓幅度調(diào)整不夠方便，故在信號產(chǎn)生后接入一級比例可調(diào)放大電路，如圖3所示，用以調(diào)整輸出信號的電壓大小。兩個電位器分別實現(xiàn)微調(diào)與粗調(diào)。

圖3 信號幅度控制電路

2.1.1 數(shù)據(jù)采集方式設(shè)計

數(shù)據(jù)采集部分是實驗箱的核心，可以有系統(tǒng)片上AD采樣USB傳輸數(shù)據(jù)和聲卡采集兩種方案。

在采樣方式上,聲卡方式依賴于計算機聲卡的性能。其采樣頻率最高為44.1KHz,雙通道,數(shù)據(jù)精度16位,幅度-1V～+1V,可以保證實時采樣。AD的采樣頻率則受USB傳輸速率的限制,最高在64KB/s。LPC2148內(nèi)置了ADC,其數(shù)據(jù)精度為10位,最高采樣頻率約410KHz。因此，實時USB方式最高采樣頻率為32KHz(64KB/s，10位數(shù)據(jù)精度需要2個字節(jié))，數(shù)據(jù)精度10位，幅度0～3V。在控制方式上，聲卡方式是單工方式數(shù)據(jù)傳輸，不具備控制功能，只是單一的數(shù)據(jù)輸入。USB方式可以實現(xiàn)控制，但需要驅(qū)動程序的支持。

對于教師和學(xué)生來說，在使用實驗箱時，如果采用USB的模式，需要配合相應(yīng)的驅(qū)動程序。使用聲卡采集，考慮到在絕大多數(shù)計算機系統(tǒng)中，都具備聲卡，有非常強的便攜性。用戶只需要將信號的輸出線直接接入聲卡即可實現(xiàn)采集，不需要額外操作。

綜合采樣方式，控制方式和便攜性的考慮，實驗箱采用聲卡采集，在保證采用效果的同時更大地提高便攜性，同時節(jié)省成本。

2.1.2 信號顯示模塊設(shè)計

信號顯示采用輸入聲卡進行采樣，然后由計算機處理顯示。待顯示信號由轉(zhuǎn)錄線接入聲卡音頻輸出端(麥克風(fēng)口)，雙聲道輸出，即可提供兩路信號的同時顯示。

由于信號顯示模塊使用聲卡采樣進入計算機，而一般聲卡本身可接受信號輸入電壓最大值在1V左右，故為保護聲卡，在信號進入計算機前加一級幅值衰減，在計算機內(nèi)部虛擬儀器處將該衰減倍數(shù)乘回即可。幅值衰減電路與圖3類似。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理顯示軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)波形的顯示，需要將采樣的數(shù)據(jù)傳遞到計算機后處理。對于這些大量的數(shù)據(jù)，需要關(guān)心傳遞和處理的速度以及用戶使用的便捷程度。

目前的處理方法，可以自己開發(fā)軟件處理數(shù)據(jù)，繪制波形或者使用現(xiàn)成的軟件進行二次開發(fā)。自主開發(fā)軟件，例如利用VC等工具，但是需要處理大量的系統(tǒng)函數(shù)，開發(fā)成本較高，容易產(chǎn)生錯誤。

利用現(xiàn)成的開發(fā)工具，如Matlab，Labview。Matlab工具在處理數(shù)據(jù)上有非常優(yōu)異的能力，但是由于系統(tǒng)需要涉及聲卡的數(shù)據(jù)采集或是USB數(shù)據(jù)通信。Matlab在對系統(tǒng)設(shè)備的調(diào)用控制能力不強。NI(美國國家儀器)公司的Labview工具，自帶了對系統(tǒng)設(shè)備的操作控件。在設(shè)備控制上有很大的優(yōu)勢，開發(fā)時不需要關(guān)心如何得到聲卡采集的數(shù)據(jù)，只需調(diào)用聲卡信號采集模塊即可獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

由于聲卡上有可能引入來自計算機內(nèi)部的干擾信號，故在分聲道后各接入一個帶通濾波器，對信號進行濾波，以獲取有用信號的較好波形，最后再接以顯示模塊進行顯示。聲卡采集模塊的采樣頻率設(shè)為44100Hz，而由于聲卡本身主要用于聲音的輸入輸出故其有效可用頻帶大致在20Hz～20KHz，即音頻信號頻率段內(nèi)。提供實驗的典型頻率為1K和10K，因此完全可以滿足實驗的要求。

綜上考慮，計算機部分的驅(qū)動程序和虛擬示波器軟件，采用Labview開發(fā)，開發(fā)簡便易用，人機交互友好。采用聲卡信號采集模塊獲取由聲卡傳遞來的輸入信號，再對信號進行數(shù)字濾波等處理后，將得到的波形輸出顯示。數(shù)據(jù)處理顯示的系統(tǒng)框圖如圖4所示，軟件部分的編寫主要包含與計算機通信、USB設(shè)備驅(qū)動和Labview程序3部分。

圖4 采樣數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)功能與優(yōu)點

便攜式實驗技術(shù)箱基于便攜，多功能以及與電腦交互使用的考慮，使用方便、安全、可靠，系統(tǒng)主要的特點與優(yōu)點有：

2.2.1 電源支持簡便

采用輕便的開關(guān)電源提供，電源所占體積小，重量輕，方便攜帶。同時，相對普通線性電源有效率高、熱散耗低的優(yōu)點。同時也可單獨由USB接口提供5V電壓。

2.2.2 信號精度高

信號發(fā)生模塊采用AD9850單片集成信號發(fā)生芯片，采用目前最主流的DDS數(shù)字相位合成技術(shù)，信號發(fā)生頻率可以從0.1Hz～125MHz，低頻端精度可達0.0291Hz，完全可以滿足實驗需求。同時基于SPI或者并行總線的控制方式，使得單片機控制非常容易。

2.2.3 便攜性強

整個系統(tǒng)封裝于一個小盒子中，非常方便攜帶。只需配合計算機軟件，可以輕松地完成需要的實驗。

2.2.4 采樣方便

系統(tǒng)采樣采用計算機聲卡輸入，同時可以采樣2路信號。由于聲卡對信號幅度和頻率有要求，系統(tǒng)也做了處理，以保證實際使用的需要。

2.2.5 成本低廉

相對于專業(yè)的示波器和信號發(fā)生器，本系統(tǒng)采用計算機上位軟件的虛擬示波器，成本大大減少。系統(tǒng)最主要的兩部分，MCU和信號發(fā)生模塊的成本估計在100元左右。

2.2.6 獨立編寫的驅(qū)動程序

MCU與計算器通過USB串行口通信時，需要有驅(qū)動程序支持。針對系統(tǒng)的功能，獨立開發(fā)了系統(tǒng)的驅(qū)動程序，并封裝成DLL動態(tài)鏈接庫文件。驅(qū)動程序優(yōu)點在于可以根據(jù)功能的需求進行更改，DLL文件也可以輕松地被VC，Matlab，Labview等主流的開發(fā)工具調(diào)用。

2.2.7 軟件界面友好

計算機上位軟件采用NI公司的Labview軟件開發(fā)。基于Labview的大量組件，軟件調(diào)用通信、濾波器、顯示器等模塊，對于操作者界面友好。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)核心在于上位機的波形顯示，虛擬示波器的前置面板如圖5所示。通過旋轉(zhuǎn)左邊的旋鈕可以分別調(diào)節(jié)XY軸上信號的幅度。采樣信號當(dāng)前的頻率和幅值可以通過左下角的Freq和Amp顯示。點擊SaveWave的OK按鈕，可以將當(dāng)前波形保存至計算機中。底部可以選擇輸入信號的處理方式，包括低通、高通、帶通和帶阻濾波。

圖5 示波器面板

對三極管共射放大實驗進行測試，觀測波形。分別觀察輸入信號和輸出信號，由于采用聲卡采集的限制，在波形進入聲卡前，進行了保護限幅處理。接好外部連線，左聲道接入正弦信號，右聲道接入方波信號。啟動程序，調(diào)節(jié)頻率值為1KHz，此時系統(tǒng)產(chǎn)生1KHz的輸入信號，同時調(diào)節(jié)XY軸幅值，使波形處于適宜的狀態(tài)，觀察信號波形結(jié)果如圖6所示。

圖6 輸出波形觀察結(jié)果

為了方便觀察和驗證設(shè)備的可用性，加大輸入信號的幅值，使三極管放大輸出的波形失真至深飽和區(qū)，信號上下出現(xiàn)明顯失真，波形接近方波。波形采樣有1V的限幅，因此結(jié)果如圖7所示。

圖7 輸出失真波形結(jié)果

從結(jié)果中可以看出，在計算機上可以方便地觀察實驗時的信號波形，實現(xiàn)虛擬示波器的功能。

4 結(jié)束語

實驗箱成本控制在50元之內(nèi)，在課程使用中，系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和具體電路可以向?qū)W生開放，將本實驗箱的制作調(diào)試結(jié)合到電子技術(shù)課程的教學(xué)中來，開創(chuàng)自制儀器進行后續(xù)實驗的教學(xué)思路和訓(xùn)練模式，成為教學(xué)中的一大亮點。

便攜式電子技術(shù)實驗箱采用了便攜式信號發(fā)生和計算機虛擬示波器結(jié)合的方式，在電子技術(shù)的教學(xué)過程中，極大拓展了實驗空間，向教師和學(xué)生提供了便利的實驗環(huán)境和便攜的儀器設(shè)備，方便教師當(dāng)堂演示和學(xué)生課后自主實驗。便攜的實驗室模式和自主的訓(xùn)練模式，開創(chuàng)了電子技術(shù)課程教學(xué)的新思路。

[1] 沈任元.學(xué)生主動型實驗?zāi)Ｊ降奶剿髋c實踐[J].實驗室研究與探索，2007，8

[2] 朱震華.新型單片機綜合實驗箱的研制[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2007，4

[3] 陳曉玲，師學(xué)明，劉迎.基于Labview的聲卡虛擬儀器性能測試與實驗[J].實驗室研究與探索，2010，1

[4] 張清，朱雷平，崔厚梅.多功能電路實驗箱的研制[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報，2006，12

[5] 王建萍，歐積泉.便攜式單片機DIY實驗板研制[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2007，6

[6] 張遠岐，任茂林，劉國昌.電路模擬數(shù)字綜合實驗箱的研制[J].實驗室研究與探索，2000，5

[7] 遲德選，張建萍，楊鳳芝，等.一種新實驗系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].遼寧大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，1

[8] 張慶玲，葛利偉，嚴曉明，等.用Muhisim和Uhiboard設(shè)計制作檢測[J].技術(shù)實驗箱儀表技術(shù)，2008，9

Design of multi-functional portable electronic experimental box based on Labview and ARM

Jiang Junmin, Hao Ziyi, Lan Fan, Yao Yingying
Zhejiang university, Hangzhou, 310027, China

The multi-functional portable electronic experimental box is based on ARM7 LPC2148 32-bit microcontroller, integrating DDS digital phase synthesis signal generator AD9850, cooperating with computer’s communication system and the sound card’s signal collection system, and making use of a computer host process developed by Labview. After data collection, computer programs process and display the data to work as a virtual oscilloscope. The whole system and the circuit boards equipped with the common devices are placed in a small box,providing portable test environment. It brings convenience to the basic electronic experimental class presentation and students’ independent experiments and has brought about a innovaton model of interactive practice in the teaching of electronic technology courses.

portable; Labview; electronic experimental box; interactive practice

2010-11-30

姜俊敏，本科，IEEE會員。姚纓英，教授。