齊晶晶　黃彩霞

摘要：運用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不但能滿足電子類實驗教學(xué)的需要，而且大大提高設(shè)備利用率實現(xiàn)資源共享，降低實驗室建設(shè)成本。該文采用模塊化的設(shè)計思想，描述了基于LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計虛擬信號發(fā)生器、虛擬示波器等電子類實驗常用儀器設(shè)備的設(shè)計方法。通過實踐證明，虛擬電子實驗設(shè)備有效提高了實驗教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，同時該文對虛擬儀器的開發(fā)有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞： LabVIEW；虛擬儀器；實驗教學(xué)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）07-1601-04

實驗教學(xué)是電子類教學(xué)課程的一個重要環(huán)節(jié)，是高等教育教學(xué)改革的重要內(nèi)容。尤其是電子類的工科院校，電子實驗教學(xué)在開展素質(zhì)教育、培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力等方面有著舉足輕重的地位。隨著高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)的增加與實驗場地和儀器設(shè)備套數(shù)的局限形成了日益鮮明的矛盾。另外，知識的推陳出新和電子技術(shù)的日新月異，使得部分實驗設(shè)備已不再適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)大綱的要求，實驗室改造、擴(kuò)建以及儀器設(shè)備更新?lián)Q代的迫切要求與教學(xué)經(jīng)費捉襟見肘的矛盾日益突出。

虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展給電子儀器行業(yè)帶來了一場變革，其核心思想為“軟件就是儀器”，即儀器的功能和可動態(tài)操作的圖形化的儀器界面由虛擬儀器開發(fā)軟件來設(shè)計實現(xiàn)。利用計算機軟件技術(shù)發(fā)展的成就，以軟件仿真的形式設(shè)計制作各類電子實驗課件，把部分知識性、理解性的實驗教學(xué)內(nèi)容在計算機上完成。從真實性上講，計算機屏幕上顯示的是真實的儀器設(shè)備和實驗場景；從可操作性上講，儀器的控件可以動態(tài)地調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)、波形可以動態(tài)地顯示。不僅可以緩解實驗場地、儀器設(shè)備緊張的矛盾，大大減輕傳統(tǒng)實驗教學(xué)的負(fù)擔(dān)，而且軟件的制作、維護(hù)和更新要比硬件設(shè)備容易得多，成本也低得多。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 技術(shù)指標(biāo)

在眾儀器中，尤其以示波器和信號發(fā)生器最為常用，特別是示波器的使用，直接影響學(xué)生的實驗效果。因此，該文就以實驗室的實際示波器和信號發(fā)生器為對象進(jìn)行設(shè)計，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1.1.1 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計

以DZX-1型實驗臺的函數(shù)信號發(fā)生器為藍(lán)本，利用LabVIEW編程來設(shè)計函數(shù)信號發(fā)生器，能夠虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的功能：1）能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波；2）頻率0.01Hz～2MHz調(diào)節(jié)；3）幅度0.1mV～20V調(diào)節(jié)；4）可對輸出電壓進(jìn)行20db、40db、60db衰減。

1.1.2 雙蹤示波器的設(shè)計

以XJ4323型雙蹤示波器為藍(lán)本，利用LabVIEW編程來設(shè)計虛擬雙蹤示波器，能夠虛擬仿真雙蹤示波器的功能：1）能夠同時采集顯示兩路信號；2）能夠調(diào)節(jié)水平及兩個通道的垂直位置；3）能夠調(diào)節(jié)掃描速率；4）能夠?qū)Σㄐ畏冗M(jìn)行衰減。

1.2 開發(fā)工具

在設(shè)計電子實驗設(shè)備時，首先是選擇一個適宜的軟件開發(fā)工具。目前廣泛采用的虛擬儀器開發(fā)軟件有LabVIEW 和LabWindows/CVI。這里推薦采用LabVIEW，它是一種圖形化的編程軟件，即源程序是框圖式的，沒有嚴(yán)格的語法規(guī)則，易學(xué)易用，實驗教學(xué)人員只需稍加學(xué)習(xí)就可以基本掌握。而且它包含了大量的仿真儀器控件（如開關(guān)、旋鈕、指示燈、顯示屏等）以及豐富的可直接調(diào)用的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，大大方便了實驗軟件的設(shè)計。

1.3 全仿真儀器界面的構(gòu)成

全仿真儀器界面有以下幾部分組成：

1）背景圖片：為了體現(xiàn)實驗設(shè)備的真實效果，以學(xué)校電子技術(shù)實驗室的實際設(shè)備為模型，之后在LabVIEW中插入其圖片。

2）按鈕控件：其主要功能是可以產(chǎn)生一布爾量（true 或 false），當(dāng)按鈕按下是為真，彈起時為假。頻段選擇和波形選擇中的按鈕即是這種控件，通過它來控制選中某一頻段或者某一波形；檔位和占空比等都是用這樣的按鈕來控制的。

3）指示燈控件：LabVIEW中可以得到一些常見的指示燈與開關(guān)按鈕，這里選用了與圖片上最為接近的圓形指示燈。在此設(shè)計中頻段選擇中的指示燈及頻率指示燈，峰值指示燈都為此控件，當(dāng)給指示燈一個true值時，指示燈亮，否則給它一個false值時指示燈滅。它們的存在使得面板的狀態(tài)一目了然。

4）旋鈕控件：旋鈕控件可以輸出一些定義的數(shù)值，通過用鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)此控件即可達(dá)到改變輸出值，還可以通過選中并點擊鼠標(biāo)右鍵進(jìn)入控件屬性設(shè)置改變控件的屬性，如控件值的范圍，步進(jìn)等，本設(shè)計中用到的頻率調(diào)節(jié)旋鈕和幅值調(diào)節(jié)旋鈕皆為轉(zhuǎn)盤控件，設(shè)置頻率調(diào)節(jié)旋鈕范圍為0到359，步進(jìn)為1可調(diào)節(jié)400個不同值；設(shè)置幅值調(diào)節(jié)旋鈕范圍為0到8.4，步進(jìn)為0.1 ，可以有85種不同的幅值調(diào)節(jié)。

5）顯示控件：為了產(chǎn)生更好的真實感，本次設(shè)計采用數(shù)碼管顯示控件可以用于頻率及幅值的顯示。

2 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計

在前面板上控件主要有：波形選擇，頻率旋鈕，頻段調(diào)節(jié)，幅度調(diào)節(jié)。

這四部分的調(diào)節(jié)直接影響波形信號的改變，在程序框圖中，每一種調(diào)節(jié)都對應(yīng)一種波形參數(shù)，當(dāng)前面板中相應(yīng)的控件值改變時，參數(shù)也隨之改變。

整個程序主要有以下幾個模塊： 波形類型模塊；頻率選擇模塊；頻段選擇模塊；幅值選擇模塊；串口發(fā)送模塊設(shè)計。

2.1 波形類型部分設(shè)計

波形類型模塊的主要功能是得到波形參數(shù)當(dāng)前面板中的三角波控件按下時，參數(shù)為0，正弦控件按下時參數(shù)為1，方波控件按下時參數(shù)為2。

首先，由于三角，方波，正弦都是輸入控件，在程序框圖中相當(dāng)于普通編程語言的輸入?yún)?shù)，只有輸出端子，沒有輸入端子，且輸出值為布爾量，通過布爾轉(zhuǎn)（0，1）VI，可以把輸出值轉(zhuǎn)換為0 或1，分別送到CIN節(jié)點，對其編程如圖2，三角輸入量設(shè)為 a； 方波輸入量設(shè)為 b； 正弦輸入量設(shè)為 c；輸出為d。

2.2 頻率選擇部分設(shè)計

頻率選擇模塊的主要功能是由頻段按鈕與頻率調(diào)節(jié)選鈕的值作為輸入，計算出頻率值并且得到頻率系數(shù)也頻段參數(shù)。頻率旋鈕調(diào)節(jié)輸出是0～359之間的數(shù)值假設(shè)為a，頻段的判斷方法與波形選擇模塊相似，可分別用0～6七個數(shù)字來分別表示2M～2Hz這七個頻段，則頻率的值為pinlv=205+a*5/（10^n）kHz。這些數(shù)值轉(zhuǎn)換也在一個CIN公式接點內(nèi)完成。

2.3 峰峰值調(diào)節(jié)及衰減部分設(shè)計

峰峰值調(diào)節(jié)范圍0.1mV～20V，衰減能實現(xiàn)20db、40db、60db，其程序設(shè)計圖如下：

3 雙蹤示波器的設(shè)計

在雙蹤示波器的設(shè)計中，有信號接收、數(shù)據(jù)處理、波形顯示等幾個模塊，并有垂直位移、水平位移等控鍵控制波形顯示。其設(shè)計流程圖如圖5所示：

3.1 前面板

根據(jù)傳統(tǒng)示波器的面板控鍵的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分別在設(shè)計面板上放入模擬實際控鍵的顯示器、通道選擇控鍵、垂直位移控鍵、水平位移控鍵、開關(guān)控鍵、幅值與相位控鍵等。設(shè)計的前面板如圖6所示：

3.2 處理模塊

頻率是經(jīng)過倒數(shù)轉(zhuǎn)變成為周期，即數(shù)組中兩數(shù)的時間間隔。

水平位移是通過調(diào)節(jié)數(shù)組序列前的標(biāo)號數(shù)來實現(xiàn)能在波形圖上顯示的波形在X坐標(biāo)上的改變。

垂直位移是通過位移的單位格數(shù)和數(shù)組在進(jìn)入組建波形前實現(xiàn)的，這樣可以直接通過與其他調(diào)節(jié)配合來正確調(diào)節(jié)垂直位移。

3.3 波形數(shù)據(jù)操作函數(shù)

雖然波形數(shù)據(jù)是一種預(yù)定義格式的簇，但是必須用專用的波形數(shù)據(jù)操作函數(shù)才能對它進(jìn)行操作，其中某些操作函數(shù)與簇的操作函數(shù)非常類似。其中最基本的幾個函數(shù)是：獲得波形數(shù)據(jù)內(nèi)部元素、綁定波形數(shù)據(jù)、設(shè)置波形屬性和獲得波形屬性等。其中本設(shè)計用到的是綁定波形數(shù)據(jù)函數(shù)。它類似于簇函數(shù)中的按元素名稱打包函數(shù)。通過該函數(shù)可以將波形數(shù)據(jù)的各個元素綁定在一起。若波形端子沒有接入，則根據(jù)綁定的元素創(chuàng)建一個新的波形。若波形端子有接入，則對波形進(jìn)行修改。如圖8，沒有波形輸入，而是輸入dt、Y、to進(jìn)行波形組合，創(chuàng)建新波形。

3.4 頻率調(diào)節(jié)部分

如圖9是頻率調(diào)節(jié)部分，包括兩個條件循環(huán)、三個控制輸入與一個輸出。其中標(biāo)有頻率的是頻率粗調(diào)的輸出值，頻率微調(diào)是在頻段之間進(jìn)行一些細(xì)微的調(diào)節(jié)，CH28是十倍或一倍的按鈕。在頻率輸入的默認(rèn)值是條件輸入為“9”時。

3.5 幅度調(diào)節(jié)

在這一部分中，設(shè)計思想與頻率調(diào)節(jié)一樣，只是所要輸出的值不同，如圖10所示。

4 LabVIEW仿真測試

通過函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個3kHz、峰峰值1V的正弦波接給示波器通道一。

通過函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生另外一個2.8kHz、峰峰值2.4V的三角波接給示波器通道二。

通過虛擬示波器觀察，顯示波形正確。下圖13為示波器仿真圖，圖中藍(lán)色為通道一波形，紅色為通道二波形，從圖中的波形和顯示參數(shù)可以觀察出藍(lán)色波形為周期占3.3格、紅色占3.6格，而每格單位為0.1ms，兩通道信號頻率正好為給定的3kHz和2.8kHz；藍(lán)色波形峰峰值占1格、紅色占2.4格，而每格單位為1V，兩通道信號峰峰值正好為給定的1V和2.4V。

5 實驗應(yīng)用情況

目前，已將項目可開發(fā)的虛擬設(shè)備應(yīng)用到我校課程《電工與電子技術(shù)A2》的“常用電子儀器的使用”實驗教學(xué)中。通過1年來的試驗和改進(jìn)，結(jié)合以往設(shè)計的實驗課件，有效解決了電子儀器設(shè)備“老師難講，學(xué)生難學(xué)”的教學(xué)局面，學(xué)生還可將軟件拷貝到自己的電腦中進(jìn)行復(fù)習(xí)操作，大大提高了學(xué)生的實驗興趣和教學(xué)效果。

虛擬儀器由于虛擬儀器技術(shù)在國內(nèi)尚未普及，把虛擬儀器引入教學(xué)是一種必然趨勢。本項目探索出一種適合我校實驗教學(xué)實情，做到花錢少，具有較高的性價比的教學(xué)方式。

6 結(jié)束語

全仿真電子實驗課件的設(shè)計是對實驗教學(xué)手段革新的一種嘗試，它不僅在降低實驗教學(xué)成本，提高教學(xué)質(zhì)量，講求效率等方面有著積極的意義，更重要的是，它可以給學(xué)生帶來一種如臨現(xiàn)場的親身感受，加強了學(xué)生的感性認(rèn)識，提高了學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。另外，這種全仿真電子實驗課件的設(shè)計思路和方法對其他類專業(yè)教學(xué)課件的設(shè)計制作也具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王莉，楊鵬.基于LabVIEW的虛擬示波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2010，29（1）：62-64.

[2] 王麗君，劉悅，黃永亮，等.基于LabVIEW的虛擬信號發(fā)生器及示波器的設(shè)計[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，31（3）：57-59.

[3] 楊樂平，李海濤，肖相生，等.LabVlEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4] 楊樂平，李海濤，趙勇，等.LabVIEW高級程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.