基于LabVIEW的电气教学虚拟实验室应用研究

邵晓娟,黎 炜

（陕西工业职业技术学院,陕西咸阳,712000）

0 引言

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Wo rkbench）是一种程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，是由美国国家仪器公司研制开发的。LabVIEW实验室虚拟仪器工程平台是NI公司研制的图形化编程软件，也是目前最为成功、应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境。如果我们想要在计算机上依照自我需求来设计仪器，便可以采用虚拟仪器技术，该技术省去了其余复杂的操作过程，方便灵活且开发周期短。使用虚拟仪器技术不仅能够使设计仪器的成本降低，一定程度上使工作效率大大地提高了。近年来，虚拟仪器技术应用的领域逐渐扩散、发展，据统计在全球500强企业中使用了虚拟仪器技术的企业占有85%。除此之外，在教学领域虚拟仪器技术也具有广大市场，发展前景极为乐观。

随着计算机技术和网络技术的发展，计算机电气网络以其具备的可靠且快速的优势获得了巨大的发展，广域网或者是局域网上的计算机能够进行信息和命令交换，这表明虚拟仪器的使用范围在网络服务的协助下被拓展了，此外，强大的活力同时被注入虚拟仪器技术，从而使得数字化仪器的优势进一步得到增强，顺利地进入了网络化虚拟仪器阶段。

LabVIEW内置Web Server，具有非常强大的网络功能，将虚拟仪器技术与网络技术恰当地结合起来，远程教育的实验课程可通过远程虚拟实验室获取相应的解决方案。

1 电气专业虚拟实验室特点及意义

电气专业教学实验包括：整流滤波电路分析、模拟信号放大波形、数字电路实验、交流调压电路等，具有至关重要的作用，主要是帮助电气专业的学生透彻地熟知并掌握电气系统的基本概念与基本理论知识，使学生不再停留在课本文字上，提高他们的实际动手能力。在这些教学实验中，需要的仪器较多，其中包括计时器、定时器、数字万用表、示波器、频谱分析仪以及任意波形发生器等等。在教学实验中，尤为重要的是作为频域分析仪器的频谱分析仪，但是由于它的价格过于昂贵，实验室至今尚未配备使用。区别于传统的仪器，虚拟仪器具备多方面的优势，其性能、易用性以及用户可定制性等都十分突出，同时虚拟仪器在社会经济效益与工程应用方面也具有较为突出的优势。此外，传统的电气原理实验实现各功能模块主要依靠的是硬件电路，信号由信号发生器产生并用示波器对各点波形进行观察。然而，目前想要得到丰富的实验结果是做不到，主要在于实验条件有限，面对复杂的电路板学生难以从系统的观点对各点波形的关系进行分析。为了弥补传统电器原理实验的不足，其中行之有效的解决方案之一便是在教学实验中引入虚拟仪器技术。

实现远程虚拟实验室最现实的意义就是将其与教育系统相结合，为教育事业解决了诸多疑难问题，其中就包括因学生规模急剧膨胀造成的实验室紧缺的问题。在高等工科教育中采用虚拟实验室，具有至关重要的现实意义。采用该技术不仅能够从根本上解决实验与实习经费严重短缺的现状，而且计算机技术与该技术的结合还可以实现对仪器设备的远程、分布式控制。虚拟仪器技术是实验教学的一个新的发展途径，应用前景十分可观，在科研与教育领域发展空间更为广阔。

2 电气专业远程虚拟实验室的设计与实现

2.1 远程虚拟实验室构成

利用LabVIEW内置Web服务器实现远程虚拟实验室。其中Web服务器装有Win2000 Advanced Server操作系统、LabVIEW 8.6软件，同时此服务器还作登陆服务器用，装有SQL，也就是需要正确的用户名密码登陆服务器，才可以做虚拟实验。RDA（Remote Device Access远程设备访问）服务器装有NI公司PCI6024E采集卡 (8路同步采样模拟输入通道，24位精度。8路同步采样模拟输入通道；24位精度；120 dB动态范围；102.4kp/s最高采样速度；45 kHz 防混迭带宽)，对于用户计算机需要有Web浏览器和LabVIEW的Runtime Engine插件。

远程虚拟实验室网络平台由上传专区、交流讨论系统、下载专区、预约系统以及虚拟实验系统的无缝连接系统五部分组成。其中虚拟实验系统可分为虚拟仪器和虚拟实验两部分，且该系统是远程虚拟实验室的重要组成部分，它为学生提供了便捷的远程实验链接。

2.2 虚拟实验部分

虚拟实验部分包括数字电路实验、交流调压电路、模拟信号放大波形、电力电子波形分析、整流滤波电路分析等虚拟实验，将电气专业基础实验也涵盖进去，区别于传统硬件试验箱，虚拟实验部分改进了学生的学习方式，丰富了实验的内容，使实验效率也大大地提高了。此外，在虚拟实验室中，教师和学生没有必要在实验设备的搭建和各种设备的操作调试上花费大量的精力，只需要将精力完全集中在实验结果的分析、规律的总结以及结论的得出上。如此不仅可以突出训练的重点，也会极大地调动学生学习的积极性。以电力电子技术实验中的三相交流调压电路为例，采用虚拟实验方式可在界面上显示出触发延迟角а不同过程中所有关键点的波形，区别于以往的示波器该实验方式更为完整，从而有利于学生直观的对调压原理的理解。电气实验波形显示前面板和程序图如下所示。

图1 实验波形显示前面板

图2 数据测量程序面板图

2.3 虚拟仪器部分

在虚拟仪器设计中遵循的原则是：将实验中所需传统仪器功能涵盖的同时，丰富了仪器的分析、显示、结果记录功能。将多台功能固定的传统台式仪器用一台虚拟仪器来替代，由此便真正地体现了虚拟仪器技术一大特征——“软件就是仪器”，同时根据用户需求的改变，虚拟仪器的测量、分析、存储与输出功能也会做出相应地改变。如此，便可为每组配备一台计算机及数据采集卡来完成教学实验内容，这样不仅节省了空间，同时也能够降低成本，减少仪器的维修保养费用。如图采集卡6024E在虚拟仪器显示。

图3 采集卡6024E在虚拟仪器显示

3 结束语

综合上述介绍，可以得出虚拟仪器技术应用前景及适用领域有极大的开发潜力，对该技术的应用还有待开发、完善，使更广泛的领域可以因其受益。事实证明，在教学实验中引入虚拟仪器技术是极为有效的解决办法，如果我们想要在计算机上依照自我需求来设计仪器，便可以采用虚拟仪器技术，该技术省去了其余复杂的操作过程，方便灵活且开发周期短。与传统实验相比，虚拟仪器技术的使用能够降低实验成本，学生学习的积极性得以加强，实验效率也得到提高，教学效果必然会愈来愈显著。

[1]陈锡辉,张银辉.LABVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.

[2]王川.基于LABVIEW的远程电子技术实验系统应用研究[J].仪器与表,2007,25(12):14-16.

[3]李成学,姜斯平.电工电子虚拟实验室技术研究[J].大学物理实验,2009,22(1):89-93.

[4]邵奇可,陈国定.远程控制实验系统软件体系的结构[J].实验室研究与探索,2009,28(8):

[5]焦瑞莉 基于LabVIEW的通信专业远程虚拟实验室[J].国外电子测量技术.

[6](美)R.Jennings著.中文 Access 2000 开发使用手册[M].Special Edition Using Access 2000，机械工业出版社.