基于LabVIEW的虚拟实验教学系统设计

乔月凤，范春凤，刘瑞翔

(信阳师范学院 物理电子工程学院，河南 信阳 464000)

基于LabVIEW的虚拟实验教学系统设计

乔月凤，范春凤，刘瑞翔

(信阳师范学院 物理电子工程学院，河南 信阳 464000)

对虚拟仪器技术做了概述，分析了当前虚拟仪器技术在实验教学方面的应用情况。介绍了基于LabVIEW的虚拟实验教学系统的设计方法，建立了一套虚拟实验教学系统。系统用各种虚拟信号对虚拟仪器进行调试和功能检验，改善了电子专业实验教学环境。实验结果表明，该系统为形象直观的实验教学提供了极大的方便。

LabVIEW软件；虚拟仪器；实验教学系统

电子技术作为支柱性产业，技术发展迅速，知识更新快，致使高校开设的实验课程落后于电子技术的进步，实验室也无法及时装备满足实验教学所需要的仪器设备。虚拟仪器的信号分析系统可以解决此问题，用虚拟仪器开发平台开发各种“虚拟仪器”，不但成本低廉、简单易行，且交互性、可操作性和真实感与传统仪器基本相同。“软件即仪器(softwares instrument)”反映了虚拟仪器的基本特征[1]。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教学方面的研究，并取得了一定的进展[2]。但目前还没有大规模的成功应用实例，也未形成国际通用的标准[3]。

1 虚拟仪器及LabVIEW

1.1 虚拟仪器概述

20世纪80年代，美国国家仪器公司(National Instruments Company，NI)首先提出了虚拟仪器的概念。1986年，NI公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW，标志着虚拟仪器设计软件平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。

虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡(DAQ卡)、串/并口、IEEE488接口(GPIB )卡、VXI控制器以及其他接口卡[4]。它充分利用计算机强大的管理与处理能力，将实验教学相关设备搭配起来，构成一种全新的实验教学环境。实验中的仪器与设备一般是具有特定功能的单台设备，如果它们具有某种总线接口，就有可能进行虚拟仪器系统的整体构造。

1.2 虚拟仪器开发平台LabVIEW

LabVIEW是虚拟仪器集成环境的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强大的图形化软件开发集成环境之一，可替代常用的Basic或C语言，用方框图代替传统的程序代码。作为编写应用程序的语言，除了编程方式不同外，LabVIEW具备编程语言的所有特征，因此被称为G (graphical)语言。LabVIEW所运用的设备图标与工程师们所习惯的大部分图标基本一致，使得编程过程和思维过程很相似。用LabVIEW设计的虚拟仪器可以脱离LabVIEW开发环境，最终呈现在用户面前的是和实际硬件仪器相似的操作面板。

LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发工具库。LabVIEW的程序设计实质上就是设计单个的虚拟仪器。在计算机显示屏幕上利用功能库和开发工具库产生一个前面板，在后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有与传统仪器类似的界面，可接受用户的鼠标指令。一般来说，每一个虚拟仪器(virtual instrument，VI)都可以作为其他VI的调用对象，其功能类似于文本语言的子程序。

LabVIEW的核心是VI。VI有一个人机交互界面(即前面板)和类似于源代码功能的方框图。在VI的前面板中，控件用于模拟仪器的输入装置并把数据提供给VI；而指示器则模拟仪器的输出装置并显示由VI方框图获得或产生的数据。一个VI可以由底层的多个子VI组成，就像真实仪器由印刷电路板组成，而印刷电路板又由集成电路IC、分立元件组成一样。底层的子VI代表最基本的计算、I/O操作与界面设计功能，各层VI都有相同的结构形式。虚拟仪器模型、图形界面和结构化数据流程图编程是LabVIEW的三大核心技术。

2 虚拟实验教学系统的总体设计

2.1 虚拟实验教学系统模块建立

系统按照模块化的编程思想进行建立[5]，不同的虚拟仪器仪表或工程应用均为独立的，不同的仪器仪表之间几乎没有公用的数据流，防止仪器仪表之间的干扰，同时降低编程难度。虚拟实验教学系统由七个模块构成，如图1所示，包括：多功能信号发生器、虚拟电压表、信号调制解调器、带通滤波器、单通道示波器、步进电机控制、模拟温度检测系统等。模块基本覆盖了电子类本科实验教学的主干课程，对学生掌握所学知识有着重要的作用。

2.2 测控系统的设计

数据采集部分主要以51单片机控制 A/D芯片、计算机声卡、LabVIEW软件平台自带的各种信号函数来完成实验所需数据的产生与读取，再将数据通过虚拟串口传到上位机。上位机利用LabVIEW软件对收到的数据进行处理，如实时显示、频谱分析、加窗截取、滤波分析等。此外，利用软件本身的图形用户界面(graphical user interface，GUI)可以设计出友好界面，实现对测控系统的控制操作和数据分析。系统控制面板如图2所示，可以完成各种功能模块的切换。

图1 系统的组成模块框图

图2 系统面板

3 虚拟实验教学系统的仪器实现

LabVIEW软件的数据分析工具包中提供了丰富的信号分析处理相关程序，包括波形测量、信号调理、信号监测、波形发生和信号处理等。利用LabVIEW软件平台可以方便地设计出各种仪器仪表。我们设计出了信号发生器、数字电压表、示波器、调制(解调)器、滤波器以及模拟温度检测系统实验方案等。下面介绍两个设计实例。

3.1 信号发生器

信号发生器产生实验所需的信号源，其波形有正弦波、方波、三角波、锯齿波和随机信号等不同种类，信号的频率和幅值等参数可以按需要进行调节。本虚拟信号发生器可产生仿真信号，用来充当实验所需的信号源。

LabVIEW将测量中常用的信号函数做成功能模块，以生成各种仿真信号波形序列，供编程者方便地调用。除此之外，还可以利用公式波形节点生成指定的任意函数波形。同时，系统的使用者可以方便地通过如图3所示的前面板进行参数设置与波形选择。

图3 信号发生器前面板

在数字系统中，必须注意信号中最高频率部分的频率与采样频率之间的关系须满足采样定理，即耐奎斯特公式。低于耐奎斯特频率的信号可以被正常采样，高于耐奎斯特频率的信号将出现频率混叠。利用软件生成的各种虚拟信号可对虚拟仪器进行调试和功能检验，为形象直观的实验教学提供了极大的方便。

3.2 模拟温度检测系统

模拟温度检测系统通过LabVIEW的工具模板产生随机信号，并对随机信号进行数字化处理，再应用滤波等技术对随机信号进行处理研究，培养学生的实际应用能力，深化理论知识。图4为系统的前面板。

图4 模拟检测系统的前面板

4 虚拟实验教学系统的意义

4.1 辅助理论教学

传统的教学往往是理论教学和实验教学分开进行。教师在教室内传授抽象的理论知识，在黑板上绘制原理图，给学生分析工作原理。教师讲得辛苦，却得不到理想的教学效果；学生听课吃力，不能很好地掌握所学知识。实验教学作为理论教学的延续，可以加深对理论知识的理解和记忆。但是我们很难将实验搬到理论课堂中。应用虚拟实验，可以很方便地在理论课堂上进行演示，让抽象的理论及时得到检验[6]，达到从感性认识到理性认识的有机过渡。

4.2 辅助实验教学

充分利用计算机可以快速、准确地将烦琐的计算公式通过编制程序计算出结果，画出精确仿真图形，帮助学生理解、分析和掌握基本理论知识。学生可以独立使用计算机中构建的虚拟实验室[7-8]，主动设疑、实验，得出实验结果，也可方便地修改参数，不必担心损坏仪器，并迅速进行实验仿真，检验自己对所学知识的掌握情况。这对提高学生的学习积极性，提高教学水平有很大益处[9]。

4.3 训练学生的创造性思维

教育的目的在于提高学生分析能力、判断能力及创新能力，提高学生的综合素质[10]。传统实验设计验证了一些复杂的理论。在系统中连线是十分复杂的，接好系统后，为了使系统处于满意的工作状态，不断地调整参数也是十分费时费工的。学生要运用自己学到的知识设计制作一个验证系统是一件很困难的事。现在，虚拟实验室给学生创造一个优良环境，学生可以充分发挥他们的智慧，展现他们的才华[11]。

5 结束语

将虚拟仪器技术引入到实验教学中是行之有效的方案。虚拟仪器技术使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计仪器并进行实验，加深对理论知识的理解与掌握。同时,虚拟仪器技术可以提高实验效率、降低实验成本、增强学生的学习积极性，取得较好的教学效果，具有传统实验无可比拟的优势。

[1] National Instruments.LabVIEW user manual[M].Texas:National Instruments，2003：2-46.

[2]Anthony Vento J.Application of LabVIEW in higher education laboratories[J].IEEE Computer Society，1998：443-446.

[3]Asan Ganl，Aalami M J E.A LabVIEW based data acquisition system for vibration monitoring and analysis[J].IEEE Design and Test of Computer，2002：62-74.

[4]林静，林振宇.LabVIEW虚拟仪器程序设计从入门到精通[M].北京：高等教育出版社，2010：2-3.

[5]程雪敏，仲蓁蓁.基于LabVIEW虚拟仪器实验教学系统的设计[J].广西轻工业，2010(10)：90-91.

[6]张婷，金鑫. 基于LabVIEW综合教学系统[J].科技创新导报，2010(1)：145-146.

[7]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007：20-40.

[8]刘其和，李云明.LabVIEW虚拟仪器程序设计和应用[M].北京：化学工业出版社，2011：2-20.

[9]张健.基于LabVIEW的虚拟实验教学系统的设计与实现[D].天津：河北工业大学，2003：1-15.

[10]王行娟.基于LabVIEW的虚拟仪器实验教学系统的研究[D].武汉：武汉理工大学，2007：40-56.

[11]陈春朝，赵敏.基于LabVIEW的虚拟实验平台的设计[J].中国现代教育装备，2009(17)：31-33.

Design of Virtual Experiment Teaching System Based on LabVIEW

QIAO Yuefeng, FAN Chunfeng, LIU Ruixiang

(College of Physics and Electronics, Xinyang Normal University, Xinyang 464000, China)

Virtual instrument technique was briefly summarized and its application situation in experiment teaching was analyzed. Virtual experiment teaching system design method based on the LabVIEW was introduced, and a set virtual experiment teaching system was designed. The system implements debugging and function verification by various kinds of virtual signals. Electronics specialty experiment teaching environment was improved. Experimental results show that the system can provide convenience significantly for vividly and intuitive experiment teaching.

LabVIEW software；virtual instrument；experiment teaching system

2014-06-29；修改日期: 2014-08-19

信阳师范学院2012年度教育教学改革研究基金资助项目。

乔月凤(1965-), 女，实验师，主要从事物理实验教学与研究工作。

TP314

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.004