基于虚拟仪器的便携式多功能综合电子实验平台的设计

张磊

(中国民航大学 基础实验中心，天津300300)

1 项目设计背景

在电子实验及实践课程的教学过程中，以及在学生大创项目和电子设计大赛的培训过程中主要存在以下几个问题：

1.1 实验设备、实验场地的限制往往不能满足学生进行实验学习的需要；在实验实践课程的教学中，实验设备、实验场地的限制难以满足学生及教师的实验需求。每门课程都需要配备一到两个实验箱，还要配备相应的测试仪器包括示波器、信号发生器等，成本高、通用性差。

1.2 大部分“口袋实验室”的研究中，没有便携式的测试仪器供学生借用，学生无法测量实验结果；在“口袋实验室”的研究过程中，学生借阅了实验板之后，如果需要用到示波器、信号发生器等实验仪器测试实验结果时，还是要回到实验室来测试，大大局限了“口袋实验室”的应用范围和应用效果，如果能让学生拥有自己的一个便携式多功能实验平台，不仅能提供做实验时的实验板，还能提供测试仪器，才能真正满足学生在宿舍、教室等任何地方都可以开展实验学习的需求，才能促使“口袋实验室”被广泛应用。

1.3 在学生大创项目和电子设计大赛的培训过程中，创新实践基地实验设备有限，实验仪器较少，大大打击了学生学习创新的积极性；学生在做大创项目时，或者在电子设计大赛的赛前培训时，常常需要先掌握单片机、FPGA、嵌入式等方面的基本知识，由于实验室和创新基地实验设备有限、实验仪器较少，使得很多学生有想法、有兴趣却没有实验设备去实现，大大打击了学生学习及创新的积极性，如果“口袋实验室”能给他们提供一些实验板和测试仪器，供他们借阅使用，他们可以随时随地进行实验创新，实现自己想法和创意，将大大激发学习兴趣、促使学生提高自主学习和创新的能力。在此背景下，该项目提出了一种基于虚拟仪器的便携式多功能实验平台，该实验平台不仅包含了可用于做FPGA、单片机、嵌入式实验的多功能实验板，还包含了虚拟测试仪器，包括示波器、函数信号发生器、数字万用表、逻辑分析仪等多种常用虚拟仪器。利用该实验平台，学生在宿舍、教室等任何地方都可以开展实验学习，促使学生自主思考发现问题，激发学习兴趣，培养学生的创新实践能力。

2 项目设计方案

该实验平台结构如图1 所示，其设计方案主要包括以下两个方面：一是利用NI MyDAQ 作为数据采集卡，以LabVIEW 开发常用的虚拟仪器来代替实验室中的万用表、示波器、信号发生器等仪器设备；二是制作一块可用于做FPGA、单片机、嵌入式实验的多功能实验板。将该实验板和MyDAQ 数据采集设备封装于一个小的便携式实验箱内，学生可以利用该实验箱随时随地进行实验学习、课程设计和项目开发。

2.1 计算机

计算机作为该实验平台的上位机，虚拟仪器软件采用Labview开发，Labview软件开发简便易用，人机交互友好。利用该虚拟仪器可以构成包括示波器、函数信号发生器、数字万用表、逻辑分析仪等多种常用虚拟仪器。

2.2 NI MyDAQ 作为数据采集卡

在之前的虚拟仪器开发中，大部分采用专用的数据采集卡配工控机来实现数据采集，或者在采样精度要求不太高的情况下采用声卡作为数据采集设备，但都不满足“口袋实验室”对数据采集设备便携性、采样精度、多测量通道等方面的要求，因此，选择NI 公司生产的便携式的数据采集设备MyDAQ，其便携性好，且具有2 路差分模拟输入与2 路模拟输出、8 路数字输入与数字输出接口、1 路音频输出与输入口，该数据采集模块主要完成对信号的采集和信号的输出。

2.3 多功能实验板

该实验板主要包括两部分内容，一部分是核心板，针对不同的课程，配备不同核心板，包括FPGA 核心板、单片机核心板、嵌入式核心板等，核心板主要是最小系统板，主要包括系统时钟、电源和复位等模块；另一部分是这几门课程通用的实验板主板，主要包括数码管、按键、LED 灯、蜂鸣器、电机、点阵模块、传感器接口、USB 接口等模块，其中部分模块的原理设计图如图2所示。核心板插接在通用主板上构成多功能便携式“口袋实验室”的实验板。

数码管：

图2 部分模块原理图

3 实验平台的应用效果

该项目主要构建一个基于虚拟仪器的便携式多功能电子实验平台。该实验平台不仅可用于《电子技术实验（II）（数字）》、《电子技术应用设计》、《单片机课程设计》等课程，还可用于学生做大创项目或电子设计大赛的赛前培训等，学生普遍反映使用效果良好。该实验平台便携性强、测试仪器全面、功能强大，主要用于“口袋实验室”，学生借阅该实验平台后可以在宿舍、教室等任何地方都可以开展实验学习，他们可以随时随地进行实验创新，实现自己想法和创意，将大大激发学习兴趣、促使学生提高自主学习的能力。