904953332基于LabVIEW的虚拟电子信息类实验教学系统的设计与研究.doc

基于LabVIEW的虚拟电子信息类实验教学系统的设计与研究摘要 传统仪器下的高校实验教学，己严重滞后于信息时代和工程实际的需要滞后的实验设备无法满足现代测试技术所需要的速度快、实时性好、具有良好人机界面的要求:难以实现功能扩展和资源共享 虚拟仪器是在计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，形成既有传统仪器的基本功能，又有特殊功能的新型仪器运用虚拟仪器代替传统仪器，不但能满足电子信息类实验教学的需要，大大提高设备利用率实现资源共享，降低实验室建设成本，用户还可以根据自己需要定义仪器的新功能 虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发本文采用模块化的设计思想，描述了基于LabVIEW开发平台设计虚拟示波器的过程，给出了虚拟信号频谱分析仪、虚拟滤波器、虚拟信号发生器、虑拟积分器和微分器等实验教学用虚拟仪器的一前面板图和程序流程图这些虚拟仪器组成的系统，可用一于电路基础、电子技术基础、信号与系统、自动控制理论等电子信息类课程的实验教学本文比较分析了当前流行的虚拟仪器体系结构和开发环境叙述了虚拟仪器设计过程的方法和体会，对虚拟仪器的开发有一定的参考价值。

关键词:LabVIEW，虚拟仪器，开发平台，实验教学系统目录基于LabVIEW的虚拟电子信息类实验教学系统的设计与研究 - 1 -目录 - 2 -1序言 - 3 -1.1实验教学设备存在的问题 - 3 -1.2虚拟仪器的基本概念、构成及其特点 - 3 -1.3虚拟仪器在实验教学中的运用 - 5 -1.3.1虚拟仪器技术在仪器设备使用实验教学中的运用 - 5 -1.3.2虚拟仪器技术与Interent技术结合在远程教育中的运用 - 5 -2虚拟仪器及LabVIEW - 6 -2.1虚拟仪器概述 - 6 -2.1.1虚拟仪器的硬件体系 - 6 -2.1.2虚拟仪器的软件体系构成 - 8 -2.1.3虚拟仪器系统的整体设计 - 8 -2. 2虚拟仪器开发平台LabVIEW - 9 -2.2.1 LabVIEW概述 - 9 -2.2.2 LabVIEW的特点 - 9 -2.2.3 LabVIEW的模板 - 10 -3虚拟示波器的设计 - 12 -3.1虚拟示波器的实现方案 - 12 -3.2虚拟示波器的硬件体系 - 12 -3.2.1硬件组成 - 12 -3.2.2数据采集卡 - 12 -4虚拟实验教学系统的设计与实现 - 14 -4.1虚拟函数发生器 - 14 -4.1.1虚拟函数发生器的功能 - 14 -4.1.2前面板和流程图 - 14 -4.2虚拟微分器和积分器 - 15 -4.2.1仪器功能 - 15 -4.2.2前面板和流程图 - 15 -4.3虚拟数字滤波器 - 16 -4.3.1虚拟数字滤波器的功能 - 16 -4.3.2前面板和框图程序 - 17 -4.4虚拟实验教学系统的实现 - 17 -5结论 - 19 -参考文献 - 20 -1序言 电子信息类的专业课程有两大特点，一是比较抽象，如信号与系统、数字信号处理、高频电子电路、通信原理、模拟和数字电子技术等课程，需要通过实验环节来帮助学生理解：有的则必须通过学生的实践才能掌握，如EDA, FPGA, DSP技术、网络技术、软件编程等课程，实验环节在电子信息实验教学中占有非常重要的地位，是提高学生动手能力、培养创造能力和综合素质的一个有效的手段。

很多学科都是以实验课程为基础的，缺少了实验的支持，学科的教学和科研活动就无法进行学生只有通过足够的验证型实验和一定数量的综合设计型实验才能加深理解和掌握所学的理论知识和应用技术，也只有通过实验，才一能将理论与实践很好地结合起来二是电了信息技术作为新的支柱产业，发展非常迅速，技术更新快，导致高校的课程特别是实验课程往往落后于技术的进步，无法满足实验教学的需要且国内高校传统的实验设备在实验教学中暴露出的无实验模拟功能、辅助实验教学功能等种种弊端与时俱进地开发出虚拟仪器实验教学系统进行实验教学，达到培养学生的动手能力和创新意识的目标1.1实验教学设备存在的问题 目前国内高校电子信息类实验大多采用各门课程的实验箱和传统仪器搭建起来的实验平台，传统仪器和实验箱是功能固定且单一，通常只能作一些演示性和验证性实验，无法实现功能扩展和资源共享电子信息类教学实验常用仪器仪表为:函数发生器、示波器、万用表及各种专用实验设备等上述实验设备在实验教学中暴露出的主要弊端有： 1、功能弱如无实验模拟功能、辅助实验教学功能，以及普通示波器无暂态信号、过渡过程的存储、重现功能 2、适用面窄上述实验设备难以用于诸如单片机原理与接口技术、传感器、自控系统等课程的实验、实习教学。

3、维护、使用、管理复杂同一实验室往往集有多种类、多规格、多型号的传统实验设备，易损件备用量大，操作使用方法各异，难以采用统一的管理标准和规程 4、无实验模拟功能，导致实验过程费时多、元器件损耗大1.2虚拟仪器的基本概念、构成及其特点 传统的测量仪器主要由三个功能模块组成:数据的采集与控制模块、数据的分析与处理模块、结果的表达与输出模块由于这些功能模块基本上是由硬件或固化的软件形式存在，仪器只能由生产厂家来定义、制造，因此传统仪器设计复杂、灵活性差，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使用起来很不方便 虚拟仪器（Virtual Istrument 简称VI） 是在以计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，从而完成各种测试功能的仪器系统计算机在虚拟仪器中处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化从构成上来说，虚拟仪器就是利用计算机，配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。

它将计算机采集测试分析引入到电子测量领域，用数字化和软件技术极大地提高了测试的灵活性和可扩充性虚拟仪器系统的构成框图如图1.1所示数据采集计算机功能软件显示系统统 图1.1虚拟仪器系统构成 虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键正由于软件是虚拟仪器的关键，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软（如用于数据分析、过程通讯及图形用户界而的软件)实现不同的功能虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果虚拟仪器可广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域 虚拟仪器利用计算机强大的图形环境功能，建立界面友好的虚拟仪器面板（即软面板），用户通过鼠标和键盘操作虚拟仪器就象操作传统的电子测量仪器一样。

完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成与传统仪器相比，虚拟仪器的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵活以及其开放性决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：虚拟仪器的关键是软件其主要优点归纳如下： 1、打破了传统仪器的功能概念，由计算机完成信号的分析、显示、存储、打印等功能由于充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，提高了系统使用的灵活性，可以满足综合性的要求 2、强调“软件就是仪器”，的新概念，软件在仪器中代替由硬件甚至整机实现的角色由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高 3、虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，使用简便，软/硬件生产、维护和开发的费用降低虚拟仪器既可以作为单台测试仪器使用，又可以构成较为复杂的测试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统，进行远程监控及故障诊断 虚拟仪器与传统仪器的指标比较如表1.1所示表1.1虚拟仪器与传统仪器比较指标虚拟仪器传统仪器基本功能功能土要由软件决定，川户可白己定义功能由硬件决定，不易改变 数据分析处理功能存储、分析、处理能力强弱(或无)功能的扩展性易于扩展，容易升级不易扩展，很难升级易用性 数据显示多样化，交互好，能进行白适显示方式少，交互差(或无)，难以进行自适应测量和控制测试精度取决于不同的硬件模块 取决于仪器本身价格 单台价格高，适合绍建系统 单台价格低，组建系统成本高 随着计算机的发展，各种有关软件不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。

此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节省仪器购买、维护费用1.3虚拟仪器在实验教学中的运用1.3.1虚拟仪器技术在仪器设备使用实验教学中的运用 实验教学是许多专业必须进行的一项教学活动掌握测量仪器和设备的正确操作方法是每个学生进行科学实验的基木前提传统的教学方法是让学生在教师的指导下进行实验的操作，随之而来的问题是教师的工作量很大而很难对所有学生进行指导，既影响教学效果又容易造成仪器损坏在一定程度上限制了教师和学生使用的积极性如果用虚拟仪器组成虚拟实验室，让学生先在虚拟实验室通过对“虚拟仪器”的模拟操作使用，全面了解和掌握各种虚拟仪器的使用方法和操作要点，为实际使用虚拟仪器设备和传统的实验仪器设备打下较好的基础，既可降低教师的劳动强度，减少仪器设备的损坏，又可以提高实验教学质量与效果1.3.2虚拟仪器技术与Interent技术结合在远程教育中的运用 虚拟仪器技术与Internet技术结合可在远程教育中发挥作用利用Internet资源和技术，如ASP （Active Server Pages，动态服务器主页）、Socket（套接字）等，将Internet与虚拟仪器结合起来组成一个基于Web的虚拟实验室，从而在网络中建立一个虚拟的实验环境，这样能够使远程教育的实验教学远程化，远程教育的学习者不必担心缺乏实验条件，也不必为做实验到处奔波，通过网络中的基于虚拟仪器的虚拟实验环境观察实验现象和进行操作，甚至和异地的学习者合作进行实验。

这对现代远程教育具有十分重要的意义 目前应用虚拟仪器来进行实验教学已实际启动，一些发达国家的高等学校已将虚拟仪器作为常规的实验仪器在学生实验中应用，在我国也己有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，如复旦大学，南京理工大学，南京工程学院，江南大学，苏州工业园职业技术学院等近一、两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研2虚拟仪器及LabVIEW 计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前己经出现含嵌入式系统的仪器。