基于LabVIEW的虚拟实验室建设
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自动化技术
杨
宏等 : 基于 LabVIEW 的虚拟实验室建设
基于 LabVIEW 的虚拟实验室建设
杨 宏, 李国辉, 常淑娟
710061) ( 西 安邮电学院 电子与信息工程系 , 陕西 西安 摘
要 : 针对目前许多高校的实验教学中普遍 存在的实验设备陈旧 、 实验 室规模过 小 、 实验 室建设经 费短缺等一 系列问
[ 5 11]
图1
信号逐点分析的程序框图
。基于
图2
前面板仿真结果
LabVIEW 虚拟实验室的教学采用局域网多媒体教学 , 教师可以通过多媒体演示实例并讲解其原理 , 学生根据 相关实验原理在 LabVIEW 中完成整个实验 , 这样就可 以在虚拟实验教学过程中培养学生的兴趣、 激发学生的 创造性、 增强互动性、 提高教学效果。 2 基于 LabVIEW 的虚拟实验教学实例分析 下面以 信 号逐 点 分析 实 验为 例, 介 绍如 何 通过 LabVIEW 构建虚拟实验室。 LabVIEW 提供了一类逐 点分析节点, 可以一个数据点接一个数据点分析 , 此时 数据分析是基于数据点的 , 可以实现实时处理。使用逐 点分析可以与信号同步 , 数据丢失的可能性更小 , 对硬 件设备采样率的要求更低。 产生逐点信号序列后进行滤波处理 , 对比信号序列 经过滤波处 理的 效果。信 号逐点 分析的 程序框 图如 图 1所示 , 具体步骤如下: ( 1) 产生逐点信号。逐点信号由周期正弦信号、 统 一白噪声和直流偏置三部分叠加而成; 正弦信号频率和 幅值为 1, 每个周期为 200 个点 , 共 5 个周期 ; 统一白噪 声幅值为 0. 2; 直流偏置幅值为 2。 ( 2) 逐点信号滤波处理。将产生的逐点信号通过 逐点巴特沃斯滤波器 , 设置下限截止频率为 0. 1。 ( 3) 信号序列通过普通滤波处理。将所有逐点信 号组成的序列通过普通巴特沃斯滤波器 , 下限截止频率 一致。 ( 4) 运 行 程 序, 比 较 结 果。前 面 板 结 果 如 图 2
4
给出了一种简单实用、 安全可靠、 成本低廉的智能 型医用氧气流量计的设计和实现方法。在不改变医院 现有吸氧系统及设施的基础上, 利用本仪器就能方便地 解决病人吸氧时按吸氧量计费的问题 , 具有较高的推广 价值 , 将会为我国的医疗改革做出贡献。
参 考 文 献
[ 1] 胡汉才 . 单 片机原 理及 其接口 技术 [ M ] . 北 京 : 清 华大 学出 版社 , 2002. 图 7 RS 232 串行通信电路 [ 2] RA O G V . M icr opro cessor s and micr ocomput er sy stem[ M ] . [ S. l. ] : V an N ostrand Reinho ld Company , 1982. [ 3] 何立民 . 单 片机高 级教 程 [ M ] . 北京 : 北 京航 空航 天大 学出 版社 , 1999. [ 4] RA ZA V I Behzad. Design of analog CM OS integ rated cir cuit s[ M ] . 西安 : 西安交通大学 出版社 , 2003. [ 5] 赵继文 , 何玉彬 . 传感器与应 用电路 设计 [ M ] . 北 京 : 科 学出 版社 , 2002. [ 6] 张 国 雄 , 金 篆 芷 . 测 控 电 路 [ M ] . 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 2003. [ 7] 李宝深 . 微 型计算 机常 用器件 手册 [ M ] . 福 州 : 福 建科 学技 术出版社 , 1985. [ 8] 雷 超方 , 张 东 . 基于 A RM 9 的 医疗手 持信 息终端 电源 设计 [ J] . 现代电子技术 , 2008, 31( 2) : 177 179. [ 9] 王 幸 之 , 王 雷 , 钟 爱 琴 , 等 . 单 片 机 应 用 系 统 抗 干 扰 技 术 [ M ] . 北京 : 北京希望电子出版社 , 2000. [ 10] FO WL ER M ar tin, SCO T T K endall. U M L distilled: a brief g uide to the standard object mo deling language[ M ] . 图8 作者简介 : 蔡 航 总程序流程图 [ S. l. ] : Addison Wesiey Lo ng man I nc. , 2000.
实验教学是工科院校教学的一个重要环节, 实验对 于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力至关重 要。基于 L abV IEW 的虚拟实验室建设 , 在很大程度上 解决了实验教学中所面临的一些问题。它采用自上而 下的模块化的设计思想和图形化编程方式, 直观地将公 式表达、 算法、 仿真结果等表示出来。在实验教学中广 泛深入地应用虚拟仪器 , 既有利于促进加快实验室建设 进度 , 也有利于改进实验教学方法 , 增强实验教学效果。 该系统界面友好、 操作简单 , 而且扩展容易。目前已在 信号处理、 电子技术等课程的教学和实验中应用, 取得 了良好的教学效果。
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#现代电子技术∃ 2010 年第 7 期总第 318 期 1. 2 虚拟实验室特点 所示。
测试 % 测量 % 自动化
虚拟实验室只需要计算机和相关软件就可以做各 种实验, 包括电路分析实验、 模拟电路实验、 数字电路实 验、 信号与系统实验、 数字信号处理实验以及相关实验 课程。因此, 采用虚拟实验教学模式, 不但可以大大减 少传统实验室建设中的大量资金投入, 也可以大大减少 实验教学中仪器设备的维修费用和实验耗材费用。此 外, 如果将虚拟实验室与计算机网络技术相结合 , 建立 成网络虚拟实验室, 可以给学生提供一个更为灵活的实 验时间和空间。 1. 3 虚拟实验室的实验内容和实验过程 虚拟仪器在实验教学中最简单的应用就是代替常 规的仪器 , 如函数发生器、 示波器、 万用表等。比如实验 者在实验中采用虚拟仪器 , 实现信号发生及波形记录 , 可取得较好的效果。不过 , 虚拟仪器具有更强的分析处 理能力, 而且用户重新定义后 , 它又能变成数字万用表、 温度计或频谱分析仪等不同的仪器仪表。虚拟仪器可 以应用到具体的电子技术实验、 信号处理实验中去 , 可 以在计算机上虚拟出各种功能的实验仪器
0 引
言
案。通过实例的分析, 验证了该方案的可行性, 在实际 运行中, 取得了良好的教学效果。该方案目前在国内高 校具有较高的推广利用价值。 1 1. 1 基于 LabVIEW 的虚拟实验室建设 L abVIEW 简介 L abVIEW 是美国国家仪器公司 ( Nat ional Inst ru
实验教学是高校教学过程中一个必不可少的环节。 通过实验 , 可以使学生更好地理解理论知识, 加深对理 论的理解 , 同时能锻炼学生的动手能力, 更好地培养学 生分析问题、 解决问题的能力。然而, 目前许多高校的 实验教学中普遍存在一些问题, 比如实验设备陈旧、 实 验室规模过小、 实验室建设经费短缺等, 这些都严重地 影响了正常的实验教学工作。 近年来, 随着电子、 计算机和网络技术的发展及其 在测量仪器上的应用, 产生了 一种新的测试理论和方 法 虚拟仪 器 ( Virt ual Inst rument , VI ) 。所谓虚拟 仪器 , 就是指用户通过计算机平台 , 根据自己的需求设 计仪器的测试功能。虚拟仪器的出现打破了人们对仪 器的传统观念, 在测试系统和仪器设计中用户可以尽量 用软件代替硬件 , 而无需购买大量的、 昂贵的实验仪器 [ 1, 2] 设备 。因此 , 基于 L abVIEW 构建虚拟实验室正逐 渐被越来越多的高校所采用。 针对目前许多高校的实验教学中普遍存在的一些 问题 , 提出了一种基于 L abVIEW 构建虚拟实验室的方
Abstract : A iming at the pr oblems in many univ ersities such as old teaching labor ator y equipments, small labor ator y scale, lack of labo rato ry co nstr uction funding and so on, the scheme of co nst ruct ing v ir tua l laborat ory based on L abVI EW is pro posed. T he feasibility o f this scheme is pro ved by analyzing an applicatio n ex ample. A g ood teaching effect has been receiv ed in act ual application. At t he present time, t his scheme is wo rth popularizing in do mest ic univ ersities. Keywords: L abV IEW; virtual labo rato ry ; sig nal pro cessing; teaching in univ ersit y
题 , 提出一种基于 L abV IEW 构建虚拟实验室的方案 , 通过实例分析 , 验 证该方案的可行性 , 并在实际运行 中取得了良 好的教 学效果 。 该方案目前在国内高校具有较高的推广价值 。 关键词 : L abVI EW ; 虚拟实验室 ; 信号处理 ; 高校教学 中图分类号 : T P273 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 373X( 2010) 07 0154 02
收稿日期 : 2009 11 09 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 40974078) ; 陕西省自然科 学基金资助项目 ( 2007D15)
ment , NI) 推出的一门图形化编程语言, 同时也是著名 的虚拟仪器开发平台, 它担当了! 软件即仪器∀ 这一虚拟 仪器关键理念中的主角。 它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性 , 以及 专为测试测量与自动化控制应用设计的高端性能与配 置功能, 能为数据采集、 仪器控制、 测量分析与数据显示 等各种应用提供必要的开发工具。 L abVIEW 以计算机为核心, 可将各种传统仪器的 功能集中于一身, 通过 L abVIEW 程序让它们按一定的 步骤、 方式工作 , 并且同一个程序可以使用在不同的采 集设备上 , 也 可以在同一设备上使用 不同的程序 [ 3, 4] 。 L abVIEW 的表现 形式和 功能 类似于 实际 的仪 器, 但 L abVIEW 程 序很容 易改 变设 置和 功 能。因 此, L ab VIEW 特别适用于实验室、 一些需要经常改变仪器和设 备的参数及功能的场合。
Construction of Virtual Laboratory Based on LabVIEW
YA N G H ong , L I Guo hui, CH A N G Shu juan
( Depart ment of Electronic and Inform ation E ng ineeห้องสมุดไป่ตู้ing, Xi an U niv ersity o f Po st and T elecom munications, Xi an 710061, China)
参 考 文 献
[ 1] 陈晴 , 陈林 , 张志 . 基 于虚 拟仪器 的开 放式虚 拟实 验室 系统 的研究和实现 [ J] . 电子测量技术 , 2007, 30( 4) : 109 112. ( 下转第 158 页 )
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自动化技术
蔡
航等 : 一种医用智能型氧气流量计设计与实现 结 语
的任意电平为逻辑! 1∀ , 通信时要将 T T L 或 CM OS 电 平转换为 RS 232 电平, 本设计采用 M AX232 芯片来完 成电平转换[ 4, 7] , 其电路如图 7 所示。
逐点信号分析对接收到的每一个数据点进行分析 , 并可同时输出分析结果 , 然后转入下一个数据点的 分 析, 这样可以达到实时分析的效果。在虚拟实验过 程 中, 如需改变实验参数 , 只需在框图中修改对应的参数 值即可。另外 , 采用虚拟仪器进行实验 , 学生可以随意 地改变实验条件, 观察实验结果 , 从而使学生看到在传 统实验条件下观测不到的结果, 促使学生在实验的过程 中加深对知识的理解。 3 结 语
杨
宏等 : 基于 LabVIEW 的虚拟实验室建设
基于 LabVIEW 的虚拟实验室建设
杨 宏, 李国辉, 常淑娟
710061) ( 西 安邮电学院 电子与信息工程系 , 陕西 西安 摘
要 : 针对目前许多高校的实验教学中普遍 存在的实验设备陈旧 、 实验 室规模过 小 、 实验 室建设经 费短缺等一 系列问
[ 5 11]
图1
信号逐点分析的程序框图
。基于
图2
前面板仿真结果
LabVIEW 虚拟实验室的教学采用局域网多媒体教学 , 教师可以通过多媒体演示实例并讲解其原理 , 学生根据 相关实验原理在 LabVIEW 中完成整个实验 , 这样就可 以在虚拟实验教学过程中培养学生的兴趣、 激发学生的 创造性、 增强互动性、 提高教学效果。 2 基于 LabVIEW 的虚拟实验教学实例分析 下面以 信 号逐 点 分析 实 验为 例, 介 绍如 何 通过 LabVIEW 构建虚拟实验室。 LabVIEW 提供了一类逐 点分析节点, 可以一个数据点接一个数据点分析 , 此时 数据分析是基于数据点的 , 可以实现实时处理。使用逐 点分析可以与信号同步 , 数据丢失的可能性更小 , 对硬 件设备采样率的要求更低。 产生逐点信号序列后进行滤波处理 , 对比信号序列 经过滤波处 理的 效果。信 号逐点 分析的 程序框 图如 图 1所示 , 具体步骤如下: ( 1) 产生逐点信号。逐点信号由周期正弦信号、 统 一白噪声和直流偏置三部分叠加而成; 正弦信号频率和 幅值为 1, 每个周期为 200 个点 , 共 5 个周期 ; 统一白噪 声幅值为 0. 2; 直流偏置幅值为 2。 ( 2) 逐点信号滤波处理。将产生的逐点信号通过 逐点巴特沃斯滤波器 , 设置下限截止频率为 0. 1。 ( 3) 信号序列通过普通滤波处理。将所有逐点信 号组成的序列通过普通巴特沃斯滤波器 , 下限截止频率 一致。 ( 4) 运 行 程 序, 比 较 结 果。前 面 板 结 果 如 图 2
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给出了一种简单实用、 安全可靠、 成本低廉的智能 型医用氧气流量计的设计和实现方法。在不改变医院 现有吸氧系统及设施的基础上, 利用本仪器就能方便地 解决病人吸氧时按吸氧量计费的问题 , 具有较高的推广 价值 , 将会为我国的医疗改革做出贡献。
参 考 文 献
[ 1] 胡汉才 . 单 片机原 理及 其接口 技术 [ M ] . 北 京 : 清 华大 学出 版社 , 2002. 图 7 RS 232 串行通信电路 [ 2] RA O G V . M icr opro cessor s and micr ocomput er sy stem[ M ] . [ S. l. ] : V an N ostrand Reinho ld Company , 1982. [ 3] 何立民 . 单 片机高 级教 程 [ M ] . 北京 : 北 京航 空航 天大 学出 版社 , 1999. [ 4] RA ZA V I Behzad. Design of analog CM OS integ rated cir cuit s[ M ] . 西安 : 西安交通大学 出版社 , 2003. [ 5] 赵继文 , 何玉彬 . 传感器与应 用电路 设计 [ M ] . 北 京 : 科 学出 版社 , 2002. [ 6] 张 国 雄 , 金 篆 芷 . 测 控 电 路 [ M ] . 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 2003. [ 7] 李宝深 . 微 型计算 机常 用器件 手册 [ M ] . 福 州 : 福 建科 学技 术出版社 , 1985. [ 8] 雷 超方 , 张 东 . 基于 A RM 9 的 医疗手 持信 息终端 电源 设计 [ J] . 现代电子技术 , 2008, 31( 2) : 177 179. [ 9] 王 幸 之 , 王 雷 , 钟 爱 琴 , 等 . 单 片 机 应 用 系 统 抗 干 扰 技 术 [ M ] . 北京 : 北京希望电子出版社 , 2000. [ 10] FO WL ER M ar tin, SCO T T K endall. U M L distilled: a brief g uide to the standard object mo deling language[ M ] . 图8 作者简介 : 蔡 航 总程序流程图 [ S. l. ] : Addison Wesiey Lo ng man I nc. , 2000.
实验教学是工科院校教学的一个重要环节, 实验对 于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力至关重 要。基于 L abV IEW 的虚拟实验室建设 , 在很大程度上 解决了实验教学中所面临的一些问题。它采用自上而 下的模块化的设计思想和图形化编程方式, 直观地将公 式表达、 算法、 仿真结果等表示出来。在实验教学中广 泛深入地应用虚拟仪器 , 既有利于促进加快实验室建设 进度 , 也有利于改进实验教学方法 , 增强实验教学效果。 该系统界面友好、 操作简单 , 而且扩展容易。目前已在 信号处理、 电子技术等课程的教学和实验中应用, 取得 了良好的教学效果。
154
#现代电子技术∃ 2010 年第 7 期总第 318 期 1. 2 虚拟实验室特点 所示。
测试 % 测量 % 自动化
虚拟实验室只需要计算机和相关软件就可以做各 种实验, 包括电路分析实验、 模拟电路实验、 数字电路实 验、 信号与系统实验、 数字信号处理实验以及相关实验 课程。因此, 采用虚拟实验教学模式, 不但可以大大减 少传统实验室建设中的大量资金投入, 也可以大大减少 实验教学中仪器设备的维修费用和实验耗材费用。此 外, 如果将虚拟实验室与计算机网络技术相结合 , 建立 成网络虚拟实验室, 可以给学生提供一个更为灵活的实 验时间和空间。 1. 3 虚拟实验室的实验内容和实验过程 虚拟仪器在实验教学中最简单的应用就是代替常 规的仪器 , 如函数发生器、 示波器、 万用表等。比如实验 者在实验中采用虚拟仪器 , 实现信号发生及波形记录 , 可取得较好的效果。不过 , 虚拟仪器具有更强的分析处 理能力, 而且用户重新定义后 , 它又能变成数字万用表、 温度计或频谱分析仪等不同的仪器仪表。虚拟仪器可 以应用到具体的电子技术实验、 信号处理实验中去 , 可 以在计算机上虚拟出各种功能的实验仪器
0 引
言
案。通过实例的分析, 验证了该方案的可行性, 在实际 运行中, 取得了良好的教学效果。该方案目前在国内高 校具有较高的推广利用价值。 1 1. 1 基于 LabVIEW 的虚拟实验室建设 L abVIEW 简介 L abVIEW 是美国国家仪器公司 ( Nat ional Inst ru
实验教学是高校教学过程中一个必不可少的环节。 通过实验 , 可以使学生更好地理解理论知识, 加深对理 论的理解 , 同时能锻炼学生的动手能力, 更好地培养学 生分析问题、 解决问题的能力。然而, 目前许多高校的 实验教学中普遍存在一些问题, 比如实验设备陈旧、 实 验室规模过小、 实验室建设经费短缺等, 这些都严重地 影响了正常的实验教学工作。 近年来, 随着电子、 计算机和网络技术的发展及其 在测量仪器上的应用, 产生了 一种新的测试理论和方 法 虚拟仪 器 ( Virt ual Inst rument , VI ) 。所谓虚拟 仪器 , 就是指用户通过计算机平台 , 根据自己的需求设 计仪器的测试功能。虚拟仪器的出现打破了人们对仪 器的传统观念, 在测试系统和仪器设计中用户可以尽量 用软件代替硬件 , 而无需购买大量的、 昂贵的实验仪器 [ 1, 2] 设备 。因此 , 基于 L abVIEW 构建虚拟实验室正逐 渐被越来越多的高校所采用。 针对目前许多高校的实验教学中普遍存在的一些 问题 , 提出了一种基于 L abVIEW 构建虚拟实验室的方
Abstract : A iming at the pr oblems in many univ ersities such as old teaching labor ator y equipments, small labor ator y scale, lack of labo rato ry co nstr uction funding and so on, the scheme of co nst ruct ing v ir tua l laborat ory based on L abVI EW is pro posed. T he feasibility o f this scheme is pro ved by analyzing an applicatio n ex ample. A g ood teaching effect has been receiv ed in act ual application. At t he present time, t his scheme is wo rth popularizing in do mest ic univ ersities. Keywords: L abV IEW; virtual labo rato ry ; sig nal pro cessing; teaching in univ ersit y
题 , 提出一种基于 L abV IEW 构建虚拟实验室的方案 , 通过实例分析 , 验 证该方案的可行性 , 并在实际运行 中取得了良 好的教 学效果 。 该方案目前在国内高校具有较高的推广价值 。 关键词 : L abVI EW ; 虚拟实验室 ; 信号处理 ; 高校教学 中图分类号 : T P273 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 373X( 2010) 07 0154 02
收稿日期 : 2009 11 09 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 40974078) ; 陕西省自然科 学基金资助项目 ( 2007D15)
ment , NI) 推出的一门图形化编程语言, 同时也是著名 的虚拟仪器开发平台, 它担当了! 软件即仪器∀ 这一虚拟 仪器关键理念中的主角。 它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性 , 以及 专为测试测量与自动化控制应用设计的高端性能与配 置功能, 能为数据采集、 仪器控制、 测量分析与数据显示 等各种应用提供必要的开发工具。 L abVIEW 以计算机为核心, 可将各种传统仪器的 功能集中于一身, 通过 L abVIEW 程序让它们按一定的 步骤、 方式工作 , 并且同一个程序可以使用在不同的采 集设备上 , 也 可以在同一设备上使用 不同的程序 [ 3, 4] 。 L abVIEW 的表现 形式和 功能 类似于 实际 的仪 器, 但 L abVIEW 程 序很容 易改 变设 置和 功 能。因 此, L ab VIEW 特别适用于实验室、 一些需要经常改变仪器和设 备的参数及功能的场合。
Construction of Virtual Laboratory Based on LabVIEW
YA N G H ong , L I Guo hui, CH A N G Shu juan
( Depart ment of Electronic and Inform ation E ng ineeห้องสมุดไป่ตู้ing, Xi an U niv ersity o f Po st and T elecom munications, Xi an 710061, China)
参 考 文 献
[ 1] 陈晴 , 陈林 , 张志 . 基 于虚 拟仪器 的开 放式虚 拟实 验室 系统 的研究和实现 [ J] . 电子测量技术 , 2007, 30( 4) : 109 112. ( 下转第 158 页 )
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自动化技术
蔡
航等 : 一种医用智能型氧气流量计设计与实现 结 语
的任意电平为逻辑! 1∀ , 通信时要将 T T L 或 CM OS 电 平转换为 RS 232 电平, 本设计采用 M AX232 芯片来完 成电平转换[ 4, 7] , 其电路如图 7 所示。
逐点信号分析对接收到的每一个数据点进行分析 , 并可同时输出分析结果 , 然后转入下一个数据点的 分 析, 这样可以达到实时分析的效果。在虚拟实验过 程 中, 如需改变实验参数 , 只需在框图中修改对应的参数 值即可。另外 , 采用虚拟仪器进行实验 , 学生可以随意 地改变实验条件, 观察实验结果 , 从而使学生看到在传 统实验条件下观测不到的结果, 促使学生在实验的过程 中加深对知识的理解。 3 结 语