基于LabVIEW的实验教学系统的设计
1．绪 论
1. 1课题背景
在电工及电子类课程中，实验是一种重要的教学手段，学生通过做实验， 可以加深对所学知识的理解，增强学习的兴趣，提高动手能力，锻炼在实践中 发现问题、分析问题和解决问题的能力。
但是，近年来各大高校纷纷扩招，学生人数急剧增加，实验室的设备和规 模都难以满足需要，实验室常规设备有的己经老化，有的技术上有些落后，在 当前学校经费较少的情况下，如果大量增加常规仪器、仪表的配置，学校财力 难以支付。又因为基础实验室是面向所有的工科专业，任务异常繁重，实验 室常常只能应付学生按教学大纲要求做一些最简单的验证实验，学生很少有机 会去反复熟悉常用仪器仪表的使用，更很少有机会做设计性实验，这对调动学 生积极性，培养创新精神，加强实践动手能力都十分不利。
虚拟仪器的出现很好的解决了这个问题。美国国家仪器公司（National Instruments）在20世纪80年代最早提出虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念，同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包LabVIEW。NI公司宣称“The Software is the Instrument”，即“软件就是仪器”[1]。虚拟仪器利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，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高档低价的新型仪器。虚拟仪器是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式。它通常是由个人计算机、模块化的功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件有机结合构成，使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化测量平台。它利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，完成对数据的处理、表达、传送、存储、显示等功能。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响，同时对改善高校实验教学仪器设备，提高教学质量也是一个福音。在虚拟仪器系统中，用计算机灵活强大的软件代替传统仪器的某些部件，用人的智力资源代替许多物质资源，通过一组软件和硬件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所不具备的特殊功能的新型仪器
结合数据库技术和软件技术，可以在虚拟仪器的基础上形成虚拟仪器实验
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室。与传统的实验室相比，虚拟仪器实验室具有以下优势:
（1）为减少实验设备资金的投入。首先，在一台计算机上就可以实现诸如示波器、函数发生器、电压表、频谱分析仪等仪器的功能，大大节约了仪器成本。 其次，传统仪器维护费用高，需要耗费大量的人力物力。虚拟仪器基于软件的体 系结构大大节省了开发和维护费用。
（2）便于开放式管理，扩大教学规模。虚拟仪器实验室系统可以通过网络 进行数据传送，指导老师通过计算机监控实验过程，可以同时管理几十甚至上 百个学生做实验。
1.2虚拟仪器发展前景
虚拟仪器依靠其自身的优势使它在仪器市场的竞争力不断增强。许多大型仪器公司均在虚拟仪器市场上占有一席之地。1988年国际上开始有虚拟仪器产品面市，当时只有五家制造商推出的30种产品。此后，虚拟仪器产品每年成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿的4%。
目前，我国正处于科学技术和教育事业蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强劲。虚拟仪器赖以生存的PC计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发展奠定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。据统计，1998年我国进口电子测量仪器73.5台，价值32亿美元。据专家预测，到本世纪初我国将有50%的仪器为虚拟仪器。
以上统计数字表明，虚拟仪器具有广阔的发展前景。但同时也应认识到，现在我国的科技水平还相对落后，每年需要花费大量的外汇进口电子仪器产品。如何发展我国自己的仪器产品，尤其是具有广阔发展前景的虚拟仪器，是我们应该迫切解决的问题。
2．虚拟仪器及LabVIEW介绍
2.1虚拟仪器技术
2.1.1虚拟仪器基本概念
所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟
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仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用1/O接口设备完成信号的采集测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用专 用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。
虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义: (1)虚拟仪器的面板是虚拟的
虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的:由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断’， 实现被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，以及实现测量结果的 “数值显示”、“波形显示”等。
传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的:虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通’、“断”、 “放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前 面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。
<2)虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。 虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现 仪器的功能。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能， 所以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术 与计算机深层次的结合。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术实现和扩展传统仪器的功能。软件是虚拟仪器的关键，当硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。下列框图反映了常见虚拟仪器方案：
被 测 对 象 信 号 调 理 数 据 采 集 卡 数 据 处 理 虚 拟 仪 器 面 板 图2-1 常见虚拟仪器应用方案
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2.1.2虚拟仪器硬件平台
构成虚拟仪器的硬件平台有两大部分：
(1) 计算机：一般为一台PC机或者工作站，它是硬件平台的核心。虚拟仪器使用的个人计算机中，微处理器和总线成为最重要的因素。
其中，微处理器的发展是最迅速的，它使虚拟仪器的能力得到极大地提高。80年代末制造的虚拟仪器频率分析仪完成一个1024点的快速傅立叶变换需要1秒钟的时间；今天的系统可以在1毫秒内完成同样的运算，速度提高了一千倍。这意味着，如果以前人们是用虚拟仪器来做快速傅立叶变换观察信号，那么今天可以利用它进行高速的实时运算，并将之应用于过程控制和其它控制系统中。
总线技术的发展也为提高虚拟仪器的处理能力提供了必要的支持。PCI总线性能比ISA总线提高了近十倍，使得微处理器能够更快地访问数据。使用ISA总线时，插在电脑中的数据采集板的采集速度最高为2MBps；使用PCI总线时，最高采集速度可提高到132MBps。由于总线速度的大大提高，现在可以同时使用数块数据采集板，甚至图象数据采集也可以和数据采集结合在一起。
(2) I/O接口设备：主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换。
可根据不同情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口仪器等，虚拟仪器构成方式有五种类型，如图2-2框图所示。LabVIEW提供了各种图形化驱动程序，使用者不必熟悉PCI计算机总线、GPIB总线、VXI总线、串口总线，利用LabVIEW提供的图形化驱动程序就可以驱动上述各种总线的I/O接口设备，实现对被测信号的输入、数据采集、放大与模/数转换，进而供计算机进一步分析处理。虽然这五种系统有很大的差别，但是无论那种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。
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PC—DAQ GPIB仪器 被测信号 串口仪器 计算机 VXI模块 PXI模块 图2-2虚拟仪器的构成方式
考虑到PC—DAQ/PCI插卡式虚拟仪器在五种虚拟仪器系统中，是虚拟仪器最基本最廉价的构成形式。在经费不足或时间不充裕的情况下经常被采用，下面就对这种虚拟仪器系统做简单的介绍。
它的硬件平台主要有PC计算机和数据采集卡（DAQ卡）组成。 数据采集卡（DAQ卡）由以下几个部分组成：
1. 多路开关。将各路信号轮流切换的放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。
2. 放大器。将前一级多路开关切换进入待采集信号放大（或衰减）至采样环节的量程范围内。通常实际系统中放大器作成增益可调的放大器，设计者可根据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。
3. 采样保持器。取出待测信号在某一瞬时的值（即实现信号的时间离散化），并在A/D转换过程中保持信号不变，如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样/保持器。
4. A/D转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，目前通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。
以上四个部分都处在计算机的前向通道，是组成数据采集卡的主要环节，与其它有关电路如定时/计数器、总线接口电路等集成在一块印刷电路板上，即构
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