第2节 应用方案
应用方案：
运用NI公司基于PXI总线技术的模块化仪器，配合使用LabVIEW软件，通过软硬件结合，学生直接参与了外部元器件的选择，并依据自己设计的电路图连线，从而深入地理解了实验电路的基本原理；易学易用的LabVIEW图形化开发软件带有大量的内置功能，能够完成数据采集、测量分析和图形显示等，可靠性高。与传统电路教学仪器相比，使用NI公司高性能的产品，大大提高了教学质量。
正文：
前言：
虚拟仪器是美国NI公司提供的虚拟仪器开发平台，同时也是一种功能强大的编程语言。与传统的文本编程语言不同，它采用了一种基于流程图的图形化编程方式, 因此也被称为G语言。它带有大量的内置功能，能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测试测量等功能。虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术，它是在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需求构建起的形形色色的测量系统。虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限，可以将许多信号处理的方法方便地应用于测量中，为自动化测量创造了条件。虚拟仪器技术可以同时完成数据采集、分析和显示等任务，所以大家只需在单一的环境上便可以开发出一套完整的应用解决方案。
基于虚拟仪器技术，使用LabVIEW软件，我们开发出了一个应用于教学的电路教学系统（如图一）。
运用NI公司基于PXI总线技术的模块化仪器，配合使用LabVIEW软件，通过软硬件结合，学生直接参与了外部元器件的选择，并依据自己设计的电路图连线，从而深入地理解了实验电路的基本原理；易学易用的LabVIEW图形化开发软件带有大量的内置功能，能够完成数据采集、测量分析和图形显示等，可靠性高。与传统电路教学仪器相比，使用NI公司高性能的产品，大大提高了教学质量。
正文：
前言：
虚拟仪器是美国NI公司提供的虚拟仪器开发平台，同时也是一种功能强大的编程语言。与传统的文本编程语言不同，它采用了一种基于流程图的图形化编程方式, 因此也被称为G语言。它带有大量的内置功能，能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测试测量等功能。虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术，它是在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需求构建起的形形色色的测量系统。虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限，可以将许多信号处理的方法方便地应用于测量中，为自动化测量创造了条件。虚拟仪器技术可以同时完成数据采集、分析和显示等任务，所以大家只需在单一的环境上便可以开发出一套完整的应用解决方案。
基于虚拟仪器技术，使用LabVIEW软件，我们开发出了一个应用于教学的电路教学系统（如图一）。
与传统电路教学仪器相比，本系统具有很多优势。首先，随着现代教学方法的改革，许多教学手段越来越离不开计算机的参与，依托计算机的高效性，计算机辅助教学已经成为当今教学领域的主流，本系统就是为了适应教学的需要而设计出的模块，这样就摆脱了传统教学低效的劣势，促进了教学事业的发展；其次，传统电路教学仪器可扩展性差，各种电路元件不能重复利用，本系统基于LabVIEW编程，各种电路原理的实现功能完全由学生自己定义，扩展能力强，避免了教学仪器的再购买，节省了教学成本，虚拟实验室成为了真正的“绿色实验室”。学生通过使用这种基于计算机的测试测量系统，不但可以加深对电路基本理论知识的理解，同时又激发了他们的学习兴趣，提高了动手能力。
一、教学系统构成特性：
1． 微分电路过渡过程测量模块：
为了使学生能够对延迟电路有一个根本的认识，我们在外电路串联了一个电阻和一个电容，用PXI-5401信号发生器提供阶跃信号，用PXI-5102测量电阻两端的瞬态电压，这就是通常大家所说的微分电路过渡过程的测量。根据理论，只要微分电路的时间常数τ=RC很小（R、C分别是串联电路中电阻和电容的大小），一般认为，经过3～5τ后，过渡过程就可以完成。使用PXI-5102驱动的底层API函数，基于流程图原理，分别引出源名、通道名、采样率、记录点数、历史参考位置、触发电压大小和触发电压类型等控件，以便于我们根据外部不同大小的元件灵活的加以配置，我们得到图二所示的过渡过程曲线，
1． 微分电路过渡过程测量模块：
为了使学生能够对延迟电路有一个根本的认识，我们在外电路串联了一个电阻和一个电容，用PXI-5401信号发生器提供阶跃信号，用PXI-5102测量电阻两端的瞬态电压，这就是通常大家所说的微分电路过渡过程的测量。根据理论，只要微分电路的时间常数τ=RC很小（R、C分别是串联电路中电阻和电容的大小），一般认为，经过3～5τ后，过渡过程就可以完成。使用PXI-5102驱动的底层API函数，基于流程图原理，分别引出源名、通道名、采样率、记录点数、历史参考位置、触发电压大小和触发电压类型等控件，以便于我们根据外部不同大小的元件灵活的加以配置，我们得到图二所示的过渡过程曲线，
通过图中参数可以看出，它与理论预测完全吻合。本实验能够得以顺利实现与NI公司的PXI-5401的高灵敏度是密不可分的。
2． 电机转速控制与测量模块:
使用NI公司的PXI-5401信号发生器为电动机提供可控电源，利用红外发射接收管，通过PXI-5102示波器卡采集脉冲信号，结合LabVIEW函数运算，便可以得到实时的脉冲图形和转速示数。外电路为一个红外发射接收管（分为发射部分和接收部分），另外从PXI-5401的输出端口引出电源线到电动机上，并在电动机的滚轴上固定一个转片，转片上切开一个缺口，把转片放到红外发射接收管中间，这样就可以使红外发射接收管接收部分出现时通时断的周期性循环结果，也就是我们需要的电机的转速。从MAX中找到系统自动为信号发生器和示波器配置好的源名后，在程序框图中设计两个并行的数据流，一个为涉及信号发生器驱动API函数的部分，其中需要局部变量，这样就能使电源实时改变；另一个是采集部分，需要设置通道名、采样率、采样方式、记录长度和触发方式等，其中采样率和记录长度需要协调使用，只有这样才能得到非常精确和直观的结果。从图三我们可以看出，以控制电压为1.21伏为例，电机的转速为6转/秒，上半部分的图形显示更为直观。
使用NI公司的PXI-5401信号发生器为电动机提供可控电源，利用红外发射接收管，通过PXI-5102示波器卡采集脉冲信号，结合LabVIEW函数运算，便可以得到实时的脉冲图形和转速示数。外电路为一个红外发射接收管（分为发射部分和接收部分），另外从PXI-5401的输出端口引出电源线到电动机上，并在电动机的滚轴上固定一个转片，转片上切开一个缺口，把转片放到红外发射接收管中间，这样就可以使红外发射接收管接收部分出现时通时断的周期性循环结果，也就是我们需要的电机的转速。从MAX中找到系统自动为信号发生器和示波器配置好的源名后，在程序框图中设计两个并行的数据流，一个为涉及信号发生器驱动API函数的部分，其中需要局部变量，这样就能使电源实时改变；另一个是采集部分，需要设置通道名、采样率、采样方式、记录长度和触发方式等，其中采样率和记录长度需要协调使用，只有这样才能得到非常精确和直观的结果。从图三我们可以看出，以控制电压为1.21伏为例，电机的转速为6转/秒，上半部分的图形显示更为直观。
3． 二极管伏安特性测量模块：
该课程实验的核心思想是建立一条通过二极管的电流随二极管两端电压变化的关系曲线，它需要我们有综合使用和协调好信号发生器、示波器和数字万用表的能力。我们的设计方法是电压扫描法，外电路是用一个发光二极管串联一个100欧的电阻，用PXI-5401信号发生器提供回路电源，PXI-5102示波器测量发光二极管两端电压，PXI-4070数字万用表用以测量回路中对应的电流。程序中首先确定二极管伏安特性曲线中所要显示的点数，并另外添加一个顺序结构，分别配置信号发生器驱动（NI-FGEN）API函数，示波器驱动（NI-SCOPE）API函数和数字万用表驱动（NI-DMM）API函数。这样就可以确定了扫描起始电压、扫描步长、实时的发光二极管两端电压和流过二极管的电流，经过时间延迟，把采集到的相同时刻的电压和电流整合到一起，便可以得到二极管的伏安特性曲线。图四便是我们在实验中得到的一条二极管伏安特性曲线。
该课程实验的核心思想是建立一条通过二极管的电流随二极管两端电压变化的关系曲线，它需要我们有综合使用和协调好信号发生器、示波器和数字万用表的能力。我们的设计方法是电压扫描法，外电路是用一个发光二极管串联一个100欧的电阻，用PXI-5401信号发生器提供回路电源，PXI-5102示波器测量发光二极管两端电压，PXI-4070数字万用表用以测量回路中对应的电流。程序中首先确定二极管伏安特性曲线中所要显示的点数，并另外添加一个顺序结构，分别配置信号发生器驱动（NI-FGEN）API函数，示波器驱动（NI-SCOPE）API函数和数字万用表驱动（NI-DMM）API函数。这样就可以确定了扫描起始电压、扫描步长、实时的发光二极管两端电压和流过二极管的电流，经过时间延迟，把采集到的相同时刻的电压和电流整合到一起，便可以得到二极管的伏安特性曲线。图四便是我们在实验中得到的一条二极管伏安特性曲线。
当然，这个实验还可以延伸，我们可以用其它的元器件来代替二极管，这样便可以得到它们相应的伏安特性曲线。
4． 温度计模块:
温度计模块的工作原理是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。我们采用铂热电阻PT100进行实验，根据铂热电阻的温度-电阻特性和已知特征温度点的电阻值，便可以建立算法，实现温度的测量。使用PXI-4060数字万用表，按照刚才建立算法的思想，我们就可以实现程序框图的设计，再添加上特殊温度报警点，一个简单的温度计便设计完成了，图五是它运行过程中的一个截图。
温度计模块的工作原理是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。我们采用铂热电阻PT100进行实验，根据铂热电阻的温度-电阻特性和已知特征温度点的电阻值，便可以建立算法，实现温度的测量。使用PXI-4060数字万用表，按照刚才建立算法的思想，我们就可以实现程序框图的设计，再添加上特殊温度报警点，一个简单的温度计便设计完成了，图五是它运行过程中的一个截图。
二、电路教学系统高效性：
在电工及电子类课程中，实验是一种重要的手段，学生通过实验，可以加深对所学知识的理解，增加学习的兴趣，提高动手能力，锻炼在实践中发现问题、分析问题、解决问题的能力。
由于使用LabVIEW来编写界面，本电路教学系统界面简捷明了，各种控件非常形象，可操作性强。在设计和实验中，对于需要的各种功能，LabVIEW里有很多供我们套用的例子程序，同时它还有可调试及Show Error功能，能快速找到错误点供我们修改，因此大大降低了设计时间。该基于虚拟仪器的教学系统具有可扩展性的特点，我们可以在它原有功能的基础上加以改善，轻松提高系统性能，而又不需要购买一整套教学仪器，使得它在不同的实验中可以重复使用，大大降低了教学投入。本电路教学系统摆脱了理论与实践脱离性的弊端，使学生更具有主动性，提高了他们的学习积极性，扩大了他们创造性思维空间，进而能够产生不同的设计思路，这样不但具有创新性，而且提高了教学质量。
在电工及电子类课程中，实验是一种重要的手段，学生通过实验，可以加深对所学知识的理解，增加学习的兴趣，提高动手能力，锻炼在实践中发现问题、分析问题、解决问题的能力。
由于使用LabVIEW来编写界面，本电路教学系统界面简捷明了，各种控件非常形象，可操作性强。在设计和实验中，对于需要的各种功能，LabVIEW里有很多供我们套用的例子程序，同时它还有可调试及Show Error功能，能快速找到错误点供我们修改，因此大大降低了设计时间。该基于虚拟仪器的教学系统具有可扩展性的特点，我们可以在它原有功能的基础上加以改善，轻松提高系统性能，而又不需要购买一整套教学仪器，使得它在不同的实验中可以重复使用，大大降低了教学投入。本电路教学系统摆脱了理论与实践脱离性的弊端，使学生更具有主动性，提高了他们的学习积极性，扩大了他们创造性思维空间，进而能够产生不同的设计思路，这样不但具有创新性，而且提高了教学质量。
总结与展望：
本电路教学系统已经作为我系开设的虚拟仪器课程的设计实验部分投入到了教学当中。实践证明，该实验部分提高了学生的动手能力，引发了他们的学习兴趣，达到了我们课程教学的要求。通过实验，同学们初步体验了PXI总线技术的优势，了解了模块化仪器的高性能，为他们在以后从事测试和测量工作和研究打下基础。实验中给我们留下印象最深的是易学易用的LabVIEW图形化开发软件和PXI-5102较高的采样率，没有它们这么高的技术指标，我们是完成不了教学任务的。在以后的教学实验中，依赖于LabVIEW的可扩展性和NI PXI产品的高性能，我们还会开发出更多的实验模块，来帮助学生更好的掌握电路知识，提高教学质量。
本电路教学系统已经作为我系开设的虚拟仪器课程的设计实验部分投入到了教学当中。实践证明，该实验部分提高了学生的动手能力，引发了他们的学习兴趣，达到了我们课程教学的要求。通过实验，同学们初步体验了PXI总线技术的优势，了解了模块化仪器的高性能，为他们在以后从事测试和测量工作和研究打下基础。实验中给我们留下印象最深的是易学易用的LabVIEW图形化开发软件和PXI-5102较高的采样率，没有它们这么高的技术指标，我们是完成不了教学任务的。在以后的教学实验中，依赖于LabVIEW的可扩展性和NI PXI产品的高性能，我们还会开发出更多的实验模块，来帮助学生更好的掌握电路知识，提高教学质量。
参考文献：
[1] LabVIEW 7 Express User Manual. IRELAND:2003
[2] LabVIEW 7 Express Measure -ments Manual. IRELAND: 2003
[3] 侯国屏. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计. 北京: 清华大学出版社, 2005
[4] LabVIEW7.1欢迎界面
[1] LabVIEW 7 Express User Manual. IRELAND:2003
[2] LabVIEW 7 Express Measure -ments Manual. IRELAND: 2003
[3] 侯国屏. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计. 北京: 清华大学出版社, 2005
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