1、第 1 页 共 40 页基于 LabVIEW 的实验平台设计摘 要物理实验室是院校教学体系的重要组成部分，在培养学生科学素质、实验技能和创新能力方面具有不可替代的作用。随着计算机技术的发展，传统仪器开始转向计算机化。虚拟仪器技术是当今新计算机技术和新仪器技术相结合的产物，是现代测试技术与系统的发展趋势。利用虚拟仪器技术进行物理实验，将有助于传统的实验教学的改革，增强学生的创新能力，提高学生的综合素质。本文探讨了虚拟仪器技术和 LabVIEW 的发展情况及其前景，介绍了当前实验室使用虚拟仪器的情况。本课题将虚拟仪器技术引入应用物理实验室，使虚拟仪器技术与传统实验相结合，分别对归一化频率仿真仪、虚
2、拟仿真信号发生器、自相关函数演示仪、钟摆运动模拟仿真仪进行研究开发，并进行实际的实验测试，得到与实际情况相符的虚拟仪器。通过模块化设计的方法，将所有实验整合到实验平台上。使用者可以通过实验平台方便地登陆，使用实验平台对各个实验进行调用。推广虚拟仪器的应用，无论对加速发展我国自己的电子仪器工业，还是提高我国的测试技术水平都是极其有益的。关键词：LabVIEW 编程，虚拟仪器，综合实验台，实验教学第 2 页 共 40 页Experimental Platform Based on LabVIEWABSTRACTWith the development of computer traditional
3、 instrument has developed into computerize instrument. Virtual Instrument is a perfect combination of modern computer technology instrument technology and other new technology. Its strong function is beyond the instrument itself. Physical lab is important component of teaching system in colleges and
4、 universities and plays the key role in training the students“ scientific characters, experimental skills and creative capabilities. This project has established the example to introduce the virtual instrument technique into traditional practical physical lab. Using virtual instruments in the physic
5、al experiments will help to reform traditional experimental teaching. The virtual physical lab can train the students“ ability to master the scientific and technological knowledge and experimental skill, strengthen the students“ creativity and eventually improve the students“ comprehensive quality.
6、I use modular method and many papers to describe the whole building process，analyze and solve issues which come forth during the design and realization process。As the conclusion, I offer the theories, panels and diagrams of eight virtual instruments, such as virtual sine wave generator, autocorrelat
7、ion function demonstrator, phase difference demonstrator based on phase method, virtual sine wave frequency spectrum analytical instrument, and a example program which used in the practiceThese virtual instruments form the teaching test system。Which can be used in experimental courses, for example,
8、circuit theory, electronic technical basis, signal and system ,automation control theory and soonKeywords: LabVIEW programme, comprehensive experimental platform, experimental teaching第 3 页 共 40 页1 引言1.1 课题研究背景及意义目前国内高等院校机械类专业普遍开设机械工程测试技术课程，该课程的主要内容是机械工程领域常见的各种物理量的测试与分析方法。机械工程测试技术作为一门具有丰富的实践性的课程，它的一
9、个重要教学环节是实验课。工程测试实验教学的目的不仅在于对理论教学的验证，更重要的是训练学生工程测试实际应用能力。但是随着科学的进步和更高的教学要求，传统的测试实验方法已不能满足现在的教学要求。使用传统仪器进行测试实验教学，主要存在以下问题：1）仪器功能单一，传统测控设备一般只能独立完成一项具体的测控任务。2）仪器功能是封闭的，学生难以了解其工作原理，影响对实验内容的理解。3）学生只能按照教师事先设计好的实验方案被动的进行操作，没有体现出学生在实验课中的主体地位。在这种情况下，虚拟仪器技术被引入到测试实验教学中。无论是测量、测试、计量或是工业过程控制和分析处理，还是更为广泛的测控领域，虚拟仪器都
10、是理想的高效率的解决方案。基于计算机的自动化实验室大大提高了研究人员的工作效率并改进了学生的学习方式。与以往注重费时的采集数据的过程不同，现在，老师和同学都可以集中精力分析结果并得出结论；学生们可以将大部分时间花在实验工作的执行上，而非实验系统设备的搭建中。虚拟仪器 传统仪器软件使得开发与维护费用低 开发与维护费用高关键是软件 关键是硬件价格低，可重复用，可重配置性强 价格昂贵用户定义仪器功能 厂商定义仪器功能技术更新周期短（1 至 2 年） 技术更新周期长（5 至 10 年）开放，灵活，与计算机同步发展 封闭、固定与网络及外设互联方便 功能固定、互联有限表 1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较第
11、 4 页 共 40 页图 1-1 虚拟仪器技术虚拟仪器技术是当今新计算机技术和新仪器技术相结合的产物，是现代测试技术与系统的发展趋势。虚拟仪器系统的设计和开发十分便利，在丰富的虚拟仪器软硬件产品的支持下，尤其是在LabVIEW的支持下，组建一个测试系统正在变得越来越容易。1.2 国内外研究现状上个世纪八十年代初，美国国家仪器公司(NATIONAL INSTRUMENTS，简称NI)提出了 “软件就是仪器 ”的口号，将日益普及的计算机技术与仪器仪表技术结合起来，使用户在操作计算机时，如同在操作自己定义的仪器，方便灵活，不仅精简了单个传统仪器的成本，更是提高了用户的工作效率。现在，NI公司开发的软
12、件平台已经成为了虚拟仪器软件技术事实上的标准。NI公司的软件工具由测量驱动程序和仪器驱动软件、高阶测试与数据管理工具和应用开发环境( 如LabVIEW ， LabWindows/CVI和Measurement Studio)三部分共同组成。近年来，虚拟仪器因其强大的性能价格比优势得到了广泛的应用。虚拟仪器第 5 页 共 40 页的发展主要取决于三个重要因素：计算机的发展是动力，软件是主宰，高性能的A/D采集卡及调理放大器与传感器是关键。随着微电子技术、计算机软硬件技术、通信技术和网络技术的飞速发展，虚拟仪器技术日新月异。虚拟仪器虽然是新兴的仪器仪表技术，但因为其区别于传统仪器的突出优点，并且由
13、于在昂贵的精密高档仪器方面国内主要依靠进口，因此虚拟仪器已经在国内各个领域得到了越来越广泛的应用。虚拟仪器在发达国家中设计、生产、使用已经十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，已成为各大学理工科学生的一门必修课程。清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统，成功用于汽车发动机出厂前的自动检测。清华大学基于CompactPCI/PXI技术建设的实验室热工水利学测控平台，研制成功了先进的热工测量技术和热工仿真技术，成功地完成了海水淡化等重要课题研究。北京航空航天大学完成了航空发动机压气机管道声模态及非定长特性测量的数据采集和分析课题。国防科技大学基于LabVIEW的分布式VXI仪器教
14、学实验系统的研制为VXI仪器广泛进入大学实验室创造了条件。重庆大学开发了虚拟实时噪声倍频程分析仪，实现了对噪声总声压级、各种计权声压级及相应倍频程的实时测量和分析。唐山大学基于CompactPCI/PXI研制的锅炉供热自动控制系统，成功地应用在唐山市热力总公司项目上。天津大学研制的原油管道泄漏远程监测系统，在胜利油田和华东石油管理局集输管线和长输管线得到应用。虚拟仪器技术经过近二十年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、软硬件的模块化，以及编程平台的图形化和硬件模块的即插即用(Plug虚拟仪器作为一种新型的仪器种类2、实现网络化设计； 3、开放式体系结构、缩短系统开发周期；4、可灵活组成虚拟仪
15、器实验室；5、数据存储方便；6、可集成为多功能的综合测试系统。2.4 虚拟仪器在大学实验教学中的应用现在，各大高校实验室都有相当数量的计算机，这就为建立虚拟实验室提供了一定的硬件基础。只要购买一定的硬件接口和一些相应的软件就可以构成足够数量的虚拟仪器供学生使用。虚拟实验室一般由虚拟仪器软件、计算机网络、输入设备和输出设备组成。虚拟仪器的出现给新模式实验室的建设带来了新的契机。首先，虚拟仪器扩展了常规仪器的功能。传统测试仪器一般只能单独测量某个电量，如电压表只能测量电压，而虚拟仪器可以构成电压表，也可以构成示波器，而且它所构造出的仪器之间具备控制通道和数据通道，可以完成对多个参量的自动分析、信息
16、综合及控制等。其次，虚拟仪器比标准仪器更灵活更经济。标准实验室各专业间的仪器一般不能共享，这样一来仪器的需求量就非常大; 同时，仪器使用数年后，其灵敏度和精度也会大大下降; 还有在实验过程中的仪器损耗等。这些原因使得各高校每年都得花上大量的人力财力去维护和更新实验仪器。而虚拟仪器的出现，实现了“软件即仪器”，它不仅使测试仪器具备了自动化程度高、可靠性高、价格低、升级容易、可维护性好的优点，而且对于复杂的测试系统，它良好的人机界面、菜单式操作，简化了仪器操作。2.5 本章小结本章主要对虚拟仪器做了多方面的介绍。通过学习和了解虚拟仪器的特点可知虚拟仪器的使用对高校虚拟实验室的建立有很大的帮助。随着
17、现代教育技术的不断发展，虚拟仪器技术与课堂教学的结合不仅是教学手段现代化的一种体现，而且为现代教育的教学改革提供了一个新的突破。虚拟实验技术进入高校教学，将有助于解决实际设备不足、型号落后、难以更新换代第 10 页 共 40 页跟上科技发展的困难。但由于虚拟实验室是对实际实验室的一种模拟，而虚拟仪器是一种基于软件的模拟技术，因此与实际硬件系统必然存在差异，在实践教学中具有一定的局限性。虚拟仪器的开发平台中，NI 公司的 LabVIEW 以其灵活、紧凑、功能强和图形编程方式使系统软件开发更省时、更省力，该软件作为一个比较完整和性能优异的图形化软件开发环境，被越来越多的工科大学作为课堂和实验室教学内容，作为工程师素质培养的一个方面。下面将对 LabVIEW 软件作详细的介绍。
