虛擬儀器的教學(xué)及實(shí)訓(xùn)裝置

1、    虛擬儀器的教學(xué)及實(shí)訓(xùn)裝置        薛冬璇 時(shí)間:2008年03月19日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>采集卡<"cblue" " target='_blank'

2、>測(cè)量與控制<"cblue" " target='_blank'>I/O<"cblue" " target='_blank'>多功能數(shù)據(jù)采集卡<"cblue" " target='_blank'>頻率計(jì)            應(yīng)用領(lǐng)域： 大學(xué)教育 使用的產(chǎn)品： NI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品NI USB-6009

3、?軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)：NI LabVIEW 8.2學(xué)生版和NI LabVIEW SignalExpress限量版軟件?挑戰(zhàn)：?目前，公知的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)是由<"cblue" " title="采集卡">采集卡、基本電路、擴(kuò)展模塊組合而成。一般結(jié)構(gòu)為板式、箱式，結(jié)構(gòu)單一，使用者對(duì)虛擬儀器系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，只局限于對(duì)軟件系統(tǒng)和基本電路的普通知識(shí)面，難于達(dá)到對(duì)虛擬儀器系統(tǒng)綜合應(yīng)用的目的。?應(yīng)用方案： ?為了解決現(xiàn)有的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方面和二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域的不足，本方案提供了一種虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的形式，該實(shí)訓(xùn)臺(tái)不僅能應(yīng)用于對(duì)虛擬儀器采集系

4、統(tǒng)的了解、NI LabVIEW軟件的使用、基本硬件電路的認(rèn)識(shí)，而且能讓使用者把虛擬儀器系統(tǒng)核心、外圍接口、儀器儀表、控制對(duì)象進(jìn)行綜合應(yīng)用，從而解決了虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)與具體使用方向無(wú)關(guān)聯(lián)的難點(diǎn)。?介紹： ?系統(tǒng)介紹分四個(gè)部分：1、系統(tǒng)簡(jiǎn)介；2、系統(tǒng)組成；3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；4、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?1、系統(tǒng)簡(jiǎn)介：?本裝置是一種訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于虛擬儀器技術(shù)與測(cè)控技術(shù)認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的實(shí)訓(xùn)設(shè)備（型號(hào)：QK-Lab）。由工作臺(tái)、實(shí)驗(yàn)主控臺(tái)及美國(guó)NI公司<"cblue" " title="多功能數(shù)據(jù)采集卡">多功能數(shù)據(jù)采集卡組成。?其中1、工作臺(tái)長(zhǎng)1600mm/

5、寬700mm/高750mm鋼木結(jié)構(gòu)，放置實(shí)驗(yàn)主控臺(tái)和計(jì)算機(jī)主機(jī)；?2、主控臺(tái)包含儀器儀表和控制對(duì)象，所有控制對(duì)象和傳感器均采用實(shí)物模塊；?3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為NI USB-6009多功能采集卡，配合顯示儀表和控制對(duì)象，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理。?2、系統(tǒng)組成：?主控制臺(tái)由三大單元組成?第一單元NI USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡；?第二單元 儀器儀表；?第三單元 控制面板；?3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：?（1）第一單元：NI USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡?A功能: ?8路模擬輸入通道, 14位分辨率, 12條數(shù)字<"cblue" " title="I/O"

6、;>I/O線, 2路模擬輸出通道, 1個(gè)計(jì)數(shù)器;方便而易于攜帶的USB總線供電型設(shè)計(jì);可用于Windows、Mac OS X、Linux和Pocket PC的驅(qū)動(dòng)軟件,NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件和NI LabVIEW SignalExpress交互式數(shù)據(jù)記錄軟件。?B特點(diǎn):?NI USB-6009具有基本的數(shù)據(jù)采集功能，其應(yīng)用范圍包括簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)記錄、便攜式測(cè)量和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。為移動(dòng)應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用專門設(shè)計(jì)，其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時(shí)間，同時(shí)它能直接與螺絲端子相連，從而降低了成本并簡(jiǎn)化了信號(hào)的連接。USB 總線供電使用戶不再需要攜帶多余的外部電源。高速USB

7、 的使用便捷，可處理各種應(yīng)用程序包括自動(dòng)化測(cè)試、過(guò)程控制和傳感器測(cè)量等。?C優(yōu)勢(shì):?該產(chǎn)品價(jià)位適于學(xué)生購(gòu)買且其強(qiáng)大的功能足以用于更為復(fù)雜的測(cè)量應(yīng)用。學(xué)生在上課時(shí)利用實(shí)訓(xùn)臺(tái)上的NI USB-6009采集卡進(jìn)行學(xué)習(xí), 課后也可利用自行購(gòu)買的USB-6009學(xué)生套件，為仿真、測(cè)試和自動(dòng)化的理論性課程補(bǔ)充了實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，真正做到學(xué)以致用。?（2）第二單元：儀器儀表? ?A功能：?1、函數(shù)信號(hào)源：器件采用集成函數(shù)發(fā)生器XR8038,可輸出正弦波、三角波、方波和鋸齒波等四種不同的波形。同時(shí)采用LF353進(jìn)行信號(hào)濾波和整形。?幅值：正弦波：03.3V（3.3V為峰峰值，且正負(fù)對(duì)稱）?三角波：03.3

8、V（3.3V為峰峰值，且正負(fù)對(duì)稱）?鋸齒波：03.3V（3.3V為峰峰值，且正負(fù)對(duì)稱）?方波：03.3V（3.3V為峰峰值，且正負(fù)對(duì)稱） ?頻率范圍：分四檔2Hz20Hz、20Hz200Hz、200Hz2KHz、2KHz20KHz。?2、固定脈沖發(fā)生器：器件采用Xilinx公司的XC95XL。共提供10組固定頻率方波信號(hào)輸出，分別是1Hz、10Hz、100Hz、1KHz、10KHz、100KHz、500KHz、1MHz、5MHz、10MHz，幅值為3.3V。?3、可調(diào)直流源： 器件采用工業(yè)級(jí)正負(fù)可調(diào)三端穩(wěn)壓LM317T，提供010V直流電壓連續(xù)可調(diào)。?4、<"cblue&quo

9、t; " title="頻率計(jì)">頻率計(jì)： 器件采用Altera MAXII EPM1270CPLD芯片。提供10MHz數(shù)字頻率計(jì)，除能測(cè)量本系統(tǒng)的信號(hào)頻率，還可測(cè)量系統(tǒng)外的信號(hào)頻率，是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的頻率計(jì)。?5、數(shù)字電壓表：3位半數(shù)字顯示電壓表，測(cè)量范圍在19.99V19.99V。?B特點(diǎn)：?所有的儀器儀表提供的端口形式分為輸入端口和輸出端口。?1、輸入端口：函數(shù)信號(hào)源的輸出端與AD采樣的輸入端(AD0-AD7)連接，使用者可在NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，用虛擬儀器來(lái)采集真實(shí)的信號(hào)，同時(shí)也可開(kāi)展數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任

10、意波形信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字電壓表等的設(shè)計(jì)。使用上述在LabVIEW下設(shè)計(jì)的多種虛擬儀器，還可對(duì)平臺(tái)上的固定脈沖發(fā)生器和可調(diào)直流源進(jìn)行測(cè)量。?2、輸出端口：頻率計(jì)的輸入端與DA采樣的輸出端(DA0-DA1)連接，使用者可在NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行函數(shù)信號(hào)源的設(shè)計(jì)，用真實(shí)儀器來(lái)采集虛擬的信號(hào)， 同時(shí)也可開(kāi)展固定脈沖發(fā)生器、可調(diào)直流源等的設(shè)計(jì)。使用上述在LabVIEW下設(shè)計(jì)的多種虛擬儀器,還可用平臺(tái)上的發(fā)光管和數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量。?3、信號(hào)處理：對(duì)在輸入端口中采集的信號(hào)生成TDMS文件保存，在AD采集與分析實(shí)驗(yàn)中還原，并能與輸出端口的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和分析?C優(yōu)勢(shì)：?通過(guò)對(duì)AD中

11、采集的信號(hào)和DA中采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并對(duì)其還原和分析，還可利用NI LabVIEW系統(tǒng)中的元器件庫(kù)構(gòu)建數(shù)字電路和模擬電路，達(dá)到用較小成本完成儀器儀表的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的目的. ?（3）第三單元：控制面板?A功能：?1、步進(jìn)電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)：采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，連接三相四拍步進(jìn)電機(jī)。?2、直流電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)及速度的測(cè)量：直流電機(jī)的光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，輸入信號(hào)為3.3V的PWM脈沖，脈沖經(jīng)過(guò)光耦隔離，采用H橋電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和速度控制，具有正交編碼測(cè)速電路，留有接口用于測(cè)量，信號(hào)幅值為3.3V。?3、繼電器控制：電路采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)直流12V繼電器，輸出節(jié)點(diǎn)可控制220V/2A、125V

12、/12A交流負(fù)載。系統(tǒng)用指示燈作為顯示，繼電器的控制輸入點(diǎn)留出便于插孔連接。?4、PWM輸出濾波：電路在固定PWM輸出時(shí)可以實(shí)驗(yàn)D/A功能；電路提供RC濾波電路實(shí)現(xiàn)SPWM波的低通濾波。?5、溫度測(cè)量及控制電路： 器件采用18B20數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍從-55°C至+125°C。?6、數(shù)字I/O實(shí)驗(yàn)：模擬交通信號(hào)燈的定時(shí)轉(zhuǎn)換過(guò)程，設(shè)計(jì)紅黃綠三個(gè)燈，顯示時(shí)間長(zhǎng)度可以即時(shí)調(diào)節(jié)，倒計(jì)時(shí)由數(shù)碼管顯示，并能用軟件控制和仿真全過(guò)程。?7、發(fā)光二極管陣列電路：提供8路發(fā)光二極管，可用于采集卡I/O口的電平顯示，也可用于頻率顯示。?8、鍵盤響應(yīng)控制：電路采用17鍵矩陣式鍵盤， 采集開(kāi)關(guān)

13、量，有鍵按下后采集到信號(hào)，同時(shí)有相應(yīng)的發(fā)光管顯示，也可用數(shù)碼管顯示相應(yīng)的鍵盤鍵值。?9、語(yǔ)音錄放電路：器件采用LM386音頻集成功率<"innerlink" " title="放大器">放大器?？稍O(shè)計(jì)為錄音機(jī)和收音機(jī)。完成語(yǔ)音錄放功能，通過(guò)A/D和D/A完成語(yǔ)音信號(hào)的采集與輸出，控制引腳和線路線留出便于與控制信號(hào)相連。模塊電路中有語(yǔ)音錄入設(shè)備麥克風(fēng)、語(yǔ)音輸出，線路輸入線路輸出，錄放音方式采用程序控制。?10、A/D采樣：提供8路模擬輸入通道, 14位分辨率,可進(jìn)行8路信號(hào)處理。?11、D/A輸出：提供2路模擬輸出通道, 14位分辨率

14、,可進(jìn)行2路信號(hào)處理。?12、按鍵開(kāi)關(guān)：提供4個(gè)自鎖帶燈按鍵,4個(gè)非自鎖帶燈按鍵。?13、CAN總線通信：電路具有CAN總線驅(qū)動(dòng),通過(guò)CAN總線與外部CAN總線設(shè)備通信。?14、RS485總線通信：器件采用MAX485ESA。實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信功能，提供485-232的轉(zhuǎn)換器?15、RS232總線通信：器件采用MAX232。實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信功能。?16、以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議接口：器件采用RTL8019AS,符合IEEE802.3建議,比特率10M,組成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信教學(xué)功能。?B特點(diǎn)：?所有控制對(duì)象和傳感器均采用實(shí)物模塊?C優(yōu)勢(shì)：?通過(guò)NI USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡對(duì)控

15、制對(duì)象的<"cblue" " title="測(cè)量與控制">測(cè)量與控制，控制對(duì)象的輸入輸出端口既是測(cè)量口又是控制口。利用系統(tǒng)靈活的結(jié)構(gòu)，既可在NI LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)及運(yùn)行，也可利用儀器儀表進(jìn)行跟蹤測(cè)量，達(dá)到本裝置的功能最大化。? ?4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：?提供Express VI源代碼同時(shí)學(xué)習(xí)面板設(shè)計(jì)和Labview的編程。?1、NI LabVIEW入門實(shí)驗(yàn)?2、數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用?3、頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用?4、 頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用?5、邏輯分析儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用?6、任意波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用?7、數(shù)字多用表的設(shè)計(jì)與應(yīng)

16、用?8、電壓測(cè)量與分析實(shí)驗(yàn)?9、全功能動(dòng)態(tài)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的測(cè)量與控制?10、固定脈沖發(fā)生器的測(cè)量與控制；?11、開(kāi)關(guān)量信號(hào)的測(cè)量與控制?12、交通信號(hào)燈的模擬與控制?13、繼電器測(cè)量與控制?14、溫度的測(cè)量與控制?15、模擬信號(hào)測(cè)量端口?16、數(shù)字信號(hào)測(cè)量端口?17、數(shù)碼管顯示?18、鍵盤響應(yīng)控制?19、PWM控制模塊?20、模擬電路模塊?21、數(shù)字電路模塊?22、語(yǔ)音錄放模塊?23、音頻濾波實(shí)驗(yàn)?24、音頻的輸入與輸出實(shí)驗(yàn)?25、A/D采樣?26、D/A實(shí)驗(yàn)?27、數(shù)字I/O實(shí)驗(yàn)：控制交通燈、自動(dòng)或手動(dòng)點(diǎn)亮交通燈?28、直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)：通過(guò)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速控制直流電機(jī)?29、步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)：

17、通過(guò)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速控制步進(jìn)電機(jī)?30、異步串口通訊實(shí)驗(yàn)：雙系統(tǒng)上的異步串口間進(jìn)行通信?31、同步串口實(shí)驗(yàn)：雙系統(tǒng)上的同步串口間進(jìn)行通信?32、人機(jī)接口實(shí)驗(yàn)：編寫鍵盤掃描和顯示驅(qū)動(dòng)程序并顯示按鍵值?33、定時(shí)器控制實(shí)驗(yàn)：設(shè)置當(dāng)前時(shí)間、將時(shí)間顯示在<"innerlink" " title="LED">LED上?34、CAN總線接口?35、RS485接口?36、RS232接口?37、以太網(wǎng)接口?總結(jié)：?目前市場(chǎng)中的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)品的情況有以下幾種：?1、使用NI LabVIEW環(huán)境但是采用的是非NI的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備，可能的結(jié)果

18、是造成驅(qū)動(dòng)兼容性等問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用上的高指標(biāo)低性能。?2、不提供真正的儀器儀表或可供用戶使用的儀器較少，用戶還需同時(shí)提供測(cè)量?jī)x器儀表，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)使用設(shè)備資源的緊張。?3、采集卡性能較強(qiáng)但是控制對(duì)象和測(cè)量端口不足，局限了學(xué)生對(duì)測(cè)量和控制的相互關(guān)系的理解。?4、只強(qiáng)調(diào)NI LabVIEW面板控件和虛擬儀器的設(shè)計(jì)，不能把采集卡的硬件特點(diǎn)和功能完整的體現(xiàn)在教與學(xué)的過(guò)程中。制約了學(xué)生對(duì)虛擬儀器設(shè)計(jì)的真正意義的認(rèn)識(shí)。?我公司于2007年初接受用戶的生產(chǎn)要求，即與北京中科泛華測(cè)控技術(shù)有限公司DAQ事業(yè)部的黃歡銷售代表進(jìn)行了設(shè)備選擇方案的論證，黃歡銷售代表即時(shí)提供了積極有效的產(chǎn)品信息，包括具體的方案。同時(shí)我們

19、也根據(jù)用戶的實(shí)際指標(biāo)和應(yīng)用條件，及考慮以后產(chǎn)品市場(chǎng)化以后的成本，對(duì)數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備的其他供應(yīng)商及其產(chǎn)品進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，綜合比較后選擇了NI USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)量共34臺(tái)。?我們的選擇理由如下：?1、系統(tǒng)的集成化是當(dāng)今工控領(lǐng)域的發(fā)展方向，也是本裝置的設(shè)計(jì)初衷的應(yīng)用要求。NI USB-6009采集卡真正具有多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備的功能。具有8路模擬輸入通道, 14位分辨率, 12條數(shù)字I/O線, 2路模擬輸出通道, 1個(gè)計(jì)數(shù)器;方便而易于攜帶的USB總線供電型設(shè)計(jì);相比其他廠家的產(chǎn)品集成度和便攜性等方面更具優(yōu)勢(shì)。?2、NI USB-6009采集卡采用螺旋接線端子，可直接在數(shù)字輸入輸出接口連接發(fā)光二極管、連接器、中繼線和其他數(shù)字輸入輸出器件。實(shí)驗(yàn)方式簡(jiǎn)便、直觀、可靠。?3、N