多功能虛擬示波器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與課程教學(xué)改革的思考

鄧耀華 湯秀春 吳黎明

廣東工業(yè)大學(xué) 廣東廣州 510006

多功能虛擬示波器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與課程教學(xué)改革的思考

鄧耀華 湯秀春 吳黎明

廣東工業(yè)大學(xué) 廣東廣州 510006

示波器是在教學(xué)和科研中分析、比較信號(hào)的綜合性儀器，本文首先對(duì)高等院校教學(xué)中示波器的使用情況進(jìn)行分析,提出使用虛擬示波器進(jìn)行相關(guān)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的思路,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種新型的具有多通道和網(wǎng)絡(luò)等多功能虛擬示波器實(shí)驗(yàn)平臺(tái),介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)過程,重點(diǎn)論述了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)用測(cè)試表明，使用該虛擬示波器既可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)示波器的功能,同時(shí)利用其網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的多機(jī)使用,方便教學(xué)實(shí)踐,極大提高了教學(xué)效果。

實(shí)踐教學(xué)；虛擬示波器；LabVIEW虛擬軟件；思維創(chuàng)新

示波器是電子信息，通信等課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要工具。隨著技術(shù)的發(fā)展，示波器的功能越來越多，這無疑給教學(xué)帶來了方便。但是，示波器功能越多，其操作變得復(fù)雜。一方面，教師在介紹示波器使用的時(shí)候，只能對(duì)著示波器操作，不能進(jìn)行數(shù)字多媒體教學(xué)，教學(xué)效果差；另一方面，由于示波器操作單一，屏幕不能多界面顯示，使得示波器的操作變得復(fù)雜，學(xué)生做完幾個(gè)實(shí)驗(yàn)以后還會(huì)出現(xiàn)不懂得如何操作示波器某些功能的現(xiàn)象。近年來，使用示波器學(xué)生的人數(shù)不斷增加，現(xiàn)有示波器數(shù)量和教學(xué)方式已經(jīng)不能滿足要求。針對(duì)以上情況,為了改進(jìn)教學(xué)效果,我們提出了采用虛擬示波器進(jìn)行教學(xué)的思路，采用虛擬軟件LabVIEW結(jié)合硬件數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)新型的具有網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能的圖形化多功能虛擬示波器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

一、多功能虛擬示波器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

新型多功能虛擬示波器是一種分析和比較信號(hào)的綜合性儀器，虛擬示波器運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上，它的主要功能是精確復(fù)現(xiàn)作為時(shí)間函數(shù)的電壓波形，顯示的波形用來確定數(shù)量的信息(如幅度、頻率)，也可用來獲得其質(zhì)量的信息(如波形)；還可用來比較兩個(gè)不同的波形，并測(cè)量它們的時(shí)間和相位關(guān)系。

1.虛擬示波器功能要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)

新型虛擬示波器的主要功能包括：3種通道信號(hào)輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基調(diào)整控制、幅度調(diào)整控制、波形顯示、參數(shù)自動(dòng)測(cè)量等?；拘阅苋缦拢簲?shù)據(jù)采樣速率為200KSPS(千次采樣每秒)，分辨率為12bit；波形顯示模式為通道A或B或A&B；電壓參數(shù)測(cè)量為Vrms和Vpp；通道選擇為通道0或1。外部信號(hào)通過NI公司DAQ SIGNAL ACCESSORY采集附件進(jìn)行隔離、放大、濾波整流后進(jìn)入6024E數(shù)字采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后由控制軟件對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析、功率估計(jì)、存儲(chǔ)打印、網(wǎng)路傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

新型多功能虛擬示波器的設(shè)計(jì)是基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思路，即通過檢測(cè)設(shè)備、捕捉外部被測(cè)模擬信號(hào)，信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)將外部信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，再經(jīng)由數(shù)字采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析處理；最后計(jì)算機(jī)顯示信號(hào)波形及相關(guān)參數(shù)，同時(shí)通過人機(jī)交互面板對(duì)信號(hào)處理進(jìn)行調(diào)整，輸出模擬信號(hào)控制對(duì)應(yīng)硬件設(shè)備并通過聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)方案(如圖1所示)。多功能虛擬示波器主要基于LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，由軟件來完成信號(hào)的采集、處理和輸出。系統(tǒng)軟件包括前面板生成、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、相位差計(jì)算、打印、記錄等模塊。主程序結(jié)構(gòu)框圖（如圖2所示）。

圖1 設(shè)計(jì)方案圖

圖2 主程序框圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，虛擬示波器具有實(shí)時(shí)采樣、通道選擇、觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)存盤、數(shù)據(jù)讀盤、信號(hào)測(cè)量、相位分析、功率估計(jì)、串行通信、網(wǎng)絡(luò)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。圖3為虛擬示波器主面板。圖中顯示的虛擬數(shù)字示波器在各大面板中包含的可調(diào)節(jié)功能有：

圖3 虛擬示波器主面板界面

數(shù)據(jù)采集面板功能：設(shè)置通道、設(shè)置采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、硬件增益。

觸發(fā)控制面板功能：觸發(fā)源選擇、觸發(fā)極性選擇、觸發(fā)電平設(shè)置。

顯示控制面板功能：時(shí)基控制、幅值控制。

信號(hào)測(cè)量面板功能：相位測(cè)量、功率測(cè)量。

數(shù)據(jù)存讀盤面板功能：?jiǎn)未螔呙?、正常顯示/記憶、數(shù)據(jù)回放、讀盤、寫盤。

網(wǎng)絡(luò)傳輸面板功能：網(wǎng)絡(luò)讀寫切換、網(wǎng)絡(luò)讀寫地址。

二、虛擬示波器功能模塊設(shè)計(jì)

1.主要功能模塊程序設(shè)計(jì)

規(guī)劃好方案后，下一步就是進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，采用LabVIEW的圖形編程方式,可以方便設(shè)計(jì)虛擬示波器的各個(gè)子功能模塊。下面給出數(shù)據(jù)采集,信號(hào)測(cè)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的程序設(shè)計(jì)模塊,分別如圖4,圖5和圖6所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊程序圖

圖5 信號(hào)測(cè)量模塊程序圖

圖6 數(shù)據(jù)讀盤模塊程序圖

新型虛擬示波器增加了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問的功能，因此下面將重點(diǎn)對(duì)虛擬示波器的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2．網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊包括本地和遠(yuǎn)程模塊設(shè)計(jì)。

(1)本地網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)。LabVIEW平臺(tái)完全可以為虛擬示波器提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，包括：TCP、UDP、.NET、SMTP-Email、IrDA、DataSocket、ActiveX及遠(yuǎn)程面板等。設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊使用DataSocket傳輸協(xié)議。圖7和圖8是本地計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)程序圖。

圖7 本地機(jī)接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)狀態(tài)

圖8 本地機(jī)向外傳輸波形數(shù)據(jù)

(2)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊程序設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)同樣是基于DataSocket傳輸協(xié)議，當(dāng)其處于“Read”狀態(tài)是接受主機(jī)傳輸過來的波形信號(hào)（見圖9），并顯示該信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，作為遠(yuǎn)程檢測(cè)的作用；當(dāng)其處于“Write”時(shí)，將輸入的指令以字符串的形式傳送給主機(jī)，調(diào)節(jié)主機(jī)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

圖9 遠(yuǎn)程機(jī)“Read”狀態(tài)

要注意的是，主機(jī)中“網(wǎng)絡(luò)寫”的地址是主機(jī)本身的IP地址，主機(jī)“網(wǎng)絡(luò)讀”地址是遠(yuǎn)程機(jī)的地址；遠(yuǎn)程機(jī)中“網(wǎng)絡(luò)讀”地址是主機(jī)本身的IP地址，遠(yuǎn)程機(jī)“網(wǎng)絡(luò)寫”的地址是遠(yuǎn)程機(jī)自身的IP地址，程序模塊（如圖10所示）。

圖10 遠(yuǎn)程機(jī)“Write”狀態(tài)

三、虛擬示波器功能模塊測(cè)試

實(shí)際測(cè)量是輸入信號(hào)通過NI公司DAQ SIGNAL ACCESSORY接頭從輸入端子進(jìn)人PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)用NI公司提供的Measurement Automation進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置，便可完成系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通信。所以只要一個(gè)可以檢測(cè)外部被測(cè)信號(hào)的DAQ信號(hào)附件，再加上數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)就可以搭建虛擬示波器的硬件系統(tǒng)。

1.通道選擇及波形顯示模塊調(diào)試

運(yùn)行虛擬示波器的主程序，在前面板的通道選擇模塊中的A通道設(shè)定為0通道，B通道設(shè)定為1通道，并將通道選擇滑條中的滑塊分別選擇在A通道、B通道、A＆B通道，就可以在示波器前面板上顯示所選擇通道檢測(cè)到的波形。圖11顯示的是A通道和B都有信號(hào)輸入時(shí)的波形。

圖11 A＆B通道波形顯示

2.測(cè)量模塊調(diào)試

虛擬儀器的測(cè)量就是將采集到的波形數(shù)據(jù)通過計(jì)算模塊進(jìn)行分析與計(jì)算,測(cè)量模塊包括電信號(hào)(如電壓、電流等)基本參數(shù)測(cè)量、信號(hào)相位分析、信號(hào)功率譜估算等3個(gè)部分,圖12是信號(hào)相位測(cè)量模塊測(cè)試。

圖12 信號(hào)相位測(cè)量

3.網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊調(diào)試

分別打開本地計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的VI程序，設(shè)好各個(gè)參數(shù)并在Write to URL中填入“dstp://+本地IP地址+/標(biāo)簽（如：dstp://192.168.0.56/ SampleNum）”在Read from URL 中填入“dstp://+遠(yuǎn)程計(jì)IP地址+/標(biāo)簽（如dstp://192.168.0.230/ SampleNum）”后運(yùn)行Datasocket Server程序并點(diǎn)擊LabVIEW中的按鈕運(yùn)行程序。至此可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ堋?shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖13和圖14所示。

圖13 網(wǎng)絡(luò)傳輸本地機(jī)顯示狀態(tài)

圖14 網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)程機(jī)顯示狀態(tài)

四、虛擬示波器使用情況與教學(xué)思考

新型虛擬示波器在PC機(jī)上運(yùn)行，采用多界面操作，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)訪問功能，由1臺(tái)主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)傳送給其他計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的共享，節(jié)省采集硬件設(shè)備。采用虛擬示波器進(jìn)行教學(xué)，教師可在計(jì)算機(jī)上操作示波器，通過投影進(jìn)行教學(xué)，教師操作方便，學(xué)生也能很直觀、形象學(xué)習(xí)示波器的應(yīng)用操作，同時(shí)可以提供更多的機(jī)會(huì)讓學(xué)生上機(jī)進(jìn)行操作，使得他們能更快地掌握儀器的使用。當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)人才要求不斷提高，高校目前的一些教學(xué)方法和思維不能適應(yīng)新世紀(jì)人才培養(yǎng)的要求。在計(jì)算機(jī)和軟件廣泛使用的今天，用軟件模擬的方式來實(shí)現(xiàn)硬件的功能，既是順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，也是對(duì)某些課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革的嘗試。從虛擬示波器的使用來看，在提高授課效果的同時(shí)，又給學(xué)生傳授了一種新的思維方法，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以增強(qiáng)學(xué)生軟件創(chuàng)作的意識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力。

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The design of multifunctional virtual oscilloscope experimental platform and course teaching thought

Deng Yaohua, Tang Xiuchun, Wu Liming
Guangdong university of technology, Guangzhou,510006,China

The oscilloscope is one kind of comprehensive instruments for college teaching and research, the paper analyses the using of oscilloscope in college firstly, it puts forward the teaching thought by using virtual oscilloscope in some courses, based on it to design a new virtual oscilloscope experimental platform with multichannel and network function, the function of the experimental platform is introduced, especially implementation of network function. Application testing shows that, the new virtual oscilloscope works as good as the normal oscilloscope, with the network function the collected data can be used in other computers, this method is convenient in the applied teaching so to improve teaching effect.

teaching reform; virtual oscilloscope; LabVIEW; thinking innovation

book=50,ebook=574

2009-12-19

鄧耀華，碩士，講師。