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1、LabVIEW虚拟仪器在独立学院实践教学中的应用 摘要:独立学院为我国高等教育发展作出了重要贡献,但硬件设施投入不足一定程度上制约了其实践教学的开展。运用虚拟仪器技术能有效解决教学投入不足的问题。介绍了LabVIEW虚拟仪器的特点,并将LabVIEW软件应用到实践创新项目中。 基金项目:江苏省大学生实践创新项目(2012JSSPITP3184);扬州大学广陵学院教改项目(JGYB11004) 0引言 独立学院是我国高等教育改革的产物,依靠母体学校的优质教育资源和灵活的民营办学机制迅速发展,截至2013年底全国已有302所独立学院,为我国高等教育大众化作出了重要贡献。独立学院人才培养目标不同于母
2、体学校,更注重学生实践能力的培养。新形势下,社会对人才培养的要求越来越高,为适应社会对新知识经济时代人才培养的要求,教育部于2010年提出大力推进高等学校的创新创业教育,省级教育主管部门每年资助高校开展大学生实践创新项目,独立学院亦被纳入其中。而独立学院由于办学历史较短、实验设备投入不足,教学实验条件和教学资源相对缺乏。随着计算机和网络技术的发展,运用先进的虚拟仪器及其控制技术,构建虚拟实验平台,可以一定程度上弥补教学资源的不足。利用虚拟实验平台可提高学生的实践能力,激发学生实践创新思维,从而保证实践创新教学顺利开展。 1虚拟仪器 虚拟仪器(virtual instrument)诞生之初,其倡
3、导者就提出“软件就是仪器(the software is the instrument)”的理念1,软件在虚拟仪器系统中发挥着核心作用。虚拟仪器从本质上讲是硬件和软件的集成,其综合运用了计算机仿真技术、人工智能、传感器技术等,被大量应用在教育、军事、工程、医学等领域。 虚拟仪器具有以下特点:投入成本低。在计算机网络、云计算等技术快速发展的今天,可以通过计算机和软件模拟传统仪器设备的功能;良好的交互性和开放性。虚拟仪器和传统仪器相比,是非固定、动态的。使用者可以根据自己的兴趣和实验项目要求自行组合搭建,自行设计实验方法和步骤,突破了传统仪器的限制;资源共享性。随着网络的发展,虚拟仪器可以基于计算
4、机网络实现共享,在不同的终端可同时进行不同的实验项目,拓宽了实验空间,提供了仪器的使用效率,减少了重复购置和投资2;使用灵活。突破了传统教学实验模式,学生可以自主选择时间地点和要完成的任务,无需实验指导老师现场指导;界面友好。虚拟仪器由软件平台创建,通过修改相应的参数,使仪器的属性和功能可视化,使用者可以根据提示和帮助信息顺利完成相应的实验任务3。 美国国家仪器有限公司(简称NI)开发的标准图形化编程软件LabVIEW,无论是程序设计理念,还是仿真复杂程度,在当今G语言中都是首屈一指的。它不仅可以提供各种实验项目可视化连接,还提供强大的数据处理能力。从数据采集、信号调理、数据处理及转换存储方式
5、等方面为用户提供了方便的解决方案。因此,在虚拟仪器中应用广泛。 LabVIEW开发系统基本模块包含图形化用户界面开发、数据采集、仪器控制、报告生成和文件I/O。LabVIEW完整版则集成了多达700多个数学函数供系统调用,软件的外部代码集成了动态数据库,可以进行互联网连接和高级用户界面二次开发等。在LabVIEW的应用中,还可通过添加NI和第三方附加软件来满足用户更高的项目需求。附加开发模块可以方便实现软件仿真的功能。集成部署硬件,可以通过结合可编程自动化控制器(PAC)部署硬件终端;信号处理、分析和连接,可以添加用于声音和振动测量、机器视觉、RF通信、瞬时与短时信号分析等的专用图像和信号处理
6、函数;控制与仿真,通过使用高级控制算法、动态仿真与运动控制软件,设计、仿真并执行控制系统4。 2LabVIEW虚拟仪器编程 (1)根据软件开发要求,进行可行性分析研究,编制虚拟仪器创新实验项目可行性研究报告,了解实验项目需要的软件原型,创建软件原型VI (virtual instrument),构造VI程序框图。软件项目可分为专用软件和通用软件两大类。通过图形编程软件创建软件原型,从软件和用户的接口创建虚拟面板5。图1为模拟示波器,是一个专用测量软件的虚拟面板,图2为示波器的原型框图,按图2的原理构造测控软件软件原型VI。按照原型创建程序框图,其虚拟面板的显示控件激活及测控功能就可以实现,用户
7、可以在数据采集端输入其输入范围内的一定数值,其虚拟面板的显示控件被激活后,用户就可以通过原型直观地看到虚拟的仪器界面。构造程序原型可生动直观地模拟未来软件的界面,用户界面的控件亦可明确要求。 图1模拟示波器面板 图2示波器原型的程序框架 (2)设置应用程序控制和内部数据传递。在LabVIEW中,控制的内容包括控制对象的外观、状态和执行方式等。而数据流驱动是程序控制的基础,需要通过不同的变量在VI中予以改变。在LabVIEW中,通过VI Server技术实现程序控制。打开一个程序,通过其静态链接VI解决局部变量和全局变量,完成数据传递和程序控制。 (3)在LabVIEW应用中,需要考虑程序调试,
8、会用到不同的设计模式,如标准状态机、队列消息处理器、主从设计模式等。在程序调试中,要建立出错处理机制、检查数据的依从关系、检查代码段、检查数据溢出、检查连接的子程序等。多线程程序对系统可靠性的要求更高,要优化处理器性能,赋予并行任务VI的优先级。对程序性能进行优化处理,对内存进行监控,并对程序性能进行分析。 在数据采集和输出部分,需要独立的数据采集系统,必须配备数据采集卡。不同的硬件所支持的虚拟软件不一样。目前,LabVIEW主要包含两个驱动程序:DAQ和DAQmx。传统的DAQ系统可以使用物理通道定址,亦可使用虚拟通道定址。以DAQ为例,在LabVIEW中DAQ数据采集VI函数子板包含模拟输
9、入输出、数字输入输出、计数器、校准与配置、信号调理等。通过数据采集VI设置能够测量所需的电压、电流、波形、频率的参数等,如图3所示。 图3数据采集界面 3LabVIEW虚拟仪器在大学生实践创新中的应用在电子产品大量应用的今天,电网中的谐波尤其是高次谐波对电网安全运行的影响非常大,会造成电磁污染和电网波形失真,因此对电网谐波分量进行检测非常有必要。本文以大学生实践创新项目电力电网谐波分量实时监测为例,介绍LabVIEW在实践教学中的应用。 传统的谐波分量测试需要大量的实验仪器,如模拟式谐波分析仪、功率因素表、谐波电压表电流表、谐波功率计、采样数字式谐波分析仪、谐波阻抗测量装置、高次谐波记录分析装
10、置等,测量过程复杂,测量精度和稳定性无保证,测量成本高。因此,没有专业实验室支持很难完成。但利用虚拟仪器LabVIEW,很容易在计算机中仿真所有的仪器,并进行准确测量。 对于周期性非正弦电量函数可以进行傅里叶级数分解,得到大于电网基波频率的分量称为谐波。先通过电压传感器对数据进行采集,接入采集卡。可采用NI-4472动态信号采集卡,每通道102.4ks/s采样率,24位分辨率,采集卡带有抗混滤波器,具有隔离功能。由于采集卡能实现多通道同步采样,实现准确测量电压和电流的相位差。 在系统软件设计中,采取基于B/S的系统,学生可以远程访问和仿真。在服务器端的LabVIEW平台中提供各种类型的谐波测量
11、函数。如SINAD(signal in noise and distortion)信噪和失真比分析VI、HAD(harmonic distortion analyzer)谐波失真分析等。通过信号输入(signal in)、导出信号(export signals)、高级搜索(advanced search)、检测基频(detected fundamental frequency)、SINAD、总谐波失真叠加噪声(THD plus noise)、测量信息(measurement info)等完成电网谐波分量的监测。 通过LabVIEW中SINAD分析,生成实时监测控件的界面图(见图4)。通过采样设置、取样率、取样数对电网运行进行监测,实时观察波形。并且通过软件可以准确得到谐波的次数,如高次谐波值、谐波频率、谐波比例、谐波幅值等。 4结语 实践创新教学是培养高素质应用型人才的重要途径,也是独立学院的一项重要教学内容。建设虚拟实验平台能有效弥补传统实验投入大的不足,提高创新实践实验教学的开放性和灵活性,激发学生的实验兴趣,培养学生实践的自觉性、主动性和创造性。虚拟仪器经过十几年的发展,正朝着开放性、模块化、即插即用、总线驱动标准化发展,虚拟仪器技术的各种功能会更强大、性能更优良,使用更方便6。虚拟仪器将为学校培养高技能人才发挥更大的作用。 图4电网谐波监测界面
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