朱利香,罗瑞琼,彭卫韶
(中南大学 自动化学院, 湖南 长沙 410083)
NI虚拟仪器平台功能强大，有图形化编程环境LabVIEW、虚拟仪器编程环境、测试执行管理软件TestStand、仪器控制接口GPIB、数据采集设备DAQ、图像采集设备IMAQ、运动控制设备Motion、数据管理软件DIAdem和仿真工具Multisim。目前NI虚拟仪器平台应用比较广泛，著名的手机厂商、汽车厂商、无线通信公司等都已在采纳NI的测试测量技术，但其价格昂贵，在大学教育中，实际能学习接触其技术的学生较少。目前远程实验教学方式大多以虚拟仿真为主，学生不能接触到实际电路、不能自己动手测量，实验效果较差。本文研究旨在利用虚拟仪器平台、电脑远程控制、监控摄像头等设施远程开设虚实结合“电工电子实验”教学，将实际电路实验课堂引入到远程教学中，提高“电工电子实验”远程教学的质量，达到人才培养的目的。
远程监控实验系统主要由实验箱及数据采集卡、计算机云服务器和学生用户端三大部分组成，其工作流程如图1所示。
首先，在教学主机内运行基于LabVIEW的数据监控采集程序，通过DAQmx数据采集中的相关节点搭建的程序获取传感器的数据，同时采集的数据通过Database Connectivity Toolkit的相关节点实时传输到云服务器的MySQL数据库中，而LabVIEW和MySQL数据库的连接是通过开放数据库连接(Open Database Connectivity,ODBC)建立的。GVI应用程序会通过GDatabase相关节点实时地读取数据库中最新的数据，学生打开的网页实质上是基于LabVIEW NXG所做的WebVI，它是通过云服务器的服务发布的，它也能通过SystemLink数据服务实时访问NI Web服务器中的数据，从而将远程实验数据实时地显示在网页上，达到远程实验的目的。有了SystemLink数据服务与NI Web服务器的帮助，将实验结果显示到学生端的网页上并可供学生下载编写实验报告。
图1 远程监控实验系统工作流程图
为提高设备的利用率，远程操作时间可以为全天候。为防止远程操作实验冲突，设计远程操作预约制度。学生必须持有教师发放的操作码预约实验，且在规定的预约时间内完成实验。
2.1 硬件与软件的设置
远程教学除了需要网络、电脑、监控摄像头等硬件外，还需要有与电脑通信的硬件平台、教学软件。
实验课前应精心准备实验设备。首先安装好监控摄像头，通过摄像头可以清晰观看到NI-ELVIS平台，摄像头主要为学生提供一种实时平台及电路观测，让学生感觉如在现场，同时根据该界面可观测电路线路连接正确与否。之后完成电脑远程设置，远程控制可以使用Windows远程桌面，也可安装其他软件，以利于学生在局域网内远程使用实验室计算机。计算机系统盘处于保护状态，C盘不允许修改、删除数据及软件。选择合适的软件会使课程教学事半功倍，本课程实验教学过程中使用NI LabVIEW。
数据采集及实验箱平台利用一体化的NI-ELVIS平台。NI-ELVIS平台面板上安装有多个实验项目，在电工电子实验课程中，采用传统元器件搭接与这种虚拟仪器相结合的创新型模式。设置教学主机系统时，可借用智能家居控制方法远程控制实验室电源开关、NI-ELVIS平台开关，这样教师可根据具体情况远程控制平台开放的时间。
下面以救护车音响电路为例，介绍其实施过程。学生不能来实验室搭接电路图，由教师连接实验电路，在电路连接过程中，可介绍元件、电路设计、实验要求、实验测试点等知识，且录制视频放在电脑桌面上，供学生学习，如图2所示。将NI-ELVIS平台与教学主机数据线连接好，在MAX中配置并检测数据采集硬件，将救护车音响电路输出测试点连接至平台I/O端，教学主机配置完成。
图2 NI-ELVIS平台
2.2 数据采集
虚拟仪器技术的核心思想是利用计算机对现实世界中的各种物理量进行测量，其中最基本的一步工作就是将被测物理量通过数据采集环节采集到计算机中。本文利用NI公司的NI-ELVIS数据采集卡平台，以LabVIEW作为软件开发环境，实现数据的采集、分析及处理。LabVIEW软件开发环境可以实现数据的采集、分析及处理，实现快速易用的测量采集及显示。
在LabVIEW中有两种实时采集数据的实现方法：一种是采用LabVIEW软件自带的DAQ助手；
另一种是采用DAQmx数据采集中的相关节点进行编程。DAQ助手虽然简化了编程，提供了良好的用户交互界面，但同时也丧失了一定的功能性和灵活性，由于学生的实验时间有限，因此采用LabVIEW软件自带的DAQmx助手采集数据。
学生远程登录实验室监控摄像机，了解真实电路，本次实验电路是由两片“555”定时器构成的救护车音响报警电路，学生可听到救护车音响报警声。扩展实验也可使用LabVIEW图形化编程特点，完成一个简单虚拟仪器设计。
3.1 Web远程用户界面虚拟示波器测试电路波形
在计算机屏幕上点击NI ELVISmx仪器启动图标，或点击快捷方式，虚拟仪器将在屏幕上显示。平台集成了12款最常用仪器，NI ELVIS自带的12种仪器均提供直观真实的仪器软面板,无需编程即可使用。该实验过程中利用NI ELVIS自带的Instrument Launcher软面板，它集成了示波器、数字万用表、函数信号发生器、直流电源、动态信号分析器和波特仪等12种常用仪器,如图3所示。
图3 虚拟仪器
打开NI ELVISmx Instrument Launcher，选择示波器及通道，点击运行，调整示波器参数，实现NI ELVIS板载电路的测量，通过虚拟示波器分别观察“555”多谐振荡器两级输出波形，分析电路动态特性。“555”救护车电路输出波形如图4所示。
图4 “555”救护车电路输出波形
3.2 虚拟仪器测试数字逻辑状态
LabVIEW是一种图形化编程语言和开发环境平台，库函数很丰富，在Web远程学生用户界面上使用DAQmx创建数字采集器，数字读取器程序框图如图5所示。数字读取器能实时读取电路数字输出端数据、显示运行状态。
Digital Reader允许按需(单点)或者连续读取并行输入端口的当前状态。数字读取器前面板红灯显示“555”救护车音响警示电路输出状态，其红灯正确状态为连续闪烁，如图6所示。
虚拟仪器数字读取器可以进行数字电路测试显示，使用虚拟仪器万用表可以测试电路电压等。
在电工电子实验中，也可以采用LabVIEW的API来实现数字I/O，如编写一个程序、设计一个简单的逻辑状态分析仪、测试数字电路的输出结果等。扩展实验也可使用LabVIEW图形化编程特点，设计一个简单的测量仪器。
图5 数字读取器程序框图
图6 数字读取器前面板
以LabVIEW作为软件开发平台，将虚拟仪器技术与实际数字电路相结合，设计并实现数字电子技术实验电路测试、电路分析过程。该实验包括虚拟实验室和实际电路两大部分，学生可远程观看到实际电路，接触到昂贵的虚拟实验平台控制实验电路，对实际电路进行数据测量、分析，完成实验；
同时对LabVIEW图形化编程有了初步了解，这种实、虚混合远程实验教学模式，既可以看到真实电路，又可以接触到新技术，对培养应用型人才有着非常重要的意义。