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摘要:示波器是在教学和科研中分析、比较信号的综合性仪器,本文首先对高等院校教学中示波器的使用情况进行分析,提出使用虚拟示波器进行相关课程教学实验的思路,在此基础上,设计了一种新型的具有多通道和网络等多功能虚拟示波器实验平台,介绍了实验平台各个功能模块的设计过程,重点论述了网络监控功能的实现方法。应用测试表明,使用该虚拟示波器既可以实现常规示波器的功能,同时利用其网络功能实现采集数据的多机使用,方便教学实践,极大提高了教学效果。
关键词:实践教学;虚拟示波器;LabVIEW虚拟软件;思维创新
示波器是电子信息,通信等课程学习和实验教学的重要工具。随着技术的发展,示波器的功能越来越多,这无疑给教学带来了方便。但是,示波器功能越多,其操作变得复杂。一方面,教师在介绍示波器使用的时候,只能对着示波器操作,不能进行数字多媒体教学,教学效果差;另一方面,由于示波器操作单一,屏幕不能多界面显示,使得示波器的操作变得复杂,学生做完几个实验以后还会出现不懂得如何操作示波器某些功能的现象。近年来,使用示波器学生的人数不断增加,现有示波器数量和教学方式已经不能满足要求。针对以上情况,为了改进教学效果,我们提出了采用虚拟示波器进行教学的思路,采用虚拟软件LabVIEW结合硬件数据采集卡,设计新型的具有网络监控功能的图形化多功能虚拟示波器教学实验平台。
一、多功能虚拟示波器实验平台设计
新型多功能虚拟示波器是一种分析和比较信号的综合性仪器,虚拟示波器运行在计算机上,它的主要功能是精确复现作为时间函数的电压波形,显示的波形用来确定数量的信息(如幅度、频率),也可用来获得其质量的信息(如波形);还可用来比较两个不同的波形,并测量它们的时间和相位关系。
1.虚拟示波器功能要求和设计指标
新型虚拟示波器的主要功能包括:3种通道信号输入、触发控制、通道控制、时基调整控制、幅度调整控制、波形显示、参数自动测量等。基本性能如下:数据采样速率为200KSPS(千次采样每秒),分辨率为12bit;波形显示模式为通道A或B或A&B;电压参数测量为Vrms和Vpp;通道选择为通道0或1。外部信号通过NI公司DAQ SIGNAL ACCESSORY采集附件进行隔离、放大、滤波整流后进入6024E数字采集卡进行A/D转换,最后由控制软件对测试信号进行数据处理,完成波形显示、参数测量、频谱分析、功率估计、存储打印、网路传输等功能。
2.实验平台设计方案
新型多功能虚拟示波器的设计是基于虚拟仪器的设计思路,即通过检测设备、捕捉外部被测模拟信号,信号调理系统将外部信号调整转化成标准模拟信号,再经由数字采集卡进行A/D转化,将模拟信号转化成数字信号传入计算机中进行分析处理;最后计算机显示信号波形及相关参数,同时通过人机交互面板对信号处理进行调整,输出模拟信号控制对应硬件设备并通过联网实现波形数据的远程传输与实时监控。设计方案(如图1所示)。多功能虚拟示波器主要基于LabVIEW开发平台,由软件来完成信号的采集、处理和输出。系统软件包括前面板生成、数据采集、数据处理、波形显示、参数测量、相位差计算、打印、记录等模块。主程序结构框图(如图2所示)。
根据设计要求,虚拟示波器具有实时采样、通道选择、触发控制、数据存盘、数据读盘、信号测量、相位分析、功率估计、串行通信、网络传输、远程监控等。图3为虚拟示波器主面板。图中显示的虚拟数字示波器在各大面板中包含的可调节功能有:
数据采集面板功能:设置通道、设置采样频率、采样点数、硬件增益。
触发控制面板功能:触发源选择、触发极性选择、触发电平设置。
显示控制面板功能:时基控制、幅值控制。
信号测量面板功能:相位测量、功率测量。
数据存读盘面板功能:单次扫描、正常显示/记忆、数据回放、读盘、写盘。
网络传输面板功能:网络读写切换、网络读写地址。
二、虚拟示波器功能模块设计
1.主要功能模块程序设计
规划好方案后,下一步就是进行程序设计,采用LabVIEW的图形编程方式,可以方便设计虚拟示波器的各个子功能模块。下面给出数据采集,信号测量和数据存储的程序设计模块,分别如图4,图5和图6所示。
新型虚拟示波器增加了远程网络访问的功能,因此下面将重点对虚拟示波器的远程监控功能的实现进行设计。
2.网络监控功能模块设计
网络监控模块包括本地和远程模块设计。
(1)本地网络模块设计。LabVIEW平台完全可以为虚拟示波器提供强大的网络通信功能,包括:TCP、UDP、.NET、SMTP-Email、IrDA、DataSocket、ActiveX及远程面板等。设计的网络传输模块使用DataSocket传输协议。图7和图8是本地计算机接收数据程序图。
(2)远程监控模块程序设计。远程监控模块设计同样是基于DataSocket传输协议,当其处于“Read”状态是接受主机传输过来的波形信号(见图9),并显示该信号的相关参数,作为远程检测的作用;当其处于“Write”时,将输入的指令以字符串的形式传送给主机,调节主机的相关参数设置。
要注意的是,主机中“网络写”的地址是主机本身的IP地址,主机“网络读”地址是远程机的地址;远程机中“网络读”地址是主机本身的IP地址,远程机“网络写”的地址是远程机自身的IP地址,程序模块(如图10所示)。
三、虚拟示波器功能模块测试
实际测量是输入信号通过NI公司DAQ SIGNAL ACCESSORY接头从输入端子进人PCI6024E数据采集卡进行数据采集,同时用NI公司提供的Measurement Automation进行简单的设置,便可完成系统软件与数据采集卡之间的通信。所以只要一个可以检测外部被测信号的DAQ信号附件,再加上数据采集卡和PC机就可以搭建虚拟示波器的硬件系统。
1.通道选择及波形显示模块调试
运行虚拟示波器的主程序,在前面板的通道选择模块中的A通道设定为0通道,B通道设定为1通道,并将通道选择滑条中的滑块分别选择在A通道、B通道、A&B通道,就可以在示波器前面板上显示所选择通道检测到的波形。图11显示的是A通道和B都有信号输入时的波形。
2.测量模块调试
虚拟仪器的测量就是将采集到的波形数据通过计算模块进行分析与计算,测量模块包括电信号(如电压、电流等)基本参数测量、信号相位分析、信号功率谱估算等3个部分,图12是信号相位测量模块测试。
3.网络传输模块调试
分别打开本地计算机和远程计算机上的VI程序,设好各个参数并在Write to URL中填入“dstp://+本地IP地址+/标签(如:dstp://192.168.0.56/SampleNum)”在Read from URL 中填入“dstp://+远程计IP地址+/标签(如dstp://192.168.0.230/SampleNum)”后运行Datasocket Server程序并点击LabVIEW中的按钮运行程序。至此可以实现网络传输的功能。实验现象如图13和图14所示。
四、虚拟示波器使用情况与教学思考
新型虚拟示波器在PC机上运行,采用多界面操作,同时通过网络访问功能,由1台主机负责数据采集并将数据传送给其他计算机,实现采集数据的共享,节省采集硬件设备。采用虚拟示波器进行教学,教师可在计算机上操作示波器,通过投影进行教学,教师操作方便,学生也能很直观、形象学习示波器的应用操作,同时可以提供更多的机会让学生上机进行操作,使得他们能更快地掌握仪器的使用。当前,经济的发展对人才要求不断提高,高校目前的一些教学方法和思维不能适应新世纪人才培养的要求。在计算机和软件广泛使用的今天,用软件模拟的方式来实现硬件的功能,既是顺应技术发展趋势,也是对某些课程的实践环节进行改革的尝试。从虚拟示波器的使用来看,在提高授课效果的同时,又给学生传授了一种新的思维方法,通过实验教学,可以增强学生软件创作的意识和实际动手能力。
参考文献
[1]邓玉艳,卓献荣,吕金虎.改革实验教学,提高实验教学质量[J].科技信息,2009,22:43
[2]魏宏波.基于虚拟仪器技术的实验教学改革探讨[J].中国现代教育装备,2009,11:92～94
[3]谢东坡,余成波.基于LabVIEW的信号与系统实验平台的关键技术[J].重庆工学院学报,2009,22(5):95～98
[4]曾斌,樊利民.LabVIEW环境下远程资源共享及DataSocket实现[J].电子技术,2009,2:9～11
[5]王志鹏,王昕,徐振良.DataSocket技术在远程测试中的研究与应用[J].微计算机信息,2006,22(5):136～138
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
Abstract: 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 multi-channel 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.
Key words: teaching reform; virtual oscilloscope; LabVIEW; thinking innovation
关键词:实践教学;虚拟示波器;LabVIEW虚拟软件;思维创新
示波器是电子信息,通信等课程学习和实验教学的重要工具。随着技术的发展,示波器的功能越来越多,这无疑给教学带来了方便。但是,示波器功能越多,其操作变得复杂。一方面,教师在介绍示波器使用的时候,只能对着示波器操作,不能进行数字多媒体教学,教学效果差;另一方面,由于示波器操作单一,屏幕不能多界面显示,使得示波器的操作变得复杂,学生做完几个实验以后还会出现不懂得如何操作示波器某些功能的现象。近年来,使用示波器学生的人数不断增加,现有示波器数量和教学方式已经不能满足要求。针对以上情况,为了改进教学效果,我们提出了采用虚拟示波器进行教学的思路,采用虚拟软件LabVIEW结合硬件数据采集卡,设计新型的具有网络监控功能的图形化多功能虚拟示波器教学实验平台。
一、多功能虚拟示波器实验平台设计
新型多功能虚拟示波器是一种分析和比较信号的综合性仪器,虚拟示波器运行在计算机上,它的主要功能是精确复现作为时间函数的电压波形,显示的波形用来确定数量的信息(如幅度、频率),也可用来获得其质量的信息(如波形);还可用来比较两个不同的波形,并测量它们的时间和相位关系。
1.虚拟示波器功能要求和设计指标
新型虚拟示波器的主要功能包括:3种通道信号输入、触发控制、通道控制、时基调整控制、幅度调整控制、波形显示、参数自动测量等。基本性能如下:数据采样速率为200KSPS(千次采样每秒),分辨率为12bit;波形显示模式为通道A或B或A&B;电压参数测量为Vrms和Vpp;通道选择为通道0或1。外部信号通过NI公司DAQ SIGNAL ACCESSORY采集附件进行隔离、放大、滤波整流后进入6024E数字采集卡进行A/D转换,最后由控制软件对测试信号进行数据处理,完成波形显示、参数测量、频谱分析、功率估计、存储打印、网路传输等功能。
2.实验平台设计方案
新型多功能虚拟示波器的设计是基于虚拟仪器的设计思路,即通过检测设备、捕捉外部被测模拟信号,信号调理系统将外部信号调整转化成标准模拟信号,再经由数字采集卡进行A/D转化,将模拟信号转化成数字信号传入计算机中进行分析处理;最后计算机显示信号波形及相关参数,同时通过人机交互面板对信号处理进行调整,输出模拟信号控制对应硬件设备并通过联网实现波形数据的远程传输与实时监控。设计方案(如图1所示)。多功能虚拟示波器主要基于LabVIEW开发平台,由软件来完成信号的采集、处理和输出。系统软件包括前面板生成、数据采集、数据处理、波形显示、参数测量、相位差计算、打印、记录等模块。主程序结构框图(如图2所示)。
根据设计要求,虚拟示波器具有实时采样、通道选择、触发控制、数据存盘、数据读盘、信号测量、相位分析、功率估计、串行通信、网络传输、远程监控等。图3为虚拟示波器主面板。图中显示的虚拟数字示波器在各大面板中包含的可调节功能有:
数据采集面板功能:设置通道、设置采样频率、采样点数、硬件增益。
触发控制面板功能:触发源选择、触发极性选择、触发电平设置。
显示控制面板功能:时基控制、幅值控制。
信号测量面板功能:相位测量、功率测量。
数据存读盘面板功能:单次扫描、正常显示/记忆、数据回放、读盘、写盘。
网络传输面板功能:网络读写切换、网络读写地址。
二、虚拟示波器功能模块设计
1.主要功能模块程序设计
规划好方案后,下一步就是进行程序设计,采用LabVIEW的图形编程方式,可以方便设计虚拟示波器的各个子功能模块。下面给出数据采集,信号测量和数据存储的程序设计模块,分别如图4,图5和图6所示。
新型虚拟示波器增加了远程网络访问的功能,因此下面将重点对虚拟示波器的远程监控功能的实现进行设计。
2.网络监控功能模块设计
网络监控模块包括本地和远程模块设计。
(1)本地网络模块设计。LabVIEW平台完全可以为虚拟示波器提供强大的网络通信功能,包括:TCP、UDP、.NET、SMTP-Email、IrDA、DataSocket、ActiveX及远程面板等。设计的网络传输模块使用DataSocket传输协议。图7和图8是本地计算机接收数据程序图。
(2)远程监控模块程序设计。远程监控模块设计同样是基于DataSocket传输协议,当其处于“Read”状态是接受主机传输过来的波形信号(见图9),并显示该信号的相关参数,作为远程检测的作用;当其处于“Write”时,将输入的指令以字符串的形式传送给主机,调节主机的相关参数设置。
要注意的是,主机中“网络写”的地址是主机本身的IP地址,主机“网络读”地址是远程机的地址;远程机中“网络读”地址是主机本身的IP地址,远程机“网络写”的地址是远程机自身的IP地址,程序模块(如图10所示)。
三、虚拟示波器功能模块测试
实际测量是输入信号通过NI公司DAQ SIGNAL ACCESSORY接头从输入端子进人PCI6024E数据采集卡进行数据采集,同时用NI公司提供的Measurement Automation进行简单的设置,便可完成系统软件与数据采集卡之间的通信。所以只要一个可以检测外部被测信号的DAQ信号附件,再加上数据采集卡和PC机就可以搭建虚拟示波器的硬件系统。
1.通道选择及波形显示模块调试
运行虚拟示波器的主程序,在前面板的通道选择模块中的A通道设定为0通道,B通道设定为1通道,并将通道选择滑条中的滑块分别选择在A通道、B通道、A&B通道,就可以在示波器前面板上显示所选择通道检测到的波形。图11显示的是A通道和B都有信号输入时的波形。
2.测量模块调试
虚拟仪器的测量就是将采集到的波形数据通过计算模块进行分析与计算,测量模块包括电信号(如电压、电流等)基本参数测量、信号相位分析、信号功率谱估算等3个部分,图12是信号相位测量模块测试。
3.网络传输模块调试
分别打开本地计算机和远程计算机上的VI程序,设好各个参数并在Write to URL中填入“dstp://+本地IP地址+/标签(如:dstp://192.168.0.56/SampleNum)”在Read from URL 中填入“dstp://+远程计IP地址+/标签(如dstp://192.168.0.230/SampleNum)”后运行Datasocket Server程序并点击LabVIEW中的按钮运行程序。至此可以实现网络传输的功能。实验现象如图13和图14所示。
四、虚拟示波器使用情况与教学思考
新型虚拟示波器在PC机上运行,采用多界面操作,同时通过网络访问功能,由1台主机负责数据采集并将数据传送给其他计算机,实现采集数据的共享,节省采集硬件设备。采用虚拟示波器进行教学,教师可在计算机上操作示波器,通过投影进行教学,教师操作方便,学生也能很直观、形象学习示波器的应用操作,同时可以提供更多的机会让学生上机进行操作,使得他们能更快地掌握仪器的使用。当前,经济的发展对人才要求不断提高,高校目前的一些教学方法和思维不能适应新世纪人才培养的要求。在计算机和软件广泛使用的今天,用软件模拟的方式来实现硬件的功能,既是顺应技术发展趋势,也是对某些课程的实践环节进行改革的尝试。从虚拟示波器的使用来看,在提高授课效果的同时,又给学生传授了一种新的思维方法,通过实验教学,可以增强学生软件创作的意识和实际动手能力。
参考文献
[1]邓玉艳,卓献荣,吕金虎.改革实验教学,提高实验教学质量[J].科技信息,2009,22:43
[2]魏宏波.基于虚拟仪器技术的实验教学改革探讨[J].中国现代教育装备,2009,11:92～94
[3]谢东坡,余成波.基于LabVIEW的信号与系统实验平台的关键技术[J].重庆工学院学报,2009,22(5):95～98
[4]曾斌,樊利民.LabVIEW环境下远程资源共享及DataSocket实现[J].电子技术,2009,2:9～11
[5]王志鹏,王昕,徐振良.DataSocket技术在远程测试中的研究与应用[J].微计算机信息,2006,22(5):136～138
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
Abstract: 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 multi-channel 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.
Key words: teaching reform; virtual oscilloscope; LabVIEW; thinking innovation