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?

軟件開發(fā)平臺：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)是由采集卡" title="采集卡">采集卡、基本電路、擴展模塊組合而成。一般結(jié)構(gòu)為板式、箱式，結(jié)構(gòu)單一，使用者對虛擬儀器系統(tǒng)的認識，只局限于對軟件系統(tǒng)和基本電路的普通知識面，難于達到對虛擬儀器系統(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)在實驗學(xué)習(xí)方面和二次開發(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)實訓(xùn)臺的形式，該實訓(xùn)臺不僅能應(yīng)用于對虛擬儀器采集系統(tǒng)的了解、NI LabVIEW軟件的使用、基本硬件電路的認識，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、控制對象進行綜合應(yīng)用，從而解決了虛擬儀器教學(xué)實驗中，系統(tǒng)與具體使用方向無關(guān)聯(lián)的難點。?

介紹： ?

系統(tǒng)介紹分四個部分：1、系統(tǒng)簡介；2、系統(tǒng)組成；3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；4、實驗項目?

1、系統(tǒng)簡介：?

本裝置是一種訓(xùn)練學(xué)生對于虛擬儀器技術(shù)與測控技術(shù)認識和應(yīng)用的實訓(xùn)設(shè)備（型號：QK-Lab）。由工作臺、實驗主控臺及美國NI公司多功能數(shù)據(jù)采集卡" 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、工作臺長1600mm/寬700mm/高750mm鋼木結(jié)構(gòu)，放置實驗主控臺和計算機主機；?

2、主控臺包含儀器儀表和控制對象，所有控制對象和傳感器均采用實物模塊；?

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象，進行數(shù)據(jù)采集及處理。?

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2、系統(tǒng)組成：?

主控制臺由三大單元組成?

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I/O" title="I/O">I/O線, 2路模擬輸出通道, 1個計數(shù)器;方便而易于攜帶的USB總線供電型設(shè)計;可用于Windows、Mac OS X、Linux和Pocket PC的驅(qū)動軟件,NI-DAQmx驅(qū)動軟件和NI LabVIEW SignalExpress交互式數(shù)據(jù)記錄軟件。?

B．特點:?

NI USB-6009具有基本的數(shù)據(jù)采集功能，其應(yīng)用范圍包括簡單的數(shù)據(jù)記錄、便攜式測量和學(xué)術(shù)機構(gòu)的實驗室試驗。為移動應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用專門設(shè)計，其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時間，同時它能直接與螺絲端子相連，從而降低了成本并簡化了信號的連接。USB 總線供電使用戶不再需要攜帶多余的外部電源。高速USB 的使用便捷，可處理各種應(yīng)用程序包括自動化測試、過程控制和傳感器測量等。?

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C．優(yōu)勢:?

該產(chǎn)品價位適于學(xué)生購買且其強大的功能足以用于更為復(fù)雜的測量應(yīng)用。學(xué)生在上課時利用實訓(xùn)臺上的NI USB-6009采集卡進行學(xué)習(xí), 課后也可利用自行購買的USB-6009學(xué)生套件，為仿真、測試和自動化的理論性課程補充了實踐性實驗和開發(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。同時采用LF353進行信號濾波和整形。?

幅值：正弦波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值，且正負對稱）?

三角波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值，且正負對稱）?

鋸齒波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值，且正負對稱）?

方波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值，且正負對稱） ?

頻率范圍：分四檔2Hz～20Hz、20Hz～200Hz、200Hz～2KHz、2KHz～20KHz。?

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)級正負可調(diào)三端穩(wěn)壓LM317T，提供0～＋10V直流電壓連續(xù)可調(diào)。?

4、頻率計" title="頻率計">頻率計： 器件采用Altera MAXII EPM1270CPLD芯片。提供10MHz數(shù)字頻率計，除能測量本系統(tǒng)的信號頻率，還可測量系統(tǒng)外的信號頻率，是個標(biāo)準(zhǔn)的頻率計。?

5、數(shù)字電壓表：3位半數(shù)字顯示電壓表，測量范圍在－19.99V～＋19.99V。?

B．特點：?

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圖形化開發(fā)環(huán)境中進行頻率計的設(shè)計，用虛擬儀器來采集真實的信號，同時也可開展數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形信號發(fā)生器、數(shù)字萬用表、數(shù)字電壓表等的設(shè)計。使用上述在LabVIEW下設(shè)計的多種虛擬儀器，還可對平臺上的固定脈沖發(fā)生器和可調(diào)直流源進行測量。?

2、輸出端口：頻率計的輸入端與DA采樣的輸出端(DA0-DA1)連接，使用者可在NI LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境中進行函數(shù)信號源的設(shè)計，用真實儀器來采集虛擬的信號， 同時也可開展固定脈沖發(fā)生器、可調(diào)直流源等的設(shè)計。使用上述在LabVIEW下設(shè)計的多種虛擬儀器,還可用平臺上的發(fā)光管和數(shù)字電壓表進行測量。?

3、信號處理：對在輸入端口中采集的信號生成TDMS文件保存，在AD采集與分析實驗中還原，并能與輸出端口的信號進行對比和分析?

C．優(yōu)勢：?

通過對AD中采集的信號和DA中采集的信號進行存儲，并對其還原和分析，還可利用NI LabVIEW系統(tǒng)中的元器件庫構(gòu)建數(shù)字電路和模擬電路，達到用較小成本完成儀器儀表的設(shè)計和應(yīng)用的目的. ?

（3）第三單元：控制面板?

A．功能：?

1、步進電機控制與驅(qū)動：采用光耦隔離驅(qū)動電路，連接三相四拍步進電機。?

2、直流電機的控制與驅(qū)動及速度的測量：直流電機的光耦隔離驅(qū)動電路，輸入信號為3.3V的PWM脈沖，脈沖經(jīng)過光耦隔離，采用H橋電路驅(qū)動直流電機實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)和速度控制，具有正交編碼測速電路，留有接口用于測量，信號幅值為3.3V。?

3、繼電器控制：電路采用光耦隔離驅(qū)動直流12V繼電器，輸出節(jié)點可控制220V/2A、125V/12A交流負載。系統(tǒng)用指示燈作為顯示，繼電器的控制輸入點留出便于插孔連接。?

4、PWM輸出濾波：電路在固定PWM輸出時可以實驗D/A功能；電路提供RC濾波電路實現(xiàn)SPWM波的低通濾波。?

5、溫度測量及控制電路： 器件采用18B20數(shù)字溫度傳感器，測溫范圍從-55°C至+125°C。?

6、數(shù)字I/O實驗：模擬交通信號燈的定時轉(zhuǎn)換過程，設(shè)計紅黃綠三個燈，顯示時間長度可以即時調(diào)節(jié)，倒計時由數(shù)碼管顯示，并能用軟件控制和仿真全過程。?

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， 采集開關(guān)量，有鍵按下后采集到信號，同時有相應(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、語音錄放電路：器件采用LM386音頻集成功率放大器。可設(shè)計為錄音機和收音機。完成語音錄放功能，通過A/D和D/A完成語音信號的采集與輸出，控制引腳和線路線留出便于與控制信號相連。模塊電路中有語音錄入設(shè)備麥克風(fēng)、語音輸出，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,可進行8路信號處理。?

11、D/A輸出：提供2路模擬輸出通道, 14位分辨率,可進行2路信號處理。?

12、按鍵開關(guān)：提供4個自鎖帶燈按鍵,4個非自鎖帶燈按鍵。?

13、CAN總線通信：電路具有CAN總線驅(qū)動,通過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。實現(xiàn)與上位機通信功能，提供485-232的轉(zhuǎn)換器?

15、RS232總線通信：器件采用MAX232。實現(xiàn)與上位機通信功能。?

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),實現(xiàn)與上位機網(wǎng)絡(luò)通信教學(xué)功能。?

B．特點：?

所有控制對象和傳感器均采用實物模塊?

C．優(yōu)勢：?

通過NI USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡對控制對象的測量與控制" title="測量與控制">測量與控制，控制對象的輸入輸出端口既是測量口又是控制口。利用系統(tǒng)靈活的結(jié)構(gòu)，既可在NI LabVIEW環(huán)境下進行驅(qū)動及運行，也可利用儀器儀表進行跟蹤測量，達到本裝置的功能最大化。?

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4、實驗內(nèi)容：?

提供Express VI源代碼同時學(xué)習(xí)面板設(shè)計和Labview的編程。?

1、NI LabVIEW入門實驗?

2、數(shù)字存儲示波器的設(shè)計與應(yīng)用?

3、頻譜分析儀的設(shè)計與應(yīng)用?

4、 頻率計的設(shè)計與應(yīng)用?

5、邏輯分析儀的設(shè)計與應(yīng)用?

6、任意波形信號發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用?

7、數(shù)字多用表的設(shè)計與應(yīng)用?

8、電壓測量與分析實驗?

9、全功能動態(tài)數(shù)字信號發(fā)生器的測量與控制?

10、固定脈沖發(fā)生器的測量與控制；?

11、開關(guān)量信號的測量與控制?

12、交通信號燈的模擬與控制?

13、繼電器測量與控制?

14、溫度的測量與控制?

15、模擬信號測量端口?

16、數(shù)字信號測量端口?

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、語音錄放模塊?

23、音頻濾波實驗?

24、音頻的輸入與輸出實驗?

25、A/D采樣?

26、D/A實驗?

27、數(shù)字I/O實驗：控制交通燈、自動或手動點亮交通燈?

28、直流電機實驗：通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速控制直流電機?

29、步進電機實驗：通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速控制步進電機?

30、異步串口通訊實驗：雙系統(tǒng)上的異步串口間進行通信?

31、同步串口實驗：雙系統(tǒng)上的同步串口間進行通信?

32、人機接口實驗：編寫鍵盤掃描和顯示驅(qū)動程序并顯示按鍵值?

33、定時器控制實驗：設(shè)置當(dāng)前時間、將時間顯示在LED上?

34、CAN總線接口?

35、RS485接口?

36、RS232接口?

37、以太網(wǎng)接口?

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總結(jié)：?

目前市場中的虛擬儀器教學(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)果是造成驅(qū)動兼容性等問題，導(dǎo)致實際應(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，用戶還需同時提供測量儀器儀表，導(dǎo)致實驗使用設(shè)備資源的緊張。?

3、采集卡性能較強但是控制對象和測量端口不足，局限了學(xué)生對測量和控制的相互關(guān)系的理解。?

4、只強調(diào)NI LabVIEW面板控件和虛擬儀器的設(shè)計，不能把采集卡的硬件特點和功能完整的體現(xiàn)在教與學(xué)的過程中。制約了學(xué)生對虛擬儀器設(shè)計的真正意義的認識。?

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控技術(shù)有限公司DAQ事業(yè)部的黃歡銷售代表進行了設(shè)備選擇方案的論證，黃歡銷售代表即時提供了積極有效的產(chǎn)品信息，包括具體的方案。同時我們也根據(jù)用戶的實際指標(biāo)和應(yīng)用條件，及考慮以后產(chǎn)品市場化以后的成本，對數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備的其他供應(yīng)商及其產(chǎn)品進行了廣泛的調(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。?

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個計數(shù)器;方便而易于攜帶的USB總線供電型設(shè)計;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。?

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。實驗方式簡便、直觀、可靠。?

3、NI 6009采集卡的價格較低，同時提供了基本的數(shù)據(jù)采集功能，用戶以較少的投入即可開展虛擬儀器的教學(xué)和開發(fā)應(yīng)用。?

虛擬儀器的教學(xué)及實訓(xùn)裝置的特點?

1、NI USB-6009采集卡、儀器儀表和控制面板組合在一個平臺上，既可相互連接，又能保持獨立的通信、測量、控制功能。我們提供了真實的測量儀器儀表和控制對象，而且把這兩者和NI USB-6009采集卡的應(yīng)用具體化、簡單化、經(jīng)濟化，所有的儀器儀表既能同時測量與控制，使用者也可在NI LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境中設(shè)計應(yīng)用設(shè)備，對控制對象的信號端口進行測量、采集、分析和存儲。?

2、最終用戶的投入少、效率高、擴展性強；學(xué)生階段學(xué)習(xí)過程中或在學(xué)習(xí)結(jié)束后，也可選擇NI USB 600X學(xué)生套件，來對NI LabVIEW及其虛擬儀器技術(shù)進行深入學(xué)習(xí)和開發(fā)。既滿足了學(xué)校用戶對NI LabVIEW學(xué)習(xí)應(yīng)用的迫切需求，又能以低廉的價格提供最高性價比的產(chǎn)品和成套方案，對市場具有極強推廣意義和示范作用。?

3、此產(chǎn)品主要面對高校用戶，為訓(xùn)練學(xué)生對虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用提供一種捷徑，學(xué)校在利用此設(shè)備完成基礎(chǔ)教學(xué)任務(wù)后，也可再購買精度高、速度快、接口多、適應(yīng)領(lǐng)域更廣的NI其他產(chǎn)品，進行其他方向的研究。所以這一虛擬儀器的教學(xué)及實訓(xùn)裝置只是在教學(xué)領(lǐng)域的一個入門的工具，學(xué)生在對NI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品和NI LabVIEW軟件做基本認識和應(yīng)用后，在具體的生產(chǎn)實踐中還可使用或購買NI系列產(chǎn)品中的更高端的設(shè)備。?