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(kuò)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(rèn)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(dá)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(shí)驗(yàn)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(shí)訓(xùn)臺的形式,，該實(shí)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(rèn)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(jìn)行綜合應(yīng)用，從而解決了虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,，系統(tǒng)與具體使用方向無關(guān)聯(lián)的難點(diǎn),。?

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(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(rèn)識和應(yīng)用的實(shí)訓(xùn)設(shè)備（型號：QK-Lab）,。由工作臺,、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)主控臺和計算機(jī)主機(jī)；?

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(shí)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(jìn)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(diǎn):?

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(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。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,。?

?

C．優(yōu)勢:?

該產(chǎn)品價位適于學(xué)生購買且其強(qiáng)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(shí)訓(xùn)臺上的NI USB-6009采集卡進(jìn)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(bǔ)充了實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(fù)對稱）?

三角波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值,，且正負(fù)對稱）?

鋸齒波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值,，且正負(fù)對稱）?

方波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值，且正負(fù)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(fù)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(diǎn)：?

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(jìn)行頻率計的設(shè)計,，用虛擬儀器來采集真實(shí)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(jìn)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(jìn)行函數(shù)信號源的設(shè)計,，用真實(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)中還原,，并能與輸出端口的信號進(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī),。?

2、直流電機(jī)的控制與驅(qū)動及速度的測量：直流電機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(diǎn)可控制220V/2A,、125V/12A交流負(fù)載,。系統(tǒng)用指示燈作為顯示，繼電器的控制輸入點(diǎn)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(shí)驗(yàn)D/A功能,；電路提供RC濾波電路實(shí)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(shí)驗(yàn)：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?？稍O(shè)計為錄音機(jī)和收音機(jī),。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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信教學(xué)功能,。?

B．特點(diǎn)：?

所有控制對象和傳感器均采用實(shí)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(jìn)行驅(qū)動及運(yùn)行,，也可利用儀器儀表進(jìn)行跟蹤測量，達(dá)到本裝置的功能最大化,。?

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4,、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?

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(shí)驗(yàn)?

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(shí)驗(yàn)?

24、音頻的輸入與輸出實(shí)驗(yàn)?

25,、A/D采樣?

26,、D/A實(shí)驗(yàn)?

27、數(shù)字I/O實(shí)驗(yàn)：控制交通燈,、自動或手動點(diǎn)亮交通燈?

28,、直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)：通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速控制直流電機(jī)?

29、步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)：通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速控制步進(jìn)電機(jī)?

30,、異步串口通訊實(shí)驗(yàn)：雙系統(tǒng)上的異步串口間進(jìn)行通信?

31,、同步串口實(shí)驗(yàn)：雙系統(tǒng)上的同步串口間進(jìn)行通信?

32、人機(jī)接口實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)：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(shí)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(shí)驗(yàn)使用設(shè)備資源的緊張,。?

3、采集卡性能較強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(rèn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)訓(xùn)裝置的特點(diǎn)?

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(dú)立的通信,、測量,、控制功能。我們提供了真實(shí)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(jì)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(jìn)行測量,、采集,、分析和存儲。?

2,、最終用戶的投入少,、效率高,、擴(kuò)展性強(qiáng)；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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行其他方向的研究。所以這一虛擬儀器的教學(xué)及實(shí)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(rèn)識和應(yīng)用后,，在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中還可使用或購買NI系列產(chǎn)品中的更高端的設(shè)備。?