應用領域：
大學教育

使用的產品：
NI USB-6009

軟件開發平臺：
NI LabVIEW 8.2學生版和NI LabVIEW SignalExpress限量版軟件

挑戰：
目前，公知的虛擬儀器教學系統是由采集卡、基本電路、擴展模塊組合而成。一般結構為板式、箱式，結構單一，使用者對虛擬儀器系統的認識，只局限于對軟件系統和基本電路的普通知識面，難于達到對虛擬儀器系統綜合應用的目的。

應用方案：

為了解決現有的虛擬儀器教學系統在實驗學習方面和二次開發應用領域的不足，本方案提供了一種虛擬儀器系統實訓臺的形式，該實訓臺不僅能應用于對虛擬儀器采集系統的了解、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核心、外圍接口、儀器儀表、控制對象進行綜合應用，從而解決了虛擬儀器教學實驗中，系統與具體使用方向無關聯的難點。

介紹：

系統介紹分四個部分：1、系統簡介；2、系統組成；3、系統結構；4、實驗項目

一、     系統簡介：

本裝置是一種訓練學生對于虛擬儀器技術與測控技術認識和應用的實訓設備（型號：QK-Lab）。由工作臺、實驗主控臺及美國NI公司多功能數據采集卡組成。

其中：
1. 工作臺長1600mm/寬700mm/高750mm鋼木結構，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. 數據采集系統為NI USB-6009多功能采集卡，配合顯示儀表和控制對象，進行數據采集及處理。

二、     系統組成：

主控制臺由三大單元組成
第一單元 NI USB-6009多功能數據采集卡；
第二單元 儀器儀表；
第三單元 控制面板；

 三、     系統結構：

A．功能: 
8路模擬輸入通道, 14位分辨率, 12條數字I/O線, 2路模擬輸出通道, 1個計數器;方便而易于攜帶的USB總線供電型設計;可用于Windows、Mac OS X、Linux和Pocket PC的驅動軟件,NI-DAQmx驅動軟件和NI LabVIEW SignalExpress交互式數據記錄軟件。

B．特點:
NI USB-6009具有基本的數據采集功能，其應用范圍包括簡單的數據記錄、便攜式測量和學術機構的實驗室試驗。為移動應用或空間上有限制的應用專門設計，其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設置時間，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，可處理各種應用程序包括自動化測試、過程控制和傳感器測量等。

C．優勢:
該產品價位適于學生購買且其強大的功能足以用于更為復雜的測量應用。學生在上課時利用實訓臺上的NI USB-6009采集卡進行學習, 課后也可利用自行購買的USB-6009學生套件，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應用，真正做到學以致用。

2. 第二單元：儀器儀表 

A．功能：

1) 函數信號源：器件采用集成函數發生器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) 可調直流源： 器件采用工業級正負可調三端穩壓LM317T，提供0～＋10V直流電壓連續可調。

4) 頻率計： 器件采用Altera MAXII EPM1270CPLD芯片。提供10MHz數字頻率計，除能測量本系統的信號頻率，還可測量系統外的信號頻率，是個標準的頻率計。

5) 數字電壓表：3位半數字顯示電壓表，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圖形化開發環境中進行頻率計的設計，用虛擬儀器來采集真實的信號，同時也可開展數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形信號發生器、數字萬用表、數字電壓表等的設計。使用上述在LabVIEW下設計的多種虛擬儀器，還可對平臺上的固定脈沖發生器和可調直流源進行測量。

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圖形化開發環境中進行函數信號源的設計，用真實儀器來采集虛擬的信號， 同時也可開展固定脈沖發生器、可調直流源等的設計。使用上述在LabVIEW下設計的多種虛擬儀器,還可用平臺上的發光管和數字電壓表進行測量。

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系統中的元器件庫構建數字電路和模擬電路，達到用較小成本完成儀器儀表的設計和應用的目的.

3. 第三單元：控制面板

A．功能：

1) 步進電機控制與驅動：采用光耦隔離驅動電路，連接三相四拍步進電機。

2) 直流電機的控制與驅動及速度的測量：直流電機的光耦隔離驅動電路，輸入信號為3.3V的PWM脈沖，脈沖經過光耦隔離，采用H橋電路驅動直流電機實現電機正反轉和速度控制，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動直流12V繼電器，輸出節點可控制220V/2A、125V/12A交流負載。系統用指示燈作為顯示，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SPWM波的低通濾波。

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

6) 數字I/O實驗：模擬交通信號燈的定時轉換過程，設計紅黃綠三個燈，顯示時間長度可以即時調節，倒計時由數碼管顯示，并能用軟件控制和仿真全過程。

7) 發光二極管陣列電路：提供8路發光二極管，可用于采集卡I/O口的電平顯示，也可用于頻率顯示。

8) 鍵盤響應控制：電路采用17鍵矩陣式鍵盤， 采集開關量，有鍵按下后采集到信號，同時有相應的發光管顯示，也可用數碼管顯示相應的鍵盤鍵值。

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備麥克風、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：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總線驅動,通過CAN總線與外部CAN總線設備通信。

14) RS485總線通信：器件采用MAX485ESA。實現與上位機通信功能，提供485-232的轉換器

15) RS232總線通信：器件采用MAX232。實現與上位機通信功能。

16) 以太網TCP/IP協議接口：器件采用RTL8019AS,符合IEEE802.3建議,比特率10M,組成系統網絡,實現與上位機網絡通信教學功能。

B．特點：

所有控制對象和傳感器均采用實物模塊

C．優勢：

通過NI USB-6009多功能數據采集卡對控制對象的測量與控制，控制對象的輸入輸出端口既是測量口又是控制口。利用系統靈活的結構，既可在NI LabVIEW環境下進行驅動及運行，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。

四、實驗內容：

提供Express VI源代碼同時學習面板設計和Labview的編程。

1. NI LabVIEW入門實驗

2. 數字存儲示波器的設計與應用

3. 頻譜分析儀的設計與應用

4. 頻率計的設計與應用

5. 邏輯分析儀的設計與應用

6. 任意波形信號發生器的設計與應用

7. 數字多用表的設計與應用

8. 電壓測量與分析實驗

9. 全功能動態數字信號發生器的測量與控制

10. 固定脈沖發生器的測量與控制；

11. 開關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. 數字信號測量端口

17. 數碼管顯示

18. 鍵盤響應控制

19. PWM控制模塊

20. 模擬電路模塊

21. 數字電路模塊

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：通過設置不同的轉向與轉速控制直流電機

29. 步進電機實驗：通過設置不同的轉向與轉速控制步進電機

30. 異步串口通訊實驗：雙系統上的異步串口間進行通信

31. 同步串口實驗：雙系統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動程序并顯示按鍵值

33. 定時器控制實驗：設置當前時間、將時間顯示在LED上

34. CAN總線接口

35. RS485接口

36. RS232接口

37. 以太網接口

總結：
目前市場中的虛擬儀器教學系統產品的情況有以下幾種：

1.  使用NI LabVIEW環境但是采用的是非NI的數據采集硬件設備，可能的結果是造成驅動兼容性等問題，導致實際應用上的高指標低性能。

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，導致實驗使用設備資源的緊張。

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

4. 只強調NI LabVIEW面板控件和虛擬儀器的設計，不能把采集卡的硬件特點和功能完整的體現在教與學的過程中。制約了學生對虛擬儀器設計的真正意義的認識。

我公司于2007年初接受用戶的生產要求，即與北京中科泛華測控技術有限公司DAQ事業部的黃歡銷售代表進行了設備選擇方案的論證，黃歡銷售代表即時提供了積極有效的產品信息，包括具體的方案。同時我們也根據用戶的實際指標和應用條件，及考慮以后產品市場化以后的成本，對數據采集卡設備的其他供應商及其產品進行了廣泛的調研，綜合比較后選擇了NI USB-6009多功能數據采集卡，數量共34臺。

我們的選擇理由如下：

1. 系統的集成化是當今工控領域的發展方向，也是本裝置的設計初衷的應用要求。NI USB-6009采集卡真正具有多功能數據采集設備的功能。具有8路模擬輸入通道, 14位分辨率, 12條數字I/O線, 2路模擬輸出通道, 1個計數器;方便而易于攜帶的USB總線供電型設計;相比其他廠家的產品集成度和便攜性等方面更具優勢。

2. NI USB-6009采集卡采用螺旋接線端子，可直接在數字輸入輸出接口連接發光二極管、連接器、中繼線和其他數字輸入輸出器件。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據采集功能，用戶以較少的投入即可開展虛擬儀器的教學和開發應用。

虛擬儀器的教學及實訓裝置的特點：

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采集卡的應用具體化、簡單化、經濟化，所有的儀器儀表既能同時測量與控制，使用者也可在NI LabVIEW圖形化開發環境中設計應用設備，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；學生階段學習過程中或在學習結束后，也可選擇NI USB 600X學生套件，來對NI LabVIEW及其虛擬儀器技術進行深入學習和開發。既滿足了學校用戶對NI LabVIEW學習應用的迫切需求，又能以低廉的價格提供最高性價比的產品和成套方案，對市場具有極強推廣意義和示范作用。

3. 此產品主要面對高校用戶，為訓練學生對虛擬儀器技術及其應用提供一種捷徑，學校在利用此設備完成基礎教學任務后，也可再購買精度高、速度快、接口多、適應領域更廣的NI其他產品，進行其他方向的研究。所以這一虛擬儀器的教學及實訓裝置只是在教學領域的一個入門的工具，學生在對NI數據采集產品和NI LabVIEW軟件做基本認識和應用后，在具體的生產實踐中還可使用或購買NI系列產品中的更高端的設備。