應(yīng)用領(lǐng)域：
大學(xué)教育
使用的產(chǎn)品：
NI USB-6009
軟件開發(fā)平臺(tái)：
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、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(duì)虛擬儀器系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，只局限于對(duì)軟件系統(tǒng)和基本電路的普通知識(shí)面，難于達(dá)到對(duì)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(tái)的形式，該實(shí)訓(xùn)臺(tái)不僅能應(yīng)用于對(duì)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(shí)，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(duì)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(gè)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
一、 系統(tǒng)簡介：
本裝置是一種訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于虛擬儀器技術(shù)與測控技術(shù)認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的實(shí)訓(xùn)設(shè)備（型號(hào)：QK-Lab）。由工作臺(tái)、實(shí)驗(yàn)主控臺(tái)及美國NI公司多功能數(shù)據(jù)采集卡組成。
其中：
1. 工作臺(tái)長1600mm/寬700mm/高750mm鋼木結(jié)構(gòu)，放置實(shí)驗(yàn)主控臺(tái)和計(jì)算機(jī)主機(jī)；
2. 主控臺(tái)包含儀器儀表和控制對(duì)象，所有控制對(duì)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(duì)象，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理。
二、 系統(tǒng)組成：
主控制臺(tái)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；
三、 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線, 2路模擬輸出通道, 1個(gè)計(jì)數(shù)器;方便而易于攜帶的USB總線供電型設(shè)計(jì);可用于Windows、Mac OS X、Linux和Pocket PC的驅(qū)動(dòng)軟件,NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)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(dòng)應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用專門設(shè)計(jì)，其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時(shí)間，同時(shí)它能直接與螺絲端子相連，從而降低了成本并簡化了信號(hào)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(dòng)化測試、過程控制和傳感器測量等。
C．優(yōu)勢:
該產(chǎn)品價(jià)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(shí)利用實(shí)訓(xùn)臺(tái)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(dòng)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(hào)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(shí)采用LF353進(jìn)行信號(hào)濾波和整形。
幅值：
正弦波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值，且正負(fù)對(duì)稱）
三角波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值，且正負(fù)對(duì)稱）
鋸齒波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值，且正負(fù)對(duì)稱）
方波：0～3.3V（3.3V為峰－峰值，且正負(fù)對(duì)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(hào)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(jí)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(jì)： 器件采用Altera MAXII EPM1270CPLD芯片。提供10MHz數(shù)字頻率計(jì)，除能測量本系統(tǒng)的信號(hào)頻率，還可測量系統(tǒng)外的信號(hào)頻率，是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的頻率計(jì)。
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(hào)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(jì)的設(shè)計(jì)，用虛擬儀器來采集真實(shí)的信號(hào)，同時(shí)也可開展數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬用表、數(shù)字電壓表等的設(shè)計(jì)。使用上述在LabVIEW下設(shè)計(jì)的多種虛擬儀器，還可對(duì)平臺(tái)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(jì)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(hào)源的設(shè)計(jì)，用真實(shí)儀器來采集虛擬的信號(hào)， 同時(shí)也可開展固定脈沖發(fā)生器、可調(diào)直流源等的設(shè)計(jì)。使用上述在LabVIEW下設(shè)計(jì)的多種虛擬儀器,還可用平臺(tái)上的發(fā)光管和數(shù)字電壓表進(jìn)行測量。
3) 信號(hào)處理：對(duì)在輸入端口中采集的信號(hào)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(hào)進(jìn)行對(duì)比和分析
C．優(yōu)勢：
通過對(duì)AD中采集的信號(hào)和DA中采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并對(duì)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(jì)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(dòng)：采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)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(dòng)及速度的測量：直流電機(jī)的光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，輸入信號(hào)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(dòng)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(hào)幅值為3.3V。
3) 繼電器控制：電路采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)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(shí)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(hào)燈的定時(shí)轉(zhuǎn)換過程，設(shè)計(jì)紅黃綠三個(gè)燈，顯示時(shí)間長度可以即時(shí)調(diào)節(jié)，倒計(jì)時(shí)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(hào)，同時(shí)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(jì)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(hào)的采集與輸出，控制引腳和線路線留出便于與控制信號(hào)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(hào)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(hào)處理。
12) 按鍵開關(guān)：提供4個(gè)自鎖帶燈按鍵,4個(gè)非自鎖帶燈按鍵。
13) CAN總線通信：電路具有CAN總線驅(qū)動(dòng),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(duì)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(duì)控制對(duì)象的測量與控制，控制對(duì)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(dòng)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。
四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：
提供Express VI源代碼同時(shí)學(xué)習(xí)面板設(shè)計(jì)和Labview的編程。
1. NI LabVIEW入門實(shí)驗(yàn)
2. 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
3. 頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
4. 頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
5. 邏輯分析儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
6. 任意波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
7. 數(shù)字多用表的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
8. 電壓測量與分析實(shí)驗(yàn)
9. 全功能動(dòng)態(tài)數(shù)字信號(hào)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(hào)的測量與控制
12. 交通信號(hào)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(hào)測量端口
16. 數(shù)字信號(hào)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(dòng)或手動(dòng)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(dòng)程序并顯示按鍵值
33. 定時(shí)器控制實(shí)驗(yàn)：設(shè)置當(dāng)前時(shí)間、將時(shí)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
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(dòng)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(shí)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(duì)象和測量端口不足，局限了學(xué)生對(duì)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(jì)，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(duì)虛擬儀器設(shè)計(jì)的真正意義的認(rèn)識(shí)。
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(shí)提供了積極有效的產(chǎn)品信息，包括具體的方案。同時(shí)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(duì)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(tái)。
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(jì)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(gè)計(jì)數(shù)器;方便而易于攜帶的USB總線供電型設(shè)計(jì);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(jià)格較低，同時(shí)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(gè)平臺(tái)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(duì)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(shí)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(jì)應(yīng)用設(shè)備，對(duì)控制對(duì)象的信號(hào)端口進(jìn)行測量、采集、分析和存儲(chǔ)。
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(duì)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(duì)NI LabVIEW學(xué)習(xí)應(yīng)用的迫切需求，又能以低廉的價(jià)格提供最高性價(jià)比的產(chǎn)品和成套方案，對(duì)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(duì)高校用戶，為訓(xùn)練學(xué)生對(duì)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(gè)入門的工具，學(xué)生在對(duì)NI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品和NI LabVIEW軟件做基本認(rèn)識(shí)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。
