应用领域：
大学教育

使用的产品：
NI USB-6009

软件开发平台：
NI LabVIEW 8.2学生版和NI LabVIEW SignalExpress限量版软件

挑战：
目前，公知的虚拟仪器教学系统是由采集卡、基本电路、扩展模块组合而成。一般结构为板式、箱式，结构单一，使用者对虚拟仪器系统的认识，只局限于对软件系统和基本电路的普通知识面，难于达到对虚拟仪器系统综合应用的目的。

应用方案：

为了解决现有的虚拟仪器教学系统在实验学习方面和二次开发应用领域的不足，本方案提供了一种虚拟仪器系统实训台的形式，该实训台不仅能应用于对虚拟仪器采集系统的了解、NI LabVIEW软件的使用、基本硬件电路的认识，而且能让使用者把虚拟仪器系统核心、外围接口、仪器仪表、控制对象进行综合应用，从而解决了虚拟仪器教学实验中，系统与具体使用方向无关联的难点。

介绍：

系统介绍分四个部分：1、系统简介；2、系统组成；3、系统结构；4、实验项目

一、     系统简介：

本装置是一种训练学生对于虚拟仪器技术与测控技术认识和应用的实训设备（型号：QK-Lab）。由工作台、实验主控台及美国NI公司多功能数据采集卡组成。

其中：
1. 工作台长1600mm/宽700mm/高750mm钢木结构，放置实验主控台和计算机主机；
2. 主控台包含仪器仪表和控制对象，所有控制对象和传感器均采用实物模块；
3. 数据采集系统为NI USB-6009多功能采集卡，配合显示仪表和控制对象，进行数据采集及处理。

二、     系统组成：

主控制台由三大单元组成
第一单元 NI USB-6009多功能数据采集卡；
第二单元 仪器仪表；
第三单元 控制面板；

 三、     系统结构：

A．功能: 
8路模拟输入通道, 14位分辨率, 12条数字I/O线, 2路模拟输出通道, 1个计数器;方便而易于携带的USB总线供电型设计;可用于Windows、Mac OS X、Linux和Pocket PC的驱动软件,NI-DAQmx驱动软件和NI LabVIEW SignalExpress交互式数据记录软件。

B．特点:
NI USB-6009具有基本的数据采集功能，其应用范围包括简单的数据记录、便携式测量和学术机构的实验室试验。为移动应用或空间上有限制的应用专门设计，其即插即用的安装最大程度地降低了配置和设置时间，同时它能直接与螺丝端子相连，从而降低了成本并简化了信号的连接。USB 总线供电使用户不再需要携带多余的外部电源。高速USB 的使用便捷，可处理各种应用程序包括自动化测试、过程控制和传感器测量等。

C．优势:
该产品价位适于学生购买且其强大的功能足以用于更为复杂的测量应用。学生在上课时利用实训台上的NI USB-6009采集卡进行学习, 课后也可利用自行购买的USB-6009学生套件，为仿真、测试和自动化的理论性课程补充了实践性实验和开发应用，真正做到学以致用。

2. 第二单元：仪器仪表 

A．功能：

1) 函数信号源：器件采用集成函数发生器XR8038,可输出正弦波、三角波、方波和锯齿波等四种不同的波形。同时采用LF353进行信号滤波和整形。

幅值：
正弦波：0～3.3V（3.3V为峰－峰值，且正负对称）
三角波：0～3.3V（3.3V为峰－峰值，且正负对称）
锯齿波：0～3.3V（3.3V为峰－峰值，且正负对称）
方波：0～3.3V（3.3V为峰－峰值，且正负对称）

频率范围：
分四档2Hz～20Hz、20Hz～200Hz、200Hz～2KHz、2KHz～20KHz。

2) 固定脉冲发生器：器件采用Xilinx公司的XC95XL。共提供10组固定频率方波信号输出，分别是1Hz、10Hz、100Hz、1KHz、10KHz、100KHz、500KHz、1MHz、5MHz、10MHz，幅值为3.3V。

3) 可调直流源： 器件采用工业级正负可调三端稳压LM317T，提供0～＋10V直流电压连续可调。

4) 频率计： 器件采用Altera MAXII EPM1270CPLD芯片。提供10MHz数字频率计，除能测量本系统的信号频率，还可测量系统外的信号频率，是个标准的频率计。

5) 数字电压表：3位半数字显示电压表，测量范围在－19.99V～＋19.99V。

B．特点：

所有的仪器仪表提供的端口形式分为输入端口和输出端口。

1) 输入端口：函数信号源的输出端与AD采样的输入端(AD0-AD7)连接，使用者可在NI LabVIEW图形化开发环境中进行频率计的设计，用虚拟仪器来采集真实的信号，同时也可开展数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形信号发生器、数字万用表、数字电压表等的设计。使用上述在LabVIEW下设计的多种虚拟仪器，还可对平台上的固定脉冲发生器和可调直流源进行测量。

2) 输出端口：频率计的输入端与DA采样的输出端(DA0-DA1)连接，使用者可在NI LabVIEW图形化开发环境中进行函数信号源的设计，用真实仪器来采集虚拟的信号， 同时也可开展固定脉冲发生器、可调直流源等的设计。使用上述在LabVIEW下设计的多种虚拟仪器,还可用平台上的发光管和数字电压表进行测量。

3) 信号处理：对在输入端口中采集的信号生成TDMS文件保存，在AD采集与分析实验中还原，并能与输出端口的信号进行对比和分析

C．优势：

通过对AD中采集的信号和DA中采集的信号进行存储，并对其还原和分析，还可利用NI LabVIEW系统中的元器件库构建数字电路和模拟电路，达到用较小成本完成仪器仪表的设计和应用的目的.

3. 第三单元：控制面板

A．功能：

1) 步进电机控制与驱动：采用光耦隔离驱动电路，连接三相四拍步进电机。

2) 直流电机的控制与驱动及速度的测量：直流电机的光耦隔离驱动电路，输入信号为3.3V的PWM脉冲，脉冲经过光耦隔离，采用H桥电路驱动直流电机实现电机正反转和速度控制，具有正交编码测速电路，留有接口用于测量，信号幅值为3.3V。

3) 继电器控制：电路采用光耦隔离驱动直流12V继电器，输出节点可控制220V/2A、125V/12A交流负载。系统用指示灯作为显示，继电器的控制输入点留出便于插孔连接。

4) PWM输出滤波：电路在固定PWM输出时可以实验D/A功能；电路提供RC滤波电路实现SPWM波的低通滤波。

5) 温度测量及控制电路： 器件采用18B20数字温度传感器，测温范围从-55°C至+125°C。

6) 数字I/O实验：模拟交通信号灯的定时转换过程，设计红黄绿三个灯，显示时间长度可以即时调节，倒计时由数码管显示，并能用软件控制和仿真全过程。

7) 发光二极管阵列电路：提供8路发光二极管，可用于采集卡I/O口的电平显示，也可用于频率显示。

8) 键盘响应控制：电路采用17键矩阵式键盘， 采集开关量，有键按下后采集到信号，同时有相应的发光管显示，也可用数码管显示相应的键盘键值。

9) 语音录放电路：器件采用LM386音频集成功率放大器。可设计为录音机和收音机。完成语音录放功能，通过A/D和D/A完成语音信号的采集与输出，控制引脚和线路线留出便于与控制信号相连。模块电路中有语音录入设备麦克风、语音输出，线路输入线路输出，录放音方式采用程序控制。

10) A/D采样：提供8路模拟输入通道, 14位分辨率,可进行8路信号处理。

11) D/A输出：提供2路模拟输出通道, 14位分辨率,可进行2路信号处理。

12) 按键开关：提供4个自锁带灯按键,4个非自锁带灯按键。

13) CAN总线通信：电路具有CAN总线驱动,通过CAN总线与外部CAN总线设备通信。

14) RS485总线通信：器件采用MAX485ESA。实现与上位机通信功能，提供485-232的转换器

15) RS232总线通信：器件采用MAX232。实现与上位机通信功能。

16) 以太网TCP/IP协议接口：器件采用RTL8019AS,符合IEEE802.3建议,比特率10M,组成系统网络,实现与上位机网络通信教学功能。

B．特点：

所有控制对象和传感器均采用实物模块

C．优势：

通过NI USB-6009多功能数据采集卡对控制对象的测量与控制，控制对象的输入输出端口既是测量口又是控制口。利用系统灵活的结构，既可在NI LabVIEW环境下进行驱动及运行，也可利用仪器仪表进行跟踪测量，达到本装置的功能最大化。

四、实验内容：

提供Express VI源代码同时学习面板设计和Labview的编程。

1. NI LabVIEW入门实验

2. 数字存储示波器的设计与应用

3. 频谱分析仪的设计与应用

4. 频率计的设计与应用

5. 逻辑分析仪的设计与应用

6. 任意波形信号发生器的设计与应用

7. 数字多用表的设计与应用

8. 电压测量与分析实验

9. 全功能动态数字信号发生器的测量与控制

10. 固定脉冲发生器的测量与控制；

11. 开关量信号的测量与控制

12. 交通信号灯的模拟与控制

13. 继电器测量与控制

14. 温度的测量与控制

15. 模拟信号测量端口

16. 数字信号测量端口

17. 数码管显示

18. 键盘响应控制

19. PWM控制模块

20. 模拟电路模块

21. 数字电路模块

22. 语音录放模块

23. 音频滤波实验

24. 音频的输入与输出实验

25. A/D采样

26. D/A实验

27. 数字I/O实验：控制交通灯、自动或手动点亮交通灯

28. 直流电机实验：通过设置不同的转向与转速控制直流电机

29. 步进电机实验：通过设置不同的转向与转速控制步进电机

30. 异步串口通讯实验：双系统上的异步串口间进行通信

31. 同步串口实验：双系统上的同步串口间进行通信

32. 人机接口实验：编写键盘扫描和显示驱动程序并显示按键值

33. 定时器控制实验：设置当前时间、将时间显示在LED上

34. CAN总线接口

35. RS485接口

36. RS232接口

37. 以太网接口

总结：
目前市场中的虚拟仪器教学系统产品的情况有以下几种：

1.  使用NI LabVIEW环境但是采用的是非NI的数据采集硬件设备，可能的结果是造成驱动兼容性等问题，导致实际应用上的高指标低性能。

2.  不提供真正的仪器仪表或可供用户使用的仪器较少，用户还需同时提供测量仪器仪表，导致实验使用设备资源的紧张。

3. 采集卡性能较强但是控制对象和测量端口不足，局限了学生对测量和控制的相互关系的理解。

4. 只强调NI LabVIEW面板控件和虚拟仪器的设计，不能把采集卡的硬件特点和功能完整的体现在教与学的过程中。制约了学生对虚拟仪器设计的真正意义的认识。

我公司于2007年初接受用户的生产要求，即与北京中科泛华测控技术有限公司DAQ事业部的黄欢销售代表进行了设备选择方案的论证，黄欢销售代表即时提供了积极有效的产品信息，包括具体的方案。同时我们也根据用户的实际指标和应用条件，及考虑以后产品市场化以后的成本，对数据采集卡设备的其他供应商及其产品进行了广泛的调研，综合比较后选择了NI USB-6009多功能数据采集卡，数量共34台。

我们的选择理由如下：

1. 系统的集成化是当今工控领域的发展方向，也是本装置的设计初衷的应用要求。NI USB-6009采集卡真正具有多功能数据采集设备的功能。具有8路模拟输入通道, 14位分辨率, 12条数字I/O线, 2路模拟输出通道, 1个计数器;方便而易于携带的USB总线供电型设计;相比其他厂家的产品集成度和便携性等方面更具优势。

2. NI USB-6009采集卡采用螺旋接线端子，可直接在数字输入输出接口连接发光二极管、连接器、中继线和其他数字输入输出器件。实验方式简便、直观、可靠。

3. NI 6009采集卡的价格较低，同时提供了基本的数据采集功能，用户以较少的投入即可开展虚拟仪器的教学和开发应用。

虚拟仪器的教学及实训装置的特点：

1. NI USB-6009采集卡、仪器仪表和控制面板组合在一个平台上，既可相互连接，又能保持独立的通信、测量、控制功能。我们提供了真实的测量仪器仪表和控制对象，而且把这两者和NI USB-6009采集卡的应用具体化、简单化、经济化，所有的仪器仪表既能同时测量与控制，使用者也可在NI LabVIEW图形化开发环境中设计应用设备，对控制对象的信号端口进行测量、采集、分析和存储。

2. 最终用户的投入少、效率高、扩展性强；学生阶段学习过程中或在学习结束后，也可选择NI USB 600X学生套件，来对NI LabVIEW及其虚拟仪器技术进行深入学习和开发。既满足了学校用户对NI LabVIEW学习应用的迫切需求，又能以低廉的价格提供最高性价比的产品和成套方案，对市场具有极强推广意义和示范作用。

3. 此产品主要面对高校用户，为训练学生对虚拟仪器技术及其应用提供一种捷径，学校在利用此设备完成基础教学任务后，也可再购买精度高、速度快、接口多、适应领域更广的NI其他产品，进行其他方向的研究。所以这一虚拟仪器的教学及实训装置只是在教学领域的一个入门的工具，学生在对NI数据采集产品和NI LabVIEW软件做基本认识和应用后，在具体的生产实践中还可使用或购买NI系列产品中的更高端的设备。