可視化圖形編程在新工科實驗教學中的應用

徐 航，印 月，孫 曼，朱英偉，沈 燁

（四川大學 電氣工程學院，成都 610065）

高效的實驗教學非常重要，尤其是工科實驗教學[1-3]。按照英國高等教育質量保證局（Quality Assurance Agency，QAA）的定義，培養生理學本科生的實驗技能是其教育的一個重要組成部分[4]。此外，在代表數學和工程軟件開發商Math Works進行的一項調查中，學術界和雇主都認為，缺乏實驗經歷是造成英國STEM 畢業生技能差距的一個重要因素[5]。據此英國布里斯托爾大學要求學生獨立完成1～2 個實驗設計研究項目之后，才能開始畢業答辯論文的撰寫[6]。我國近些年也越來越注重實驗教學，四川大學電路電工實驗室疫情期間不斷開拓創新，同時采用口袋實驗室、虛擬實驗平臺、遠程實物實驗以及可視化圖形技術等多種方式為全校工科院系學生開展各類高效的實驗課程。

傳統的實驗設備在實驗教學中暴露出各種弊端，比如沒有實驗模擬、數據智能測量分析以及可視化界面等功能，可視化圖形編程極有可能解決這些問題。近年來LABVIEW 在多領域得到了迅猛的發展，如電力行業中的風機葉片狀態監測系統[7]、電廠回熱系統設計[8]、復合絕緣子自動清洗和監測系統[9]；機械行業中的輸送機動態參數監控[10]、液壓缸監測設計[11]、叉車動力測試系統[12]；航空航天行業中的航天器電源系統測試[13]、無人機地面監測系統[14]、飛機起落架收放系統[15]。這些領域都大量采用LABVIEW 控制，但至今可視化圖形控制在新工科實驗教學應用中還比較欠缺。因此，開發一個完整的具有先進性的可視化圖形編程與傳統實驗設備相結合的智慧教學平臺，與時俱進地對學生進行實驗教學，以提高學生的動手和創新能力，是一個不可或缺的目標。

本文研究LABVIEW 技術助力實驗教學的可能性，并開發了一個完整的可視化實驗控制平臺，對諧振實驗、單管放大以及功率因數提高等實驗進行了多次測試，結果表明這種圖形化控制軟件結合傳統儀器更加靈活、智能。同時將該系統在高溫超導閉環線圈電流控制項目中進行了應用，首次成功將閉合超導線圈中的電流以非接觸的方法，將控制精度提高到了2‰以內，達到了國際領先水平。

1 實驗平臺總體設計框圖

實驗教學系統的人機界面和系統程序是基于LABVIEW 圖形化編程語言實現的。LABVIEW在人機界面的創建上有巨大優勢，利用其眾多豐富的控件可以快速實現大多數場景的圖形控制設計[16]。實驗室中的硬件平臺包括固緯GDS-1000B數字示波器、AFG-2225 任意函數發生器、科睿源KA3010P 電源以及RLC 串聯諧振電路，這個電路也可以替換為單管放大電路或者一階時間常數測量電路。本文主要設計完成了兩個模型，系統總體結構如圖1 所示。

圖1 實驗教學系統總體結構

該程序主要有5 大功能：

1）采集電路電壓、頻率以及波形等基本信息；

2）對采集到的信息進行智能化處理，按照預先設定好的程序，從大量數據中找到核心數據；

3）通過數據分析，得出或設置控制變量，使電路形成一個負反饋控制系統；

4）將數據按照真實采集時間進行實時存儲；

5）將所采集的電壓、頻率等數據按照預設的格式實時存儲在excel 文件中，方便用origin 軟件進行數據分析。

該實驗系統形成了一個實時閉環控制系統，具有較強的交互性和擴展性，可以幫助學生通過自主編程，快速、準確測量出實驗所需的大量數據。有助于學生在充分理解實驗過程的基礎上，加深對課程理論知識的理解，同時掌握相關儀器儀表的使用，最終提高學生的綜合實踐能力。

2 通過LABVIEW 搭建完整的自動測試模型

2.1 實驗平臺在諧振實驗中的應用

諧振實驗在無線電技術、廣播電視技術中有著廣泛的應用[17]。各種無線電裝置、設備、測量儀器等都不可缺少諧振電路。諧振電路的顯著特點就是選擇有用頻率的同時濾除其他有害頻率成分。當電路中電壓和電流同相位時，這種情況稱為串聯諧振，此時的頻率稱為諧振頻率：

式中：f0是 諧振頻率，單位Hz；ω0是諧振角頻率，單位rad；L為諧振電路的電感值，單位mH；C為諧振電路的電容值，單位μF。

當函數發生器輸出信號的有效值保持不變，電流有效值隨頻率變化的特性曲線即稱為RLC 串聯電路的幅頻特性曲線。實驗借助LABVIEW 軟件編程實時控制函數發生器信號有效值保持不變，頻率在0.1～9 Hz 之間以0.01 Hz 的步長逐漸遞增；同時控制GDS-1000B 示波器實時讀取采集到的波形有效值，并將所有實驗數據自動存儲在指定位置的excel 文檔中，并以時間戳自動命名。具體控制流程如圖2 所示。圖3 是諧振實驗LABVIEW 可視化程序界面，采集間隔時間1 ms，程序可以在18 min 內采集完1 900 個波形有效值以及對應的頻率數據。最終利用origin 畫出幅頻特性曲線，即可以求出準確的諧振頻率以及截止頻率。相較傳統實物實驗，學生需要重復多次同樣的步驟，手動測量數據，這種“LABVIEW+傳統硬件電路”的實驗模式可以讓學生在有效預習、節省實驗時間、深入理解實驗過程和意義的同時，得到更加準確的實驗結果。

圖2 LABVIEW 實驗數據采集流程圖

圖3 諧振實驗LABVIEW 檢測程序前面板

數據采集完成后，程序通過對不同頻率值對應的電流有效值進行對比分析，就可以得出電路的諧振頻率并自動顯示。利用origin 軟件分別對電阻、電感以及電容上的電壓和頻率數據進行作圖，可以繪制出RLC 電路的諧振曲線，如圖4 所示。圖5 是不同頻率下電阻上的幅頻特性曲線。

圖4 RLC 電路諧振曲線自動繪制

圖5 諧振電路電阻曲線自動繪制

2.2 平臺在單管放大實驗中的應用

同樣的LABVIEW 實驗平臺也可以應用在晶體管放大電路非線性失真綜合實驗當中。放大電路是“模擬電子技術”實驗課程最基本、最重要的學習內容之一。通過調節AFG-2225 任意波形發生器的信號幅值和基極電阻，可以實現無失真放大、飽和失真、截止失真以及雙向失真4 種晶體管常見波形信號輸出，并直接三維作圖輸出，方便學生對比觀察分析。教學實踐證明：此實驗較好地實現了晶體管放大電路非線性失真實驗要求。對比常規實物實驗，學生可以將更多的實驗時間用在數據的分析上，而不是數據的重復測量。利用LABVIEW 可視化實驗平臺可以很方便地測量出4 種失真波形以及最大不失真波形，波形如圖6 所示。

圖6 LABVIEW 自動測量放大波形

3 可視化實驗平臺意義

3.1 智能化測量分析實驗數據

系統實現的功能可以根據不同的實驗需求進行定制，相比傳統的硬件平臺更加靈活、智能，并且可以快速測量出實驗所需數據，同時對數據進行復雜智能處理。

在這種虛實結合的實驗中，學生通過對理論知識的徹底理解，針對某個實驗在較短時間內完成LABVIEW 程序的搭建，可以通過十幾分鐘完成數千數據的測量與智能分析。相較傳統實驗，學生有更多的時間對實驗過程進行升級改進，從而加深對理論知識的理解，老師也可以有針對性的解答學生的疑問。諧振實驗的LABVIEW 實物平臺如圖7 所示。同時我們也在不斷對平臺進行改造升級，前期的半虛擬仿真平臺由于實驗硬件的原因只能用于實驗課堂教學使用，通過進一步升級，硬件電路軟件化，完成了全虛擬仿真平臺的替換?，F在實驗平臺不但可以作為實驗預習使用，還可以作為理論課課堂演示使用，不受實驗地點、實驗儀器的限制。

圖7 諧振實驗的LABVIEW 實物平臺

3.2 可以基于此平臺做遠程“實物”實驗

實驗硬件平臺包括固緯GDS-1000B 數字示波器、AFG-2225 任意函數發生器、科睿源KA3010P可編程直流穩壓電源、安捷倫的34972A 采集卡以及浙江天煌公司的KT 電路實驗箱。LABVIEW 實驗平臺可以快速實現與實驗室電源、函數發生器、示波器以及采集卡等硬件的數據交互，并且集成了數據采集、顯示與智能分析模塊，在此基礎上學生可以快速完成簡單實驗數據的測量、存儲和分析。實驗室也基于LABVIEW 程序完成了實驗臺的遠程操作設計，疫情下，學生在家就可以完成實物實驗的遠程操作。這套“實驗平臺+實驗報告評價系統”，基本可以讓學生在家隔離期間順利完成各種實物實驗的遠程操作以及網上實驗報告的撰寫，類似深圳市易星標技術有限公司開發的遠程硬件實物平臺，相比前者，這種LABVIEW 平臺適用性更加廣泛，也更加靈活，有更強的移植性。

3.3 可以應用到多學科教學和科研當中

該LABVIEW 實驗平臺有以下功能：

1）通過串行通信VISA 口與實驗室的儀器通信，實現上位機LABVIEW 程序與實驗設備之間的實時通信與數據讀取和存儲；

2）對實驗數據進行快速采集與定點存儲，相比傳統實驗可以在較短時間內完成較大數據量的測量；

3）對采集到的實驗數據智能化處理，按照程序要求對數據進行處理并可視化顯示，并對實驗硬件進行閉環反饋控制；

4）程序模擬硬件，用于實驗預習以及理論課課堂演示。

基于以上功能，LABVIEW 程序可以很方便地應用到傳統實驗當中，也可以應用在科研項目當中，比如在沒有反饋硬件的時候采用LABVIEW程序中的高級DIP 控制對系統性能進行測試。2021 年，該實驗平臺成功應用到第二代高溫超導發電機設計當中，將超導磁體閉合電流精度首次控制到2‰以內[18]，如圖8 所示，進一步說明該系統的實用性以及可靠性。對比其他控制方法，本文提出的可視化圖形編程在軟件編程、硬件設計以及調試難度上都有很大的優勢。

圖8 實驗系統在超導電流精準控制中的應用[18]

4 結束語

本文基于以往實驗室的虛擬平臺建設過程，結合一線實驗員的經驗，針對實驗室硬件環境的不足以及疫情常態化的實驗需求，設計了一套基于實驗室現有硬件設備的LABVIEW 實驗平臺。該系統采用可視化虛擬儀器技術實現脈沖信號、直流電壓、直流電流、數字示波器以及函數發生器等儀器數據的生成和輸出，不僅實現了傳統實驗大量重復數據的快速測量分析和存儲，并且有助于學生理解現代數據處理和傳輸原理，同時掌握LABVIEW 軟件的編程方法。隨著虛擬儀器技術的進一步發展，此實驗平臺不但可以用于實驗教學和科研，還可以用在理論課課堂演示當中，有很重要的實用價值。