CN201278232Y

CN201278232Y - 一种虚拟仪器技术教学与实验系统

Info

Publication number: CN201278232Y
Application number: CNU2008201234069U
Authority: CN
Inventors: 李朱峰
Original assignee: BEIJING OURS ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING OURS ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2018-10-27

Abstract

本实用新型公开了一种虚拟仪器技术教学与实验系统，包括：数字处理模块、数据采集模块、网络通讯模块、智能传感器、万用表和人机交互模块，其中，数字处理模块与网络通讯模块、万用表和人机交互模块分别相连，网络通讯模块与数据采集模块相连，数据采集模块与智能传感器相连。该系统采用了数据采集部分与PC机之间通过以太网进行连接的方式，在应用中要求使用者使用LABVIEW基于网络的编程技术，以达到迎合当前虚拟仪器技术朝网络化发展的目的。

Description

一种虚拟仪器技术教学与实验系统

技术领域

本实用新型涉及测控技术领域，尤其涉及一种虚拟仪器技术教学与实验系统。

背景技术

虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用技术。如今，虚拟仪器技术在成千上万个应用系统中被广泛地使用，从而达到了缩短产品开发时间、提高产品品质和降低生产成本的目的。目前，虚拟仪器技术广泛地被应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药和工业生产等各种领域，虚拟仪器技术正朝着网络化、远端测控的方向发展。利用网络技术将分散在不同地理位置的不同功能的各种测试设备联系在一起，从而使昂贵的硬件设备和软件在网络上得以共享，减少了设备的重复投资。现在，有关测量与控制网络(MCN，Measurement andControl Networks)方面的标准的制定正在积极进行，并取得了一定的进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。

当前测控领域中虚拟仪器技术的发展极为迅速，为及时跟上虚拟仪器技术发展的步伐，了解其最新进展与动态，在高等院校理工科电子、电工、自动化等专业的高年级本科生与研究生层次的教学中开设与虚拟仪器相关的课程是当前高等院校教学的发展趋势。但是，国内目前尚无基于网络数据采集的虚拟仪器教学实验平台。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种虚拟仪器技术教学与实验系统，以实现基于网络数据采集的虚拟仪器技术教学与实验。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种虚拟仪器技术教学与实验系统，该系统包括：数字处理模块、数据采集模块、网络通讯模块、智能传感器、万用表和人机交互模块，其中，

所述数字处理模块与所述网络通讯模块、万用表和人机交互模块分别相连，所述网络通讯模块与所述数据采集模块相连，所述数据采集模块与所述智能传感器相连；

所述数字处理模块，用于对所述万用表、网络通讯模块和人机交互模块进行调度和控制；

所述万用表，用于接收所述数字处理模块的控制命令，并根据所述控制命令产生数据采集的参考信息返回给所述数字处理模块；

所述网络通讯模块，用于将所述数字处理模块根据万用表返回的参考信息所产生的控制命令通过网络传输给所述数据采集模块；

所述数据采集模块，用于根据来自所述网络通讯模块的控制命令从所述智能传感器采集所需的数据，并将采集到的数据通过所述网络通讯模块发送给所述数字处理模块；

所述人机交互模块，用于对来自所述数字处理模块的信息进行显示。

其中，所述人机交互模块包括液晶屏、触摸屏、按键和编码器中的至少一种。

所述数据采集模块为16bits 8通道AD采集板。

所述智能传感器包括无线通讯模块，用于无线传输系统中的控制命令和数据命令。

所述系统还包括扩展面包板，所述扩展面包板与所述数据采集模块相连，用于将电子元器件连接到所述数据采集模块，给所述数据采集模块提供数据源。

所述系统还包括可调电源，所述可调电源与所述数字处理模块相连，用于接收所述数字处理模块输出的可调信号，产生所需的电源信号。

所述系统还包括信号源，所述信号源与所述数字处理模块相连，用于根据所述数字处理模块的控制产生所需的模拟信号。

所述信号源通过SPI总线与所述数字处理模块相连，用于接收所述数字处理模块的控制命令。

本实用新型所提供的一种虚拟仪器技术教学与实验系统，具有以下有益效果：

1、由于系统的实验箱内嵌高性能网络数据采集仪，因此无需计算机采集卡，便可实现实验箱与计算机高速的数据传输；

2、本系统首次采用了数据采集设备与PC机之间通过以太网进行连接的方式，结合使用图形化的编程语言LABVIEW(Laboratory Virtual instrumentEngineering Workbench)基于网络的编程技术，可以实现网络数据采集的功能，而且还能基于以太网通过远程监控来控制系统的工作；

3、本系统中的智能传感器模块中采用了无线通信模块，因此本系统还可以通过无线通讯的方法传输数据；

4、本系统在设备端提供了完备的人机交互功能，支持真彩色薄膜场效应晶体管(TFT，Thin Film Transistor)液晶屏显示，支持触摸屏操作，交互清晰友好，使用系统使用起来更加方便，同时也提高了用户体验度；

5、实验箱包含电子类实验室常用的仪器仪表模块，包括数字可调电源、信号源、万用表、常用的传感器和常用的数字处理模块，可以完成虚拟可调电源、虚拟万用表、虚拟信号源、虚拟传感器等多种基本例子实验，通过这些例子实验为用户演示了实验完成的具体过程，使用户的教学与实验更加方便；

6、系统提供可选的多种标准的扩展板面包板，如运算电路单元扩展板、心电信号采集扩展板等，提供各个专业的单元模块，方便教学，同时也方便进行多种临时的功能扩展，具有优异的扩展性；

7、系统使用LABVIEW基于网络的编程技术，包括LABVIEW源代码，如此可以使实验资源完全开放，并且可以根据需要在LABVIEW中进行自定义功能设置；

8、由于本系统是基于实验平台，因此基于本系统可以通过上位机或者PC机开发包括示波器、万用表、函数发生器、逻辑分析仪等各种功能的虚拟仪器。

附图说明

图1为本实用新型一种虚拟仪器技术教学与实验系统的组成结构示意图；

图2为本实用新型中数字处理模块的结构示意图；

图3为本实用新型中网络通讯模块的结构示意图；

图4为本实用新型中数字处理模块和网络通讯模块的网络结构示意图；

图5为本实用新型中数据采集模块的结构示意图；

图6为本实用新型中智能传感器终端模块的结构示意图；

图7为本实用新型中智能数字万用表(DMM，Digital Multi Meter)的结构示意图；

图8为本实用新型中直接数字合成(DDS，Direct Digital Synthesizer)函数发生器模块的结构示意图；

图9为本实用新型中可调电源的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型的技术方案进一步详细阐述。

本系统提供高精度的数据采集，丰富的传感器扩展，并且提供可调电源输出，和多种参考的信号源输出，配合集成的网络功能和PC端使用的LABVIEW基于网络编程的技术，完全满足高可靠、高性能的网络信号测量需求，是实现功能强大的以太网虚拟仪器设备。本系统可以实现虚拟示波器、虚拟万用表、虚拟信号源和虚拟可调电源等功能。并且在设备端提供完备的人机交互功能，支持真彩色TFT液晶屏显示，支持触摸屏操作，交互清晰友好。本系统也提供了丰富的扩展功能，非常适合学校和各类科研院所作为数据采集的评估平台或教学系统。

在应用过程中，本系统与外接PC机之间通过以太网的方式进行连接，在使用中要求用户在PC端使用LABVIEW基于网络编程的技术，以此达到适应当前虚拟仪器技术朝网络化发展的目的。

如图1所示，本实用新型一种虚拟仪器技术教学与实验系统，该系统的各个模块可以集成在一个实验箱内，主要包括：数字处理模块10、网络通讯模块20、数据采集模块30、智能传感器40、万用表50和人机交互模块60，其中，数字处理模块10与网络通讯模块20、万用表50和人机交互模块60分别相连，网络通讯模块20与数据采集模块30相连，数据采集模块30与智能传感器40相连。

其中数字处理模块10是本系统的核心，用于整个系统的调度和控制。通过数字处理模块10发起数据的采集或者测量等任务，首先数字处理模块10发送控制命令给万用表50，万用表50根据控制命令执行相应的操作，产生所需的有关数据采集的参考信息，如数据的采样信息或者测量信息等；数字处理模块10接收到万用表50的信息后，将该信息传送到人机交互模块60的显示屏上供用户参考，同时数字处理模块10根据万用表50的信息发送控制命令给网络通讯模块20，网络通讯模块20再将控制命令通过网络传输给数据采集模块30，数据采集模块30根据控制命令从智能传感器40采集所需的数据；然后，数据采集模块30将采集到的数据通过网络通讯模块20传输给数字处理模块10，最后通过人机交互模块60提供给用户。

该系统还可以包括信号源70、可调电源80、扩展面包板90其中之一或以上任意的组合，其中，信号源70与数字处理模块10相连，根据数字处理模块10的控制产生所需的模拟信号；扩展面包板90与数据采集模块30相连，将多种电子元器件连接到数据采集模块10上，给数据采集模块30提供了丰富的数据源；可调电源80与数字处理模块10相连，接收数字处理模块10输出的可调信号，产生用户所需的电源信号。

如图2所示为本实用新型中数字处理模块的结构示意图。数字处理模块10负责整个虚拟仪器的系统调度、信号源的控制、数据采集的控制、人机交互模块70中液晶屏的控制、网络命令的处理以及各个模块之间的协调。数字处理模块采用NAND Flash存储本虚拟仪器的核心程序，运行在WinCE5.0操作系统下。当操作系统启动后，该虚拟仪器自动启动仪器界面，屏蔽WinCE5.0的启动信息。

如图3所示为本实用新型中网络通讯模块的结构示意图。网络通讯模块负责控制数据采集模块30的高速AD电路、数据采集信息和数据缓存信息，并且通过网络进行数据传输。图4显示了本实用新型中数字处理模块和网络通讯模块的网络结构示意图，其中RJ45-2 403和RJ45-3 404是网络通讯模块20的两个物理网口。网络通讯模块20收到数据采集模块30传输来的数据后，将该数据通过net0 401透传给数字处理模块10；当数字处理模块10给上位机或PC机发送数据时，首先通过net0 401传输给网络通讯模块20，然后再通过net1 402传输给上位机或PC机。另外，当网络通讯模块20控制数据采集模块30的AD数据采集部分采集数据时，将通过net1 402将大量的数据传送给上位机或PC机。

数据采集模块30可以提供16bits 1.25M的数据采集功能，可以由16bits 8通道AD采集板实现。图5所示为本实用新型中数据采集模块的结构示意图，该模块电路允许8路外部电压信号输入，电压输入范围为-10V～+10V。通过8选1模拟开关(MUX)506选通一路模拟信号送给AD控制器501进行数据采集，该AD控制器501可以提供16bits 1.25M的数据采集功能，MUX 506的选择由网络通讯模块20控制。采集到的结果会缓存到现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)502控制的内存SRAM(Static RAM)503中。FPGA 502采集数据采用乒乓结构，当数据在缓存半满时会产生中断给网络通讯模块20；然后，网络通讯模块20通过总线的方式将数据取走，缓存在其控制的内存中，再通过网络的方式发送给上位机504，如PC机，PC机接收到数据以后，通过LABVIEW基于网络编程的技术实现物理示波器的功能。

其中，AD数据采集部分采用模块化的设计，AD数据采集相关电路都放在AD模块板505上。

需要指出的是网络通讯模块20和数据采集模块30结合使用成为一个高性能的网络数据采集仪。

智能传感器40包括智能传感器扩展口，可以扩展多种传感器，传感器部分可以采用智能传感器终端模块，如图6所示为本实用新型中智能传感器终端模块的结构示意图，包括传感器601、信号调理模块602、无线通讯模块603和微型控制器(MCU)604。本实用新型的系统中可以含有多个传感器，每个传感器输出的模拟信号的类型不同，所以传感器601输出的模拟信号可以有电压型的、电流型的和电阻型的等等。通过信号调理模块602，将传感器601产生的各种类型的模拟信号变为电压型的模拟信号，再通过放大滤波，成为真正被采集的信号提供给数据采集模块30。当智能传感器40运行在独立使用模式时，要求信号调理模块602输出的模拟信号在0～3.3V；如果工作在联合模式下，要求输出的信号是0～3.3V或-10V～+10V。

智能传感器工作时有以下几种常见的状态：数据采集、无线数据通讯、USB接口通讯、通用非同步收发传送器(UART，Universal AsynchronousReceiver/Transmitter)与上位机进行通讯和系统工作异常报警等。每种工作状态通过LED指示灯表示。另外，微型控制器604能存储智能传感器的节点信息，如此上位机或PC机可以智能的识别传感器601。

无线通讯603模块，采用该模块可以实现无线传输数据的功能。本实用新型中采用ZIGBEE协议的无线通讯模块，可以实现ZIGBEE无线组网，负责无线传输各种控制命令和数据命令，并且允许动态组网；当然也可以采用蓝牙、红外线等无线通讯模块。

万用表50可以采用智能数字万用表(DMM)，如图7所示为本实用新型中智能数字万用表的结构示意图。万用表50的控制完全由数字处理模块10负责。数字处理模块10通过两线接口将控制信号传递给DMM控制器701，然后万用表50根据控制命令执行相应的应用功能，如测量信号的电压值等；同时数字处理模块10通过串口将万用表50的数据采样信息、测量信息接收下来，显示在人机交互模块60的液晶屏上，或者传递给上位机，供用户参考。

人机交互模块60可以包括液晶屏、触摸屏、按键和编码器等，其中液晶屏可以采用4.3寸TFT LCD；触摸屏可以采用4线电阻式触摸屏；按键可以采用6个按键，其中一个复位按键，其他5个为功能按键；编码器可以采用4个双路输出旋转增量式编码器。编码器的解析工作由独立的板上寄存器CPLD1完成，4个编码器的输出共享一个系统中断(EINT19)，通过一个板上寄存器来说明编码器的状态。

信号源70采用数字信号源DDS函数发生器模块，用户可以根据需要通过数字处理模块10来控制信号源70产生符合要求的信号。如图8所示为本实用新型中DDS函数发生器模块的结构示意图。DDS函数发生器模块负责产生模拟信号：正弦波、三角波和方波，产生的模拟信号其频率可调、幅度可调，其中DDS函数发生器模块产生模拟信号由数字处理模块10控制，DDS函数发生器模块根据数字处理模块10发送来的控制命令产生相应的模拟信号。如图8所示DDS函数发生器模块电路的DDS控制器801通过SPI总线与数字处理模块10相连，SPI总线是一种同步串行外设接口，通过它可以使数字处理模块10与DDS控制器801以串行方式进行通信以交换信息。DDS控制器801产生的模拟信号经过信号处理模块802进行直流隔离、放大、滤波后输出。其中，正弦波信号输出的频率范围为1Hz～2MHz，三角波和方波输出的频率范围为1Hz～1MHz，正弦波和三角波输出信号的最大幅度为5V，方波输出的最大幅度为20V。输出的模拟信号的频率通过PC机进行控制，将输出的模拟信号的电压与由电位器803产生并控制的电压偏置求和，最终得到符合要求的数字信号。

其中，信号源70如数字信号源DDS函数发生器模块中的两个主硬件：两个16bits DA通道，用于根据数字处理模块10的控制命令产生信号。

可调电源80可以采用数字可调电源，由数字处理模块10控制。如图9所示为本实用新型中可调电源的结构示意图。其中输入电源采用-15V～+15V电源，输出信号分为两组，其电压分别为0～+12V和-12V～0。这两组输出信号经过数字处理模块10处理，再分别输出给两个8bits DA 901进行256步进可调后，输出给可调电源902，产生用户所需的电源信号。

扩展面包板90与数据采集模块30相连，通过扩展面包板90可以将多种电子元器件，如运算电路单元等与数据采集模块30相连，根据实验的需要，可以将多种电子元器件插入或拔出扩展面包板，为数据采集模块30提供了丰富的数据源。

需要指出的是，本实用新型采用复杂可编程逻辑控制器(CPLD，ComplexProgrammable Logic Device)将所有的模块粘合在一起，控制各个模块元器件的逻辑连接关系。其中，CPLD1负责控制系统内部的扩展IO口，通过CPLD1编写规则控制内部各个模块扩展IO口的连接；CPLD2负责控制板上IO口扩展，通过CPLD2编写规则控制系统的扩展IO口与外部元器件的连接，并将其中一些扩展IO口以串口的形式实现，控制各个串口的功能性连接。

其中，在数字处理模块中，系统通过计数器的计数定时功能来计数当前程序的运行状态，为延时等程序提供时间参数。本实用新型使用CPLD2完成32bits计数器，计数速度由CPLD2上的晶振决定。

由于本系统采用了数据采集设备与PC机之间通过以太网进行连接的方式，结合使用LABVIEW基于网络的编程技术，可以实现网络数据采集的功能；同时还能远程控制该系统的核心数字处理模块10，以此来控制和调度整个系统的运行。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims

1、一种虚拟仪器技术教学与实验系统，其特征在于，该系统包括：数字处理模块、数据采集模块、网络通讯模块、智能传感器、万用表和人机交互模块，其中，

2、根据权利要求1所述虚拟仪器技术教学与实验系统，其特征在于，所述人机交互模块包括液晶屏、触摸屏、按键和编码器中的至少一种。

3、根据权利要求1所述虚拟仪器技术教学与实验系统，其特征在于，所述数据采集模块为16bits 8通道AD采集板。

4、根据权利要求1所述虚拟仪器技术教学与实验系统，其特征在于，所述智能传感器包括无线通讯模块，用于无线传输系统中的控制命令和数据命令。

5、根据权利要求1所述虚拟仪器技术教学与实验系统，其特征在于，所述系统还包括扩展面包板，所述扩展面包板与所述数据采集模块相连，用于将电子元器件连接到所述数据采集模块，给所述数据采集模块提供数据源。

6、根据权利要求1所述虚拟仪器技术教学与实验系统，其特征在于，所述系统还包括可调电源，所述可调电源与所述数字处理模块相连，用于接收所述数字处理模块输出的可调信号，产生所需的电源信号。

7、根据权利要求1、或5、或6任一所述虚拟仪器技术教学与实验系统，其特征在于，所述系统还包括信号源，所述信号源与所述数字处理模块相连，用于根据所述数字处理模块的控制产生所需的模拟信号。

8、根据权利要求7所述虚拟仪器技术教学与实验系统，其特征在于，所述信号源通过SPI总线与所述数字处理模块相连，用于接收所述数字处理模块的控制命令。