使用LabVIEW 开发远程电子工程实验课

使用LabVIEW 开发远程电子工程实验课

    远距学习已经成为教育界必要且逐渐普及的教学方法。成长迅速的资讯与科技，也促使教育界必须持续升级教学技巧，以免学生的学习与专业知识落于人后。基于时间与空间的根本限制，大家已经越来越依赖远距学习。目前的远距学习主要需整合电脑与通讯，以利使用者能与远程资源即时互动。许多教学机构更已纳入远距学习，作为课程方案的一部份。

    工程教学的主要目的之一，就是要能统合课堂说明、实作实验、理论知识，让学生获得完整的工程学习经验。若能以虚拟实验而达到远距学习，则可改善实验资源难以取得的缺点，并让越来越多选课进修的学生补足其欠缺之处。当然，最理想的情况就是能直接在实验室中获得实作经验；但在无法满足客观条件的情况下，我们也期待远距学习能弥补不足之处。

    远程与虚拟操作实验已经不是新的概念，且目前主要可分为2 大类。第一种就是通过电脑模拟实际实验。如此必须先建立实际系统的模型，再使之尽量贴近实际实验。第二种就是通过虚拟仪控，由真正的实验室远程操作虚拟实验。

    由目前看来，第二种虚拟实验需用到真正的设备，因此也必须事先完成接线与设定。另外，我们几乎不用变动实体组态，且使用者的互动过程，主要仅受限于操作实际系统所必要的「更改控制参数」或「下载控制程式码」。通过操作中的实际系统，即可传输相关响应的图表或影片，直接显示于学生眼前的萤幕。目前为止，针对远程实验室的实际硬体设定，所产生的虚拟实验研究报告仍旧不多。基于学生与实验室之间的地理位置距离，不得不承认实验本身即存在既有难度。

    我们所建立的系统，是第二种虚拟实验「较实际的版本」。我们的系统主要是为了电子设计实验，并于实验室中附挂电子电路以趋近真实经验，另外能针对显示与分析目的而设定仪器/量测系统。不论是完整或特定的电子电路，均可应用此方法，但其实仅通过纸本就可呈现电路原型。使用者可真实互动实际的电子元件与仪器，甚至可通过手边的面包板与元件，直接于电路中配置/连接电子元件。

整体系统均以虚拟仪控为中心。虚拟仪器包含工业级标准的电脑或工作站，并已搭载驱动程式、高成本效益的硬体(如插入式介面卡)、功能强大的应用软体，以执行传统仪器的功能。但通过虚拟仪控，工程师可使用图形化的程式设计软体，依自己的特殊需求而建立使用者定义的解决方案。此外，早已普及的个人电脑即可使用虚拟仪控，提供传统仪器所无法达到的功能。图1 即为整体系统的简图。

远程电子实验系统的整体简图

使用LabVIEW而程式设计NI ELVIS。使用者介面主要可分为4大区块：实验输出指示元、硬体稳定度与网表(此文字档包含最后电路设计的文字叙述)检查指示元、文字讯息、实验流程控制。

学生可虚拟配置3D 电路元件，再通过NIELVIS 的原型制作机板完成电路设计。NI ELVIS 原型制作机板的3D 虚拟缩放/旋转功能，可让使用者真正感受到实际的互动，并于虚拟机板上附挂其他电路，就好像是真的在用硬体实验。

    使用者可远程监控的实验室设定。实验输出指示元则具备数字与图形的输出区块。数字与图形的输出区块，将分别通过数字与图像的格式而显示实验结果。这些结果可能是电路中的潜在点或潜在电流。硬体稳定度检查指示元与网表检查指示元，均属于警示区块。只要实验课程期间发生错误事件，都会警告使用者。由于电子元件的使用寿命有限，因此最好能避免硬体元件故障的情况，以获得有意义的结果。通过文字讯息控制元与指示元，学生就可与实验导师沟通。只要通过STOP 按钮，即可开始或终止实验。

结论

    我们建立由电脑控制的自动化系统，让单一平台即整合多样的元件，可远程监控实验室中的设定。使用者友善的控制介面更能迅速用于实机厂房。