LabVIEW SignalExpress在教学中的应用

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NI LabVIEW SignalExpress是一款基于LabVIEW图形化设计平台的交互式环境，它可以让学生通过多种方式获得动手实践的学习体验，从生物医学工程到航空工程，从低年级到高年级的各类学生都可以受益于这种强大的、步骤清晰的交互式学习方法。

由于NI LabVIEW SignalExpress可与几千种设备进行连接，并使用USB、GPIB或串口等总线作为接口，学生和研究人员可以在实验室中使用LabVIEW SignalExpress进行各类工作。他们可以在系统运行的过程中，借助LabVIEW SignalExpress进行交互式分析并快速而容易地定制他们的算法。本文将通过课程当中的各类示例向您说明LabVIEW SignalExpress所带来的优势。

交互式地比较仿真和实际结果

电路设计是工程上的一个基本概念。通常来说，学生们使用SPICE仿真软件，如NI Multisim，进行电路设计，但是他们无法比较实际数据和仿真结果，因为这个过程非常繁琐，需要书面记录实际信号或将实际信号存储在软盘当中等手动操作。但是，这些工具并不是无缝整合在一起的。使用LabVIEW SignalExpress,、NI教学实验室虚拟仪器套件(NI ELVIS)和业内领先的NI Multisim SPICE仿真软件，学生们可以通过一个无缝的平台，在仿真和实际信号环境下进行设计、建模和结果比较等一系列工作。图1展示了如何使用LabVIEW SignalExprss为电路和电子教学提供无缝集成的完整平台。

Figure 1. LabVIEW SignalExpress用于无缝集成

为了进一步了解整个平台的细节，我们将RLC电路作为一个例子，从中了解NI电子教学平台(Multisim、NI ELVIS和LabVIEW SignalExpress)的强大功能。每个工科学生都必须学习 RLC电路，一般来说，学生们首先从课本中学习基本概念，然后使用Multisim等SPICE仿真和绘图软件，对RLC电路进行设计和仿真，以了解电路的特性。Multisim所提供的虚拟元件和一些分析功能使之成为电路仿真的理想选择。

在进行电路仿真之后，学生可以在NI ELVIS等建模平台上对RLC电路进行建模。NI ELVIS能够提供包括示波器、函数发生器、数字万用表等12种整合仪器，从而组成一个精简但功能丰富的建模平台。最后学生会比较仿真结果和现实信号。在使用传统方法时，这可能是一个非常繁琐的步骤，但是LabVIEW SignalExpress让学生们可以便捷地导入SPICE的仿真结果和建模时的现实信号，并交互式地对两组信号进行比较，从而理解现实信号中噪声等现象所产生的影响。由此，LabVIEW SignalExpress提供了一个简单直观的接口，帮助学生从理论概念出发，深入了解实际信号。

与几百种仪器和传感器的连接性

现在教学中会应用到种类繁多的仪器设备，如新一代的模块化仪器(如图2所示)，示波器、数字万用表和函数发生器等传统仪器，以及在生物医学工程和纳米技术等新兴领域中的成百上千种定制化仪器。各种不同的仪器会通过不同的总线进行通信，每种仪器都会使用不同的软件，要在一个独立的环境中连接到多个仪器并协同工作变得越来越困难。

Figure 2. 模块化仪器

借助LabVIEW SignalExpress，学生和研究人员可以使用单一的接口与几千种仪器通过不同的总线进行连接，并获取测量数据。无论在教室或是实验室，他们都能够交互式地对数据进行分析，并生成报告，而不必手动将数据保存到软盘或USB驱动器，再使用Microsoft Excel等软件进行数据处理。由于LabVIEW SignalExpress是一个完全交互式的平台，学生和研究人员可以在应用程序还在运行的情况下分析数据并进行修改。另外，他们能够更快地对系统进行分析，并实时做出调整。

交互式地对数据进行分析

借助LabVIEW SignalExpress，学生和研究人员不必等到整个系统完成之后再对其进行调整。例如，如果要对信号进行采集并进行快速傅立叶变换，传统方法需要先编写执行整个流程的程序(采集信号、对信号进行滤波并执行快速傅立叶变换)，然后运行程序，评估运行结果，根据评估结果通过各种方式对系统进行调整，如确定快速傅立叶变换各种参数、改变滤波器类型等等。现在，学生和研究人员可以在从传感器采集数据的同时，使用LabVIEW SignalExpress添加并修改分析函数。图3表示了在系统采集数据的同时向系统中添加一个快速傅立叶变换(FFT)函数。

Figure 3. 带FFT功能的数据采集

由于学生现在可以交互式地进行数据分析，因此他们能够更便捷地深入了解各种理论概念的细节。例如，现在他们可以完全掌握IIR滤波器和FIR滤波器的区别，滤波器拓扑结构选择对于输出的影响，采样率对于快速傅立叶变换结果的影响等等。使用传统的方法，他们需要很长的时间去构建整个程序，运行并修改函数，重新编译，再次执行之后才能了解不同函数之间的差异。能够快速应用并修改分析函数对于研究来说也是非常有益的。学生们现在只需要很少的调整就能够体验到他们算法的各种设计，并即时地得到计算结果，从而能够快速地针对研究课题开发解决方案并报告。

生成交互式报告

无论对于家庭作业还是研究项目而言，一份研究报告都是至关重要的。之前学生们都依赖于文字处理或是图像处理系统等第三方的软件来完成报告，另外还有一些软件可以生成图表并输出。LabVIEW SignalExpress第一次提供了用于创建交互式报告的简单接口。除了文本和表格以外，交互式报告还包括了动态图表，用于显示所采集和分析的数据。图4是一份由LabVIEW SignalExpress所创建的交互式报告。

Figure 4. 在LabVIEW SignalExpress中交互式创建的报告

学生和研究人员可以借助LabVIEW SignalExpress便捷地将图表导入他们的报告当中，并以多种格式导出，以便于在LabVIEW SignalExpress或其他第三方软件中创建报告。另外，他们可以将数据导出到Excel等分析工具包中，也可以轻点鼠标将数据直接从LabVIEW SignalExpress拖放到Excel中或者导出数据。学生和研究人员也可以将数据导出到Microsoft Word或PowerPoint等其他常见工具包中。另外，如果他们选择使用LabVIEW SignalExpress中的文档工具创建报告，就可以在报告中交互式地查看数据。如果他们的数据超过了表格的长度，他们可以将表格导入报告中，按下“运行”键就能够看到所有的数据。

借助LabVIEW中的自动代码生成功能对项目进行扩展

研究是创新的源动力，它是建立在教室中传授的众多基础概念之上的。由于研究人员能够使用LabVIEW等图形化编程语言，直接将FPGA、数字信号处理器以及嵌入式板卡等硬件平台作为目标对象，这些语言将迅速成为学术届的研究工具。研究人员现在可以应用一种完全图形化的编程语言，对他们的系统进行设计、建模和部署。

因为LabVIEW SignalExpress是基于LabVIEW的，学生们现在可以使用更多的功能了。借助LabVIEW自动代码生成功可以将他们的工作从高级设计等领域扩展到研究项目当中，如图5所示。

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Figure 5. LabVIEW自动代码生成

例如一些学生可能已经使用LabVIEW SignalExpress对一个滤波器进行了设计、仿真和测试，希望使用这个滤波器并将其部署到FPGA上。他们可以使用LabVIEW SignalExpress的自动代码生成功能，通过LabVIEW FPGA模块添加所需的I/O节点，并在一块FPGA上实现全新的系统。这可以帮助学生节省大量的时间，不必重新创建滤波器，避免在此过程中可能产生的错误。由于能够与几千种仪器相连接，因此LabVIEW SignalExpress针对研究中的快速系统设计提供了一个可行的平台。

总结

LabVIEW SignalExpress提供了交互式、即时采集和分析、对几千种仪器的连接性以及生成交互式报告等多种功能，对提升教学和研究效率有着显著的作用。另外，由于它基于LabVIEW，LabVIEW SignalExpress借助LabVIEW自动代码生成功能，将应用范围从教学扩展到了研究型实验室，节省了大量设计时间。LabVIEW SignalExpress在大幅提升性能的同时，提供了一个简单直观的交互式接口，与其他教学工具相比，更便于学习和使用。