교육 및 연구를 위한 LabVIEW SignalExpress

내쇼날인스트루먼트의 LabVIEW SignalExpress는 업계 선도 NI LabVIEW 그래픽 시스템 설계 플랫폼에 기반한 인터랙티브 환경입니다. 실습 위주 학습을 통해 생명 의학에서 항공우주에 이르는 다양한 분야를 공부하는 학생뿐만 아니라 각기 다른 레벨의 학생들 모두 강력하고 인터랙티브한 단계별 학습을 경험할 수 있습니다. NI LabVIEW SignalExpress는 USB, GPIB 또는 시리얼과 같은 여러 가지 버스를 통해 수천 가지의 디바이스 및 인터페이스에 연결하기 때문에 학생 및 연구원들은 다양한 작업을 수행할 수 있게 됩니다. LabVIEW SignalExpress를 사용하면 시스템 작동 중에 인터랙티브한 분석 작업을 수행하며 신속하고 간편하게 알고리즘을 사용자 정의할 수 있습니다. 본 기술백서는 다양한 예제를 통해 NI LabVIEW SignalExpress의 장점에 대해 살펴봅니다.

시뮬레이션과 실제 결과를 인터랙티브하게 비교

공학에 있어 가장 근본적인 개념 중 하나는 회로 설계입니다. 기존에 학생들은 회로 설계를 위해 내쇼날인스트루먼트의 Multisim과 같은 SPICE 시뮬레이션 소프트웨어를 사용했습니다. 그러나, 결과와 실제 데이터를 비교하기 위해 실제 데이터를 종이에 수작업으로 기록하거나 플로피 디스크에 저장해야 하는 등 매우 번거로웠던 것이 사실입니다. 다시 말해, 도구들간의 긴밀한 통합이 이루어지지 않았습니다. LabVIEW SignalExpress, NI ELVIS (NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) 및 업계 선도 NI Multisim SPICE 시뮬레이션 소프트웨어 사용을 통해 이제 학생들은 설계에서 프로토타입까지 긴밀히 통합된 플랫폼, 시뮬레이션 도메인 및 실제 데이터간의 결과 비교 등을 사용할 수 있습니다. 그림 1은 LabVIEW SignalExpress에서 회로 및 전자 강의를 위한 긴밀히 통합된 플랫폼의 예를 보여줍니다. 

그림 1. LabVIEW SignalExpress의 긴밀한 플랫폼 통합

더욱 구체적인 이해를 위해 RLC 회로의 NI 전자공학 교육 플랫폼 (Multisim, NI ELVIS, LabVIEW SignalExpress)을 생각해 볼 수 있습니다.  공학을 전공하는 학생들은 RLC 회로에 대해 필수적으로 학습합니다. 통상 학생들은 교재를 통해 개념을 학습합니다. 그 후 SPICE 시뮬레이션을 사용하여 Multisim과 같은 소프트웨어를 통해 RLC 회로를 설계하고 시뮬레이션하여 그 특징을 파악합니다.  버추얼 요소 및 여러 가지 분석 기능이 있는 Multisim은 회로 시뮬레이션을 위한 최상의 옵션을 제공합니다.

회로 시뮬레이션 후, 학생들은 ELVIS와 같은 프로토타입 플랫폼에 RLC 회로를 프로토타입합니다. 오실로스코프, 함수 발생기, 디지털 멀티미터 (DMM)를 포함한 12가지의 통합된 인스트루먼트를 갖춘 NI ELVIS는 프로토타입을 위한 컴팩트한 다목적 플랫폼을 제공합니다. 따라서 학생들은 시뮬레이션 결과를 실제 데이터와 비교할 수 있게 됩니다. 종전의 방법을 통해서는 번거로운 과정을 거쳐야 했지만, LabVIEW SignalExpress를 사용하면 프로토타입 단계에서 SPICE 시뮬레이션 결과 및 실제 데이터를 간편하게 불러올 수 있으며 결과를 인터랙티브하게 비교함으로써 노이즈 등의 실제 현상이 미치는 영향을 쉽게 이해할 수 있습니다.  따라서, LabVIEW SignalExpress를 사용하면 간편하고 직관적인 인터페이스를 통해 개념을 생생하게 이해할 수 있습니다.

수백 개의 인스트루먼트 및 센서에 연결

현재 학계에는 사용되는 계측기는 매우 다양합니다. 그 예로 차세대 모듈형 계측기 (그림2), 전통적인 계측기 (오실로스코프, DMM, 함수 발생기 등), 생명공학 및 나노 기술 등의 신생 분야에 쓰이는 수백 가지 맞춤형 계측기 등이 있습니다.  서로 다른 유형의 계측기가 서로 다른 버스를 통해 통신하고 각 계측기는 다른 유형의 소프트웨어를 사용하기 때문에 단일 환경에서 여러 다른 계측기로 연결하고 작업하는 과정이 날로 어려워지고 있습니다.

그림 2. 모듈형 계측기

LabVIEW SignalExpress로, 이제 학생 및 연구원들은 단일 인터페이스를 사용하여 수천가지의 인스트루먼트에 연결하고 측정할 수 있습니다. 번거롭게 플로피 디스크나 USB 드라이브에 데이터를 저장할 필요 없이 어느 곳에서든 인터랙티브하게 데이터를 분석하고 리포트할 수 있으며, Microsoft Excel과 같은 소프트웨어를 사용하여 데이터를 추후에 작업할 수 있습니다. LabVIEW SignalExpress는 완벽하게 인터랙티브한 플랫폼이기 때문에 학생 및 연구원들은 어플리케이션 작동 중에도 데이터를 분석하고 변경할 수 있습니다. 또한, 여러 가지 분석을 더욱 신속하게 시스템에 적용할 수 있으며 리얼타임으로 조정할 수 있습니다.

데이터를 인터랙티브하게 분석

LabVIEW SignalExpress를 사용하면, 학생 및 연구원들은 시스템에 미세한 조정을 가하기 위해 전체 시스템이 완료되기를 기다릴 필요가 없습니다. 예를 들어, 종전에는 신호를 수집하여 FFT (Fast Fourier Transform)를 적용하기 위해 전체 과정 (신호 수집, 신호 필터링, FFT 수행)을 수행하는 프로그램을 작성하고, 그 후 프로그램을 작동하여 결과를 검토하고, FFT를 위한 각기 다른 파라미터 설정하고 필터 유형을 변경하는 등의 과정을 거쳐 시스템을 변경해야 했습니다. 그러나 LabVIEW SignalExpress를 사용하면 이제 센서로부터 데이터를 수집하는 도중에도 분석 함수를 추가하거나 수정할 수 있게 되었습니다. 그림 3은 FFT 함수가 시스템에 추가되는 도중에 데이터를 수집하는 시스템의 예를 보여줍니다.

그림 3. FFT 함수를 추가하여 데이터 수집

학생들은 이제 데이터를 인터랙티브하게 분석할 수 있으므로 각기 다양한 개념의 미묘한 차이를 더욱 쉽게 이해할 수 있습니다. 예를 들어, 이제 IIR 필터와 FIR 필터의 차이점, 출력에서의 필터 토폴로지의 영향, FFT 결과에 대한 샘플링 속도의 영향 및 다른 여러 개념에 대해 완벽하게 이해할 수 있게 됩니다. 기존의 방법하에서는 전체 프로그램을 구축해서 작동하고 기능을 변경, 리컴파일한 후 다시 작동해야만 변경사항을 확인할 수 있었기 때문에 장시간이 소요되었습니다. On-the-fly 방식으로 분석 함수를 적용하고 변경하는 것은 연구에 있어서도 매우 유용합니다. 학생들은 이제 여러가지 설계를 살펴봄으로써 알고리즘의 미세한 변화를 확인하고 즉각적으로 결과를 살펴봄으로써 강력한 연구 솔루션을 개발하게 되며 리포트할 수 있습니다.

인터랙티브 보고서 생성

보고서 작성은 수업 과제 및 연구 프로젝트에서 중요한 요소입니다. 종전에 학생들은 워드 프로세싱 및 이미지 프로세싱 시스템과 같은 타사의 소프트웨어를 사용해야 했습니다.  또한, 그래프를 추가하거나 보내는 기능이 제한적이었습니다.  LabVIEW SignalExpress는 인터랙티브한 보고서를 생성할 수 있는 간편한 인터페이스를 최초로 제공합니다. 인터랙티브한 보고서에는 텍스트, 테이블뿐만 아니라 다이나믹 차트 및 그래프도 포함되어 있어 수집, 분석된 데이터를 디스플레이할 수 있습니다. 그림 4는 LabVIEW SignalExpress에서 생성된 인터랙티브 보고서를 보여줍니다.

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그림 4. LabVIEW SignalExpress에서 생성된 인터랙티브 보고서

LabVIEW SignalExpress를 사용하면 학생 및 연구원들은 그래프를 보고서에 간편하게 불러오고 다양한 형태의 그래프를 보냄으로써 LabVIEW SignalExpress에서 사용하거나 타사 소프트웨어와 함께 사용하여 보고서를 생성할 수 있습니다. 또한, Excel과 같은 분석 팩키지에 데이터를 보낼 수도 있습니다. LabVIEW SignalExpress로부터 Excel로 데이터를 가져오거나, 마우스 클릭 한 번으로 데이터를 보낼 수 있습니다. 또한 데이터를 Microsoft Word 또는 PowerPoint와 같은 다른 일반적인 패키지로 보낼 수도 있습니다. 또한, LabVIEW SignalExpress에 있는 문서 도구를 이용하여 보고서를 생성하게 되면 보고서에서 인터랙티브하게 데이터를 볼 수 있습니다. 데이터가 여러 차트의 길이를 능가할 경우, 차트를 보고서에 보낸 후 “Run”을 누르면 모든 데이터를 실제로 볼 수 있습니다.

자동 코드 생성 기능이 있는 LabVIEW를 사용하여 프로젝트 확장

혁신을 이끌어내는 연구의 바탕에는 수업에서 배우는 여러 가지 기본 개념이 전제됩니다.  연구원들은 LabVIEW와 같은 그래픽 프로그래밍 언어를 사용하여 FPGA, 디지털 신호 프로세서, 임베디드 보드 등의 여러 하드웨어 플랫폼에 타겟팅하므로 이러한 언어들이 학계에 있어서 사실상의 연구 도구가 되었습니다. 연구원들은 이제 완벽한 그래픽 프로그래밍 언어를 사용하여 시스템을 설계, 프로토타입 및 배포할 수 있습니다.

LabVIEW SignalExpress는 LabVIEW에 기반하므로 학생들은 자동 LabVIEW 코드 생성을 통해 이제 상급 디자인에서부터 연구 프로젝트에 이르는 다양한 작업을 진행할 수 있습니다. (그림 5 참조)

그림 5. 자동 LabVIEW 코드 생성

예를 들어, LabVIEW SignalExpress를 사용하여 필터를 설계, 시뮬레이션 및 테스트하고, 해당 필터를 사용하여 FPGA로 배포하고자 하는 경우가 있습니다. 그러한 경우 LabVIEW SignalExpress에 있는 자동 코드 생성 기능을 사용하여, 요구되는 I/O 노드를 LabVIEW FPGA Module을 통해 추가하고 새로운 시스템을 FPGA에 실행할 수 있습니다. 이러한 과정을 통해 학생들은 필터를 재생성 할 필요가 없으며 과정에서 발생하는 오류를 피할 수 있으므로 시간을 절약할 수 있습니다.  수천 개의 인스트루먼트에 연결할 수 있는 기능이 통합된 LabVIEW SignalExpress는 연구를 위한 시스템을 신속하게 설계할 수 있는 실용적인 플랫폼을 제공합니다.

결론

LabVIEW SignalExpress는 강의, 학습 및 연구 방법의 개선을 위한 다양한 혜택을 제공합니다. 인터랙티브, on-the-fly 수집 및 분석, 수천 개의 인스트루먼트로의 연결, 인터랙티브 보고서 생성과 같은 기능은 향상된 생산성으로 더욱 효율적인 학습 및 연구를 가능하게 합니다.  또한, LabVIEW에 기반한 LabVIEW SignalExpress는 LabVIEW 자동 코드 생성을 통해 교실에서부터 연구 실험실에 이르기까지 다양하게 사용되어 설계 시간을 대폭 절감합니다. LabVIEW SignalExpress는 대폭 향상된 성능을 제공하는 동시에 기타 교육용 툴에 비해 학습 및 사용이 편리한 간편하고 직관적이며 인터랙티브한 인터페이스를 제공합니다.

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