虚拟仪器在电子技术实验教学中的应用 |
| 作者：佚名 文章来源：网络 点击数： 更新时间：2006-4-20 |
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【摘 要】文章介绍了虚拟仪器的特点及在高等院校实验室中的运用，探讨了基于虚拟仪器的电子技术实验室建设方案和实验课程的实施方法。
关键词】虚拟仪器；电子技术；实验
一、引言
随着计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，在测量仪器领域出现了具有划时代意义的仪器概念——虚拟仪器 (Virtual Instrument，VI)。虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类。从构成上来说，虚拟仪器以计算机为核心，配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。在使用上来说，虚拟仪器利用PC机强大的图形环境， 建立界面友好的虚拟仪器面板（即软面板），操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。目前，虚拟仪器不仅在科学研究、产品开发等方面广泛应用，而且也正悄悄地走入高等院校的实验室。如何根据电子技术学科特点组建虚拟实验室，如何根据虚拟仪器特点实施电子技术实验已成为高等院校教师共同探索的问题。
二、虚拟仪器及特点
虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串／并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其他接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。 在这里，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。正由于软件是虚拟仪器的关键，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件（如用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件）实现不同的功能。因此，从某种意义上可以说：软件就是仪器。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。
与传统仪器相比，虚拟仪器的特点在于：
1．强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色。由于充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、简单。
2．仪器中分立式模拟硬件的使用减少了，基本不存在零点漂移和定期校准的问题，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。
3．仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方便地同外设、网络及其他应用连接。
4．鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，使用简便，软／硬件生产、维护和开发的费用降低。
5．用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节省仪器购买、维护费用。
三、基于虚拟仪器的实验室建设
随着电子技术的发展，工科院校电子技术实验课程也发生了较大的改革，超大规模集成电路设计实验、现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑器件（PLD）的实验以及电子设计自动化（EDA）等正逐步成为主要的实验内容。在这些实验中，计算机是必不可少的实验设备，如果用传统实验仪器加计算机组建实验室，不仅价值昂贵，体积大，占用空间多，而且给实验过程带来许多不便。因此，理想的方案是采用虚拟仪器加计算机。学生在计算机上完成电路设计计算、电路模拟仿真和印刷电路板设计。实验电路制作后，应用虚拟仪器进行实际参数测量。测量结果实时存入计算机，实验分析报告在计算机上完成。总之，与传统仪器相比，虚拟仪器可以更好地培养学生设计电路系统的能力和实际操作的能力。
虚拟仪器根据采用的总线方式的不同可分为以下五类：
1．PC总线式，以插入计算机内的数据采集卡与专用的软件（如LabWIEW）构成。
2．并行口式，将仪器硬件集成在一个采集盒内，软件装入计算机内，通过并行口将二者相连。
3．GBIP总线式，通过GPIB接口卡和电缆将计算机与BPIB形式的仪器相连，可以方便地将多台仪器连接起来构成自动测试系统。
4．VXI总线式，通过VXI总线将计算机与仪器相连，适用与组建对速度、精度有较高要求的大规模系统，组建时需要零槽管理器和嵌入式控制器，价格较高。
5．PXI总线式，以PCI总线内核技术，增加多板触发总线，具有较强的可扩展性。
虚拟仪器的选购应根据开设的实验项目和建设经费综合考虑，具有较高性价比的并行口式仪器比较适合工科院校实验室的需要。
四、基于虚拟仪器的电子技术实验实施方法
虚拟仪器在实验教学中最简单的应用就是代替常规的仪器，如函数发生器、示波器、万用表等。比如实验者在实验中采用虚拟仪器，实现信号发生及波形记录，可取得较好的效果。用计算机虚拟出的函数发生器产生实验所需的激励信号，其波形、频率、幅值等完全能代替常规的仪器使用。而用计算机虚拟出的示波器，不仅具有常规示波器的功能（如测量实验电路对激励信号的响应），还可同时显示、记录、存储和打印多通道输入的波形，对存储的曲线可通过“回放”功能显示在屏幕上，“回放”速度可调，“回放”过程可暂停波形扫描，以便能更清楚地观察波形的变化，所存储的曲线可以在任何时间打印输出，学生可以及时进行数据处理，观察和分析实验结果，从而提高了学生的实验兴趣、实验效果和效率。两种仪器通过窗口进行切换。函数发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等或示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号（沿口、电平、类型）等都可用鼠标器或按键进行设置，如同常规仪器一样使用。不过，虚拟仪器具有更强的分析处理能力，而且，用户重新定义后，它又能变成数字万用表、温度计或频谱分析仪等不同的仪器仪表。
为了确保实验教学的顺利进行，基于虚拟仪器的虚拟实验可分四个阶段予以实施。第一阶段，在充分利用现有的计算机资源的基础上，购买所需的仪器模块和软件（如LabVIEW），由教师编写程序，以实现现有仪器设备的模拟。 这样有效增加了实验设备的数量，从根本上改善实验条件，保证实验教学质量。第二阶段，学生可以充分利用计算机软件对数据采集、储存、分析、处理、传输及控制的强大功能， 在同一台PC机上虚拟出数十台仪器，如智能信号发生器、数字存储示波器、频谱及信号分析仪、数字电压表和噪声测试仪等。把这些虚拟仪器应用到实验教学中去，以取代常规仪器。学生还可根据实验要求，自行设计各种软面板，定义仪器的功能，并以各种形式表达输出检测结果，进行实时分析。第三阶段，增加综合性实验项目，并鼓励学生选做设计型实验。要求学生自己选题，拟订方案，编写程序，设计虚拟仪器检测系统。第四阶段，组织科研小组，在原有的仪器模块上进行二次开发，拓宽其应用范围，将其用于设备的监控，用于工业过程自动化等。一方面设计和构建新的虚拟仪器，另一方面全面提高高校的教学、科研质量。对于实验教学而言，第二阶段的内容是学生在实验中应当达到的虚拟实验的基本要求和效果。
【参考文献】
[1]李奥．ＰＣ机仪器应运而生[J]．电子产品世界，2000，(10).
[2]王莹．迈向网络化的虚拟仪器[J]．电子产品世界，2000，(9).
[3]基于PC的测量与测试系统．http://www.vlink.com.cn．
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