基于虚拟仪器的数字化实验模式研究

张臣文，李文联，胡坤鹏

(1.襄樊学院 教育学院，湖北 襄樊 441053; 2.襄樊学院 物理与电子工程学院，湖北 襄樊 441053)

基于虚拟仪器的数字化实验模式研究

张臣文1，李文联2，胡坤鹏2

(1.襄樊学院 教育学院，湖北 襄樊 441053; 2.襄樊学院 物理与电子工程学院，湖北 襄樊 441053)

提出一种基于虚拟仪器的数字化实验模式，并以案例“数字化RC暂态实验系统”示之；经实践证明通过该模式开展的实验教学，实验数据采集、分析处理速度快，存诸、显示精度高，表达效果好；见长于培养学生的实验设计能力、探索创新能力.

虚拟仪器；数字化；实验模式

实验在理科教学中占有十分重要的地位，是教学活动中一个必不可少的环节. 实验可以增强学生学习的兴趣，加深对理论知识的理解，培养实践动手技能、实验设计技能，在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力及创新探索能力和协作精神. 但传统实验模式积弊诸多：设备一次性投资巨大，更新周期偏长，维护工作艰巨；传统实验仪器功能固定，可操作性、可扩展性差，见长于验证性实验，开展设计性和综合性实验难度大，无法真正实现分层次实验教学；实验教学组织方式和管理模式落后；现代远程教育中实验教学环节缺失或理论与实践脱节现象普遍. 因此，开发实验仪器，创新实验手段和方式，不断改革实验教学尤其关键. 随着科学技术的发展，现代信息技术手段不断介入到传统实验的改造与革新之中，其中虚拟仪器技术是最值得关注的. 虚拟仪器技术是计算机技术和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术，是国内外在信息技术领域中重点发展的高新技术之一，它推动着实验方式方法朝着多元化、数字化、网络化方向发展.

1 虚拟仪器技术

1.1 虚拟仪器概念

虚拟仪器(Virtual Instrument，简称 VI)，是利用计算机显示器替代传统仪器的功能面板，利用鼠标和键盘控制驱动各种功能按钮，由I/O接口设备完成数据(信号)的采集和调理，利用软件实现数据(信号)的分析处理、表达与储存，从而实现各种仪器功能的一种基于计算机的仪器系统[1,2]. 图1是虚拟仪器的一般实现方案.

图1 虚拟仪器实现方案

1.2 虚拟仪器的构成

图2 虚拟仪器系统构成图

虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口设备等，图2为虚拟仪器系统构成结构图. 其中，硬件接口模块包括数据采集卡(DAQ)、IEEE488接口(GPIB)卡、PXI控制器、VXI控制器等接口卡[3]，硬件仅仅是为了解决数据(信号)的输入输出、信号调理；当基本硬件确定以后，就可以通过软件编程实现各种不同的仪器功能，虚拟仪器软件集成了仪器的信号采集驱动、分析、运算、表达、储存、输出等功能，传统仪器的部分乃至整个功能都被软件所代替，软件是整个虚拟仪器系的核心，所以说：“软件就是仪器”.

根据接口方式不同，虚拟仪器的构成方式有：箱内插卡式DAQ的VI；GPIB总线方式的VI；PXI总线方式的VI[4]；VXI总线方式的VI；USB接口方式的VI[5]等. 无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、PC机或工作站等各种计算机平台上并加上相应虚拟仪器软件而构成的.

由于USB的接口方式安装和配置容易(外接、热插拔、即插即用)、数据传输速度快、传输模式灵活多样、总线供电、性价比优、工作稳定等特点，非常适合学校教学科研采用，因而本课题采用USB2.0接口卡.

1.3 虚拟仪器的特点

一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的功能，而且在许多方面有传统仪器无法比拟的优点，主要体现在下面4个方面：

1) 用户可以根据自己的需要灵活的设计自己的虚拟仪器，利用通用的计算机硬件平台，设计不同功能的软件构成功能各异的仪器系统.

2) 将信号的分析处理、表达与储存等操作集中交由电脑来处理，由于充分利用电脑强大的数据处理与表达储存功能，避免了传统实验人为操作的失误，提高了数据的传输、变换的质量和实验数据运算的速度、存储精度.

3) 虚拟仪器技术与Web技术无缝融合，远程控制操作实验得以实现.

4) 虚拟仪器是基于软件系统的，其交互性好，可操作性强，开发维护费用低廉，可复用，可扩展.

1.4 虚拟仪器的软件开发工具选择

研发虚拟仪器的关键在于软件，对虚拟仪器开发软件，主要有两种选择.

1) 采用通用的编程软件，主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic，Sybase公司的

PowerBuilder，Borland公司的Delphi等通用开发平台.

2) 用专业图形化编程软件进行虚拟仪器研发，目前主要是采用美国NI公司的LabVIEW和

LabWindows/CVI等.

LabVIEW是专业化虚拟仪器开发语言，其运行速度与C的目标程序相当，开发周期短，编程简单易学，因此相比之下，本课题案例选择使用图形化编程软件LabVIEW作为虚拟仪器研发平台[6].

2 基于虚拟仪器的数字化实验模式

2.1 模式结构与工作原理

图3 基于虚拟仪器的数字化实验模式总体结构图

基于虚拟仪器的数字化实验模式，是以虚拟仪器为媒介，通过计算机完成信号控制、数据采集调理、分析处理、表达储存等实验环节的一种数字化实验模式. 一般，实验仪器由信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出三部分组成[7]. 传统仪器，这三部分是集成在一起的，由于这些功能模块全部以硬件的形式存在(就是有软件部分，功能也是出厂前设置好了的)，这种框架式的结构，决定了传统仪器只能由仪器厂家来定义、制造，单台仪器的功能固定、单一，用户无法根据实际需要改变或扩展仪器功能. 而虚拟仪器则把信号的分析与处理、结果的表达与输出用计算机软件来实现，信号的采集与控制用硬件接口电路来实现，所以说基于虚拟仪器的数字化实验模式是虚实结合的、基于计算机的数字化实验模式. 这里的“虚”有两层含义：1)虚拟的仪器面板：传统仪器物理的开关、按钮等器件，都由与物理外观很相似的图形控件来替代，学生通过鼠标和键盘来操作软件界面中的控件，完成对仪器的操控；2)由软件实现实验仪器功能：虚拟仪器是在以计算机为核心组成的硬件平台支撑下，通过软件编程来实现仪器功能的；在虚拟仪器系统中，数据的采集由软件开关来驱动，数据的分析处理、表达储存等功能主要是通过软件算法编程来实现. 这里的“实”也有二层含义：1)数据采集系统是基于硬件的、是实的，采集的数据是实的；2)实验原理、实验过程、实验结果不是虚拟仿真的，是实的. 所以虚拟仪器表面上看是虚的，本质是实的.

2.2 模式特点

传统实验诸多弊端，使得传统实验模式对于实验设计能力、探索创新能力培养是缺失的亦或是不足的.而对这些高级心智能力的培养，由于虚拟仪器的开放性、网络化、实验数据处理计算机化、虚实结合等特性，基于虚拟仪器的数字化实验提供了更多的条件、更多的可能、更多的机会.

相对于传统实验模式，基于虚拟仪器的数字化实验中的虚拟仪器是开放的. 学生只要掌握一门G语言如 LabVIEW，就可以自己动手设计虚拟仪器，就是不是自己设计的，学生也很容易对别人的虚拟仪器进行改造，虚拟仪器开放、可扩展特性使得基于虚拟仪器的数字化实验模式适合开展设计性和综合性实验. 笔者所在的大学物电学院的学生在近二年用LabVIEW设计、开发数字化物理实验46项之多，并且很多实验项目是以小组的形式完成的，很好的培养了学生的实验设计能力、探索创新能力和团体协作精神.

相对于传统实验模式，基于虚拟仪器的数字化实验直接利用计算机对实验数据进行分析处理、表达和存储等操作，避免了传统实验人为的失误，提高了数据的传输、变换的质量和实验数据运算的速度及存储、显示精度，节省了传统实验在数据处理环节上浪费消耗的时间. 如此，学生可以把主要精力放在与实验任务密切相关的设计、探索、创新性问题上来.

相对于传统实验模式，基于虚拟仪器的数字化实验中的虚拟仪器可以网络化. 信号的采集与控制部分放在异地计算机上，信号的分析与处理和结果的表达与输出这二部分通过G语言编程，集成在本地计算机上，异地计算机与本地计算机通过网络联接在一起，实现网络是实验仪器的功能. 这种方式是目前实验仪器共享、远程控制实验的最佳方案：学生通过本地计算机端口远程实时操控异地实验室真实设备进行实验，实验过程中，可以通过实时传回来的远端现场影像了解实验现场情况，而实验数据也会不断的回传到本地计算机上进行分析、处理、表达、储存. 学生可以通过这种模式进行校内、校际之间的协作实验，互通有无，共同探索，共同进步.

3 案例：数字化RC暂态实验系统

数字化RC暂态实验系统由LabVIEW开发的程序加多路选择开关CD4052配合USB2.0多功能数据采集卡实现，将需要手动充放电的硬件开关移植到LabVIEW开发的前面板上，在计算机上通过软开关控制RC电路的充放实验过程. 具体工作过程是：数据采集模块负责采集实验电路中电容两端的电压大小，多功能USB2.0数据采集卡实现计算机和RC充放电回路之间的信号控制和数据传输，LabVIEW开发的程序在计算机上运行，处理采集的数据和显示所测物理量并实时显示RC充放电曲线.

3.1 系统的设计

数字化RC暂态远程实验系统包括：数据采集模块，控制和传输模块，数据处理及显示模块三个部分.

3.1.1 数据采集模块

实验电路效果图如图4, 数据采集硬件结构如图5，其中标号相同的表示物理上连接在一起，A接到USB2.0多功能采集卡的数字输出端口上.

图4 RC实验电路效果图

图5 数字化RC实验系统的硬件连接图

3.1.2 控制和传输模块

多功能USB2.0数据采集卡负责LabVIEW和RC回路之间的数据转换和传输及充放电电路控制，数据转换和传输用J1处的CH2(通道2) 进行A/D转换；充放电电路控制用J6处的数字输出端口DO1接CD4052的A端，控制RC回路接通或断开. 板卡如图6.

图6 USB2.0多功能数据采集卡

3.1.3 数据处理及表达模块

数据处理模块采用LabVIEW软件后面板(对应于真实仪器的仪器内部线路)编程实现，具体程序框图如图7所示：

图7 RC实验系统程序框图

数据表达模块采用LabVIEW软件前面板(对应与真实仪器的显示面板)实现，数据显示面板如图8所示.

图8 RC暂态实验系统前软面板

4 结语

数字化RC暂态实验系统性能稳定，实时性好，开发成本低，实验参与性强，能满足此实验所有条件要求.

虚拟仪器技术是国内外在信息技术领域中重点发展的高新技术之一，随着教学仪器的发展和高校新时期实验教学所面临的新要求，将虚拟仪器引入实验教学将成为学校教学科研的重要方法和手段. 基于虚拟仪器的数字化实验模式适合开展设计型实验和综合型实验，与传统实验模式(适合开展验证型实验) 相结合，真正实现分层次实验教学，全面培养学生能力.

[1] 刘君华, 贾惠芹. 虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2001: 2-4.

[2] 王美刚. 基于声卡的虚拟示波器[D]. 太原: 太原理工大学, 2006.

[3] 禹柳飞. 虚拟仪器在馆藏室温湿度监控中的应用[J]. 微计算机信息, 2008, 24(51): 158.

[4] 陈 园. 基于PXI总线的虚拟仪器系统软件设计与实现[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2007.

[5] 何干辉. 基于USB总线的虚拟示波器的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2007: 10.

[6] 张陈荣. 基于LabVIEW的虚拟实验仪器的研究与开发[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2007: 11-17.

[7] 姜忠爱, 张晓辉, 秦军伟. 虚拟仪器的组建方法及应用[J]. 山东农业大学学报: 自然科学版, 2007, 38(3): 465-468.

(责任编辑：饶 超)

Research on Digitized Experiment Pattern Based on Virtual Instrument

ZHANG Chen-wen1, LI Wen-lian2, HU Kun-peng2
(1.College of Education, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China；2.Physics and Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China）

It put forward one experiment pattern based on virtual instrument and demonstrate it with “digitized RC transient experiment system”. The findings show that the experimental data’s gathering and analysis processing are quick, the precision of storing and showing is high, and it can develop student's high-level mental ability such as experimental design ability and innovation ability.

Virtual instrument; Digitalization; Experiment pattern

G424.31

A

1009-2854(2010)02-0074-05

2009-09-27

湖北省高等学校省级教学研究项目(2009298)

张臣文(1975— ), 男, 湖北十堰人, 襄樊学院教育学院讲师.