虚拟仪器在测控技术与仪器专业教学中的应用

2012-08-15

电子世界 2012年19期

相比传统仪器，虚拟仪器具有开放性、灵活性并可与计算机技术保持同步发展、能够实时升级、价格低、利用率高、维护成本低等优点，对教学尤其是实验教学有着传统仪器无法比拟的优势。

一、虚拟仪器简介

20世纪80年代末期，美国成功研制出了虚拟仪器，其发展也标志着电子测量和自动检测仪器领域的革新。虚拟仪器英文全称为Virtual Instrument，简称VI，指的是在计算机为核心的硬件平台上，通过用户定义、设计出的一种具有测试功能和虚拟版面的计算机仪器系统。通过运用PC计算机的显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，用其他方式代表输出的检测结果，从而完成各项检测功能的一种计算模拟仪器系统。

其中虚拟具体包括两层意思：第一层意思是指虚拟仪器的功能是由软件编程实现。在硬件平台中，以计算机为核心组成的平台支持下，运用软件编程或软件的组合来实现虚拟仪器的功能，体现着计算机与测试技术深入的结合。第二层意思是指虚拟仪器的面板是虚拟构成的。与传统的虚拟仪器不同的是，其虚拟仪器的面板控件是实物和外形相似的图标，代表“放大”、“通”、“断”等等的图标相对应的软件程序。使用者只要通过鼠标点击面板中的控件就能进行操作，而不是由“触摸”、“手动”来进行操作。

二、虚拟仪器应用于测控教学的必要性

我国高等学校工科一般普遍开设例如《控制工程》、《工程测试技术》等专业基础课，这些课程综合和汲取了各学科的新发展、新成就，是一门综合性极强的学科，同时它对新发展的技术有较高的要求，敏锐度较高，这样以来对于学生的学习也就提出了一些新要求。第一，学生应明确建立频谱的结构概念，掌握数字分析、频谱分析等相关概念与基本原理。第二，学生要能够掌握并准确运用各种测试装置，明确他们的基础特性、使用方法、测试评价方法等。第三，工科学生应了解各种常用传感器、记录仪器、信号调理电路等仪器设备的性能与工作原理，会选用并恰当使用，掌握一二阶系统动态特性和必要的测定方法。第四，学生需要动态测试工作的完整流程及其先关概念，能够运用并完成机械工程中参量的测量与记录。

通过以上的此类专业学生应该掌握的课程内容与要求中可以看出，这些课最大的特征就是有极强的实践性要求，具体内容也是较为抽象的，学生需要通过大量的实验与演示去理解课程内容，这样才有利于学生更好的理解和掌握基本的原理和概念，才能提高后期实践动手的能力。这样以来，我们在课堂中就需要有虚拟仪器来帮助教学，它在此类学科教学中无可比拟的优势。

三、虚拟仪器在课堂教学中的应用

前文我们已经提到，在测控技术与仪器专业等工程的课程教学过程中强调原来的理解和掌握，上课除了必须得多媒体设备外还需要一些硬件的实验设备，因为这样才能使得原本抽象性极强的课程变得更容易理解，让学生更容易掌握，然而一般课堂将大量的硬件实验设备设置在课堂中是非常不现实的。为了满足课程教学的现实需要，也能够满足现实教学条件，我们可以采用验证性实验来帮助所需要掌握的原理与概念，它以软件的虚拟仪器实验代替了大量的硬件实验设备，可以将信号产生到分析、处理、存储通过一台PC机就可以实现，实际上就是通过虚拟的仪器来模拟真实设备的过程。学生使用也非常方便，它可以根据上课内容与课程要求的变化随时调整实验数据与方案，增减实验项目，学生也可以自己将编好的程序输入电脑来自行设计实验内容，灵活度非常高，同时它的操作界面美观且便于操作，也进一步提高了学生的兴趣及动手能力。

四、虚拟仪器在实验教学中的应用

“实践出真知”，任何知识只有学以致用，将书本中得理论知识与实践相结合，在实际操作中得到应用才是最终学习的目的，前文我们所提及的验证性试验是为了满足课堂教学实际而采用模拟的方法来验证所学理论的正确性及一定程度上得操作，它仅是一种教学手段而不能代替真正的实验教学，事实上，只有将软硬件更好地结合起来的这种实证教学是教学的关键所在。在传统实验室中得实验中需要软硬件相结合，学生通过实验来认识各种硬件仪器与设备，以此来了解与掌握仪器连接、操作方法以及各种数据的采集方法。然而在实际教学中却越到了现实的瓶颈，工科专业为了保证各种实验的开设，就必须购进各种价格不菲的仪器设备，而且因为现代技术的不断发展，仪器设备更新速度非常快，这样以来学校要保证正常的教学就必须考虑购置新设备，就出现了新旧设备交替、旧设备淘汰、教育资源配置等等一系列问题。如果我们将虚拟仪器设备也引入了实验教学之中就可以很好的解决这些矛盾，我们可以将学校现有的计算机设备与虚拟软件结合起来，创新一种实验模式，在具体教学中采用虚拟仪器、实测信号、数据采集卡相结合的实验方式不仅可以节省了支出，将各种资源平衡运用，同时也可以提高学生兴趣与动手能力以及实际分析与解决操作问题的能力。

以机械传动实验来说，在虚拟仪器的帮助下，实验传动部分可以随意更换硬件模块，学生可以根据课程内容要求自主设计不同的传动方案，例如可以将单片机设计为下位机，而上位机则可以采用虚拟软件LabVIEW来配合，单片机通过数据采集卡收集起来，上位机接受这些数据并利用虚拟仪器软件LabVIEW来处理数据、显示波形、存储及生成报表，同时还可以完成对电动机转速和载荷进行控制。此软件还有一个最大的特点是虚拟软件的替换性与通用性，具有非常高的灵活性，软件采用了组建模块化的设计，将各个组件与虚拟仪器设备相结合，基本及常用功能惊醒模块设计，做实验的同学可以根据实验要求而灵活地调用这些模块，使得实验变的非常方便。如果有学生有能力自己开发组件来扩充系统功能，也是值得鼓励的，这样可以提高的学生的创新和实际的能力，而不只是原来按指导书上的要求去机械地去做实验了。

还一个值得注意的现象是随着我国教育教学条件的不断发展，网络实验和远程实验操作已经成为了目前的新趋势，LabVIEW很好地顺应了这一形势。值得一提的是LabVIEW为了满足不同应用、不能层次的需要而提供了多种网络通信途径供用户自行选择，通过其中的Remote Paner功能可以利用Web，使得用户可以不需要编程即能够在远程的计算机上连接本地面板并操作此服务器上的软件，进行数据的收集，还可以通过LabVIEW或者浏览器直接进行控制。这样非常使得学生的学习实验变得非常的便利，学生可以不去实验室即可完成实验操作，他们只需要在任何有网络的地方就可以进行实验，方便了教与学，也实现了教学资源的真正共享。