高职《虚拟仪器技术》课程教学实践探索

贾佳

（西安航空职业技术学院 陕西 西安 710089）

高职《虚拟仪器技术》课程教学实践探索

贾佳

（西安航空职业技术学院 陕西 西安 710089）

虚拟仪器设计已经成为测试和仪器技术发展的一个重要方向，是一门具有较强实用性的专业课。文章从增强学生对该课程的实践能力、提高学习兴趣入手，通过教学实例介绍自行开发虚拟仪器实验设备及相应实验教学项目的方法及意义。

高职；虚拟仪器技术；教学实践

随着计算机技术的迅猛发展，仪器技术由模拟仪器、数字仪器、智能仪器逐步发展到了虚拟仪器。虚拟仪器越来越受众多科研及技术人员的关注，其应用领域遍及教育、通讯、工业等各个行业。在此背景下，越来越多的高职院校组建虚拟仪器技术实验室，开设相关课程，培养虚拟仪器技术类科研与应用人才。然而，在虚拟仪器技术重要特点的数据采集处理方面，多数高职院校限于使用现有的仪器设备完成固定的实验项目，阻碍了学生创新能力和可持续发展能力的发展。我院通过将虚拟仪器技术与Proteus仿真技术相结合，在虚拟串口软件的支持下实现了单机硬件通信仿真，不但培养了学生虚拟仪器技术的基本理论知识、实践技能、工程应用能力，还加强了学生对课程间相互联系的理解，取得了较好的效果。

虚拟仪器概念及特点

虚拟仪器的概念 虚拟仪器主要由通用的计算机资源、应用软件和仪器硬件等构成。使用者利用应用软件将计算机资源和仪器硬件结合起来，通过友好的图形界面来操作计算机，完成对测试信号的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪器中的硬件主要用于解决信号的调理以及输入、输出问题。而软件主要用于实现对数据的读取、分析、处理、显示以及对硬件的控制等功能，这些功能在传统电子仪器中往往通过硬件来实现。常见的虚拟仪器组建方案如图1所示。

图1 典型的虚拟仪器结构图

虚拟仪器的特点 虚拟仪器技术是目前测控领域中最为流行的技术之一，它的硬件部分往往具有很大程度上的通用性，软件是系统的核心，这样使其实现不是强调物理形式。它利用接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用I/O计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理，利用显示器丰富的显示功能来多形式地表达和输出检测结果。虚拟仪器具有传统仪器的基本功能，同时又能根据实验要求随时进行定义，实现多种多样的应用需求，具有扩展灵活、界面友好、操作简便、性价比高等特点，特别适合于高校的教学实践。因此，虚拟仪器相对于传统仪器的优势是显而易见的，如表1所示。

表1 虚拟仪器与传统仪器区别表

虚拟仪器课程教学实践探索

本实例通过使用虚拟仪器开发软件LabVIEW进行上位机开发，下位机使用Proteus硬件仿真软件开发，完成虚拟仪器与单片机的通信，控制LED有序工作。

LabVIEW简介 LabVIEW是NI公司开发的虚拟仪器应用程序编程环境，是一种图形化的编程语言，特别适合测控应用软件的开发。它具有所有通用编程环境的标准功能，如数据结构、循环结构和事件处理。其内置的各种专业工具软件包可满足工程应用开发的需要。因此，LabVIEW不仅仅是一门编程语言。

Proteus简介 Proteus是由英国Labcenter公司开发的一款可以实现数字电路、模拟电路、微控制器系统仿真以及PCB设计等功能的EDA软件。通过Proteus软件的虚拟仿真技术（VSM），用户可以对基于微控制器的系统包括外围接口电子器件一起仿真，可在原理图设计阶段对所设计电路和编写程序进行验证、评估，避免了传统电子电路设计中修改方案带来的重复工作。

基于虚拟仪器的单片机LED控制器 现以应用实例说明基于虚拟仪器的单片机LED控制器的设计方法。

图2 LabVIEW前面板图

图3 LabVIEW程序框图

1.虚拟仪器控制面板。图2和图3分别是使用LabVIEW编写的上位机通信程序的前面板和程序框图。可以看到，以0x39为握手信号，结合 LabVIEW前面板上的8位LED信号，组成2个字节的控制信号，共同输出到VISA串口控制器，即PC机的RS232串口，传送至单片机串行接口。其中，8位的LED控制器，0、1、2、3号LED控制器表示选择单片机控制的LED灯灯号，如0001表示选择1号灯，0101表示选择5号灯；4号LED控制器表示选择的灯是亮还是灭；5号LED控制器表示单片机控制的LED灯以流水灯形式亮起，且循环两遍；6号LED控制器表示单片机控制的LED灯全灭；7号LED控制器表示单片机控制的LED灯全亮。优先级由7号LED控制器依次降低。另外，在发送数据之前，首先完成串口数据配置，设置波特率为9600b/s，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。这样，一个基于LabVIEW环境下的单片机串口通信系统就建立起来了，在前面板中输入相应的控制值，就可以看到单片机做出响应。

2.基于Proteus的单片机仿真界面。图4为使用Proteus软件编写的单片机LED控制器，通过P2口接8个LED灯，使用上位机发送来的控制数据实现亮灭控制。由于PC机的串口和单片机的串口电平不同，需要使用MAX232芯片做电平转换，但是这里使用Proteus软件进行模拟，不需要加芯片，同样可以正常运行。对图5COMPIM控件进行配置，完成与上位机相同波特率等参数的设置。在完成了电路仿真设计后，可以将在Proteus软件上设计的单片机硬件电路实物化，从而大大提高学习效率。

图4 Proteus仿真界面图

图5 Proteus COM通讯端口配置图

3.虚拟串口软件Virtual Serial Ports Driver XP（VSDP XP）。在完成基于虚拟仪器和Proteus软件的应用开发后，需要使用两台PC机进行串口通信，实现虚拟仪器与Proteus软件编写的单片机应用程序的上下位机通信。VSDP XP是一款虚拟串口仿真软件，可以和Proteus、LabVIEW结合使用，通过虚拟非调试解调器电缆模拟RS232串口连接，可使虚拟串口看起来就像标准的硬件串口一样。这样，就可以使用一台PC机，在安装虚拟串口软件VSDP XP下，实现虚拟仪器上位机与单片机下位机之间的数据通信，不仅提高了实验设备利用率，也为学生进行虚拟仪器数据采集设备开发创造了便利的条件。

以上一个简单的应用示例帮助学生更加了解虚拟仪器的特点，打破了实验设备的局限，提高了学生对虚拟仪器课程的学习兴趣，锻炼了学生自主开发基于虚拟仪器应用系统的综合设计能力。学生可以在此基础上进行扩展，开发出更加复杂的虚拟仪器控制系统，通过已经学习的单片机课程完成数据采集设备开发，实现D/A、A/D、电路控制等多种功能。

虚拟仪器是当前测量仪器发展的一个重要方向，它为各行业、各学科提供了一个通用的设计、研究、实验环境，同时它也是学生多门理论课程融合、理论与实践结合的一个很好的环节。对虚拟仪器课程教学的实践探索，不仅让学生在实践中深化对理论的认识，也提高了学生的创新能力，自己设计虚拟器件激发了学生的积极性和主动性，取得了较好的教学效果。

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G712

A

1672-5727（2012）05-0173-03

贾佳（1980—），女，陕西西安人，硕士，西安航空职业技术学院讲师，主要从事电子电路、虚拟仪器以及FPGA的教学和研究。

（本栏责任编辑：谢良才）