基于虚拟仪器的实验教学平台设计

范智平1，宛传平1，周 荣2



基于虚拟仪器的实验教学平台设计

范智平，宛传平，周 荣

(1. 安徽科技学院 机电与车辆工程学院，安徽 凤阳 233100；2. 成都技师学院，四川 成都610000)

实验教学对于提高学生的实践动手能力非常重要，基于虚拟仪器的实验教学平台能够降低实验成本并提高学生学习的积极性．采用灵活性较好的PCI插卡式数据采集卡构成实验教学平台的硬件系统，能够实现数据信号发生等功能，同时能够实现网上远程教学，实现资源优化．

Lab VIEW；PCI采集卡；信号发生器；虚拟仪器；实验教学平台

近年来，高校的扩招给实验室教学带来较大压力．对于理工科学生来讲，具备实践动手能力既是自身素质的发展，更是为了满足社会的需求．而实践动手能力的培养在高校主要是通过实验课完成，然而传统实验课具有设备昂贵、教学手段单一、理论知识与实践动手操作相分离、学生学习缺乏主动性及创造性等缺点．将虚拟仪器引入到实验教学中，构建基于虚拟仪器技术的实验教学平台，不仅降低了实验成本，同时培养了学生学习的积极性，提高了学生的动手能力．

虚拟仪器起源于20世纪80年代的美国，指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器．由通用个人计算机、模块化功能硬件和控制软件组成，操作人员通过友好的图形用户界面以及图形化编程语言来控制仪器的运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储以及数据生成等功能．

通过分析比较，本文采用灵活性较好的PCI插卡式数据采集卡（PC-DAQ）硬件体系结构构成实验教学平台的硬件系统，设计并实现了数据信号发生等功能，此类实验室具有修改和改进计算机虚拟驱动程序，不需要增加新的硬件设备，并且具有分析处理数据的功能，同时虚拟仪器具有开展网上远程教学的工程功能．

1 电气类虚拟仪器实验平台硬件实现

电气类虚拟仪器实验教学平台由PCI插卡式数据采集卡（PC-DAQ）方式构建，硬件部分由传感器、信号调理器、数据采集卡组成，图1给出了基于虚拟仪器的电子类实验平台的结构框图．

图1 虚拟仪器实验平台结构框图

通过传感器将接收到的信号经信号调理系统调理后传递到数据采集卡，数据采集卡安装测试后完成对数据的转换，将现场物理信号转变为电信号，这一转换过程直接影响虚拟仪器测试系统采集功能的速度与精度，数据采集板卡将采集与读取转换后的数据传递给PC机，并通过虚拟仪器软件平台实现对实验教学系统的设计．

根据电气类实验教学系统的实验要求精度与准确度，电气类虚拟仪器实验教学系统采用数据采集卡PCI2013，PCI2013卡是一种基于PCI总线的数据采集卡，具有较高的分辨率与转换精度，可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统．也可构成工业生产过程监控系统．

2 电气类虚拟仪器实验平台软件实现

在Lab VIEW中可以通过外挂式调用驱动程序，实现相互兼容．数据采集软件的实现可以通过Lab VIEW提供的动态链接库函数创建数据采集卡的接口函数，本实验平台采用非空查询方式获取A/D数据，流程如图2所示．

图2 非空查询方式流程图

在虚拟仪器实验教学平台中数据采集使用FIFO非空标志读取AD数据，并释放设备上的AD控件，完成数据的采集．虚拟仪器的核心部件是软件，通过不断地修改程序可以实现功能完全不同的实验项目．因此，虚拟仪器并不虚拟，而面对的是真实的物理系统．也就是“软件就是仪器’’，只要利用数据采集卡，就可以在计算上构造新的仪器系统，由软件进行编程实现不同的功能．以典型信号发生器为例说明高校虚拟仪器实验室的建立．

在电气实验室中，信号发生源必不可少，传统的信号发生源功能简单单一，而且价格昂贵，利用虚拟仪器技术可产生参数随实验条件改变的信号源，所产生的信号源具有如下特点：1) 频率在10 ~ 100 Hz；2) 所产生信号的相位、占空比等参数可根据实验进行微调与粗调；3) 使用方便简单．

虚拟信号发生器前面板主要设置以下控件：

1) 信号类型：用来选择实验所需的波形．

2) 幅值：在一个周期内，信号出现的最大值．

3) 频率：信号周期的倒数．

4) 占空比：高电平在一个周期之内所占的时间比率．

5) STOP：程序结束，停止运行．

虚拟信号发生器调用函数时使用归一化频率，因此要将输入的数字频率单位转化为归一化频率单位，也即将单位统一到周期数/采样数．虚拟典型信号发生器前面板如图3所示:

图3 典型信号发生器前面板

如上方法可将实验室所需的实验条件构建到虚拟仪器中，实现无实物情况下进行实验，例如可建立电子实验室所需的实验条件于一个界面中，实现信号发生、显示等功能，如图4所示．

图4 虚拟仪器实验教学平台界面

3 结语

以现有计算机为基础，附加仪器硬件与软件平台，虚拟仪器既实现了普通仪器的功能，同时派生出强大的特殊功能．虚拟仪器为实验条件不足的高校提供了较好的平台，同时也为学生提供直观的画面供学生学习．

随着虚拟仪器的不断发展，在电信、测试、医疗等行业都有深刻的影响，同时虚拟仪器引入高校教学中，给高校带来了一场实验室的革新．

[1] 毕娟.虚拟仪器与多功能实验室建设的思考[J].丹东纺专学报,2003,10(2):15-18.

[2] 陈敏,汤晓安.虚拟仪器软件Lab VIEW与数据采集[J].小型微型计算机系统,2001,22(4):501-503.

[3] 陈锡辉,张银鸿. LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007:204-301.

[4] 侯国屏,王坤,叶齐鑫. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005:229-279.

Experimental Teaching Platform Design Based on Virtual Instrument

FAN Zhi-ping, WAN Chuan-ping, ZHOU Rong

(1. School of Mechanical Electronic and Automatics Engineering, Anhui Science and Technology College, Fengyang, Anhui 233100, China；2. Chengdu Technician College, Chengdu, Sichuan 610000, China)

Experimental teaching is very important in improving the students’ practical ability. Experimental teaching platform of virtual instruments can reduce the cost and improve the enthusiasm of the students’ learning. The hardware system of the experimental teaching platform, based on the good flexibility of PCI plug-in data acquisition card, can achieve the functions such as data signal generation, and can realize the online teaching to optimize the resources.

Lab View; PCI acquisition card; signal generator; virtual Instrument; experimental teaching platform

(责任编校：李建明 英文校对：李玉玲)

TP317

A

1673-2065(2013)04-0021-03

2013-03-20

安徽科技学院重点建设学科支持项目(AKXK20102-5); 安徽高校省级自然科学研究项目(KJ20102Z057); 安徽科技学院青年基金(ZRC2011287)

范智平(1983-),女,内蒙古锡林浩特人,安徽科技学院机电与车辆工程学院教师,工学硕士;宛传平(1975-),男,安徽庐江人,安徽科技学院机电与车辆工程学院教师,工学硕士.