虚拟仪器课程实验建设与改革

詹惠琴，古 军

(电子科技大学 自动化工程学院，四川 成都 611731)

建设“虚拟仪器技术”精品课程，应当强调实践教学环节，培养学生的创新能力和综合素质，建设目标是[1]：(1)具有综合性、阶段性、创新性、开放性的现代实验教学体系；(2)具有先进性、通用性、多功能、低成本的现代实验教学平台；(3)具有虚拟化、自动化、网络化、规模化的现代实验教学环境。

虚拟仪器课程实验建设的基本思路是：将计算机技术和虚拟仪器技术应用于实践教学中，建立先进的实验教学平台和现代化的实验教学环境，建设有利于学生创新精神和实践能力培养的实践课程。目前电子科技大学已完成了实验课程体系的建设，研制了实验教学平台，开发了多个实验教学项目，开设了“虚拟仪器基础实验”和“虚拟仪器综合实验”两门实验课程。

1 虚拟仪器技术用于实验教学的优势

虚拟仪器是一种以通用计算机和测试模块硬件为基础、以计算机软件为核心构成的计算机仪器。虚拟仪器的仪器面板和仪器功能都可由用户软件来定义[2]。虚拟仪器技术用于实验教学的优势是[3-6]：(1)作为一种先进的、创新的技术，适合培养具有创新精神和创新能力的人才；(2)作为一种综合的、集成的技术，有利于培养学生的综合应用能力和实践能力；(3)作为一种经济的、实用的技术，有利于教学实践基地的规模化建设，能真正把实践能力的培养落到实处。

虚拟仪器实验课程的优势还体现在“软件定义仪器”的虚拟性，可给学生一个充分发挥想象力、创造力和展示才能的空间，非常适合作为现代实验教学内容，并按照崭新的教学模式进行学生创新能力培养[7-8]。

2 虚拟仪器实验系统组成

虚拟仪器实验系统可划分为硬件和软件两大部分[9](见图1)，其中硬件系统包含个人计算机、测试硬件平台和多种实验电路子板3部分。

(1) 通用个人计算机(PC)：它应具有运行图形化编程软件的能力。

(2) 通用测试硬件平台：它具有数据采集、信号产生、定时计数、与计算机进行数据通信等多种功能。模拟输入有3路，包括2路8位/100 MHz的高速ADC和1路低速的12位的双积分ADC。模拟输出包括2路12位/100 MHz的高速DAC。数字I/O还包括16路高速数字信号的输入通道和输出通道。此外，在FPGA芯片内还有1组计数器/定时器的逻辑电路。

(3) 多种实验电路子板。

图1 虚拟仪器实验平台系统的基本组成

软件也包括3部分：(1)虚拟仪器软件开发平台labVIEW和labWindows/CVI；(2)虚拟仪器库，包含示波器、信号源、电压表、计数器等10余种虚拟仪器驱动程序；(3)多个学生实验程序。

虚拟仪器设计与实验课程的内容包括软件开发平台(LabVIEW)技术、虚拟仪器基本硬件平台技术、测试信号分析与处理技术、典型虚拟仪器设计与调试技术、系统集成技术几大部分。

3 基于虚拟仪器技术的实验项目

实验项目包括软件编程实验、硬件实验和综合设计实验3类。

(1) 软件编程实验类：①创建和编写VI程序；②循环和子VI；③控制结构、顺序结构和公式结点；④数组和图形；⑤文件操作；⑥仿真信号的产生和分析；⑦虚拟仪器设计实验。

(2) 硬件实验类：①虚拟多波形信号源的原理和应用；②电子计数器测频和测周原理；③双积分式A/D原理和直流电压测量；④R、L、C元件参数测量；⑤信号频谱分析和测试；⑥逻辑分析仪实验；⑦数据采集及数据处理系统设计；⑧人机对话接口电路的设计与调试。

(3) 设计性综合实验类：①数字频率计设计；②直流电压表设计；③虚拟数字交流电压表设计；④数字存储示波器的设计；⑤实用信号源设计；⑥频率特性测试仪的设计和调试；⑦温度检测与控制的设计与调试；⑧应用逻辑分析仪的CPLD设计及功能测试。

实验内容的设计性、综合性强，涉及的课程有：电子测量原理、模拟与数字电路、虚拟仪器、微机原理及接口技术、电子设计自动化(CPLD技术)、传感器原理、信号与系统、软件程序设计等。实验设计内容包括测试技术及仪器、模拟和数字电路设计、微机接口及系统、软件设计及调试、软硬件联调和测试。

4 基于虚拟仪器技术的学生综合能力培养

用虚拟仪器技术进行学生综合能力培养，采取分段、分级进行[10]。学生从基本功练起，由易到难、由局部到整体，以“虚拟仪器技术”课程为基础和起点，逐步学习虚拟仪器原理、图形化软件编程、标准总线技术、数字信号处理的应用、硬件模块的开发与系统集成等，最后达到提高综合能力的目的[11]。

综合能力培养可划分成4个阶段。

(1) 熟悉阶段。本科教学计划中的“虚拟仪器技术”，以学生上机实验为主，学习虚拟仪器的原理及使用，掌握图形化编程的虚拟仪器开发平台。学生在学完本课程后，应熟悉虚拟仪器开发环境，具有初步应用LabVIEW开发虚拟仪器的能力。

(2) 掌握阶段。学生可选用某种现成的虚拟仪器硬件平台(SJ-8002B综合实验平台等)，利用LabVIEW软件开发平台[12]和数字信号处理技术，独立开发几种典型的虚拟仪器——数字多用表、示波器、计数器、信号发生器等，并使之达到实用化。这一层次主要是软件开发，不需要深入了解硬件接口。

(3) 设计阶段。学生在学完微机原理及接口技术、C语言、模拟与数字电路、电子测量等课程后，可利用课外科技活动或课程设计，开发虚拟仪器及系统，掌握软硬件设计与调试技术，接受较全面的训练。硬件平台除PC机外，还有传感器、执行机构、信号调理、各种模入/模出或数入/数出功能的接口板；软件平台为LabVIEW或LabWindows/CVI。学生除了设计制作少量外围电路外，基本上不需制作硬件模板，但需分析、掌握所选用模板的工作原理和接口电路。

(4) 应用阶段。学生自主开发一个虚拟仪器或测控系统。系统要完成什么功能、采用什么体系结构和标准总线、如何设计制作硬件接口板、采用什么软件平台等均由学生自己决定。把虚拟仪器技术与计算机、单片机实验相结合，在实验平台上开展数据采集、过程控制的综合实验，进行计算机综合应用能力的培养。实验内容包括硬件接口技术、标准总线技术、仪器驱动技术和用户界面的设计、各种测量和控制算法研究、DSP技术在虚拟仪器中的应用等。

5 典型实验项目简介

(1) 电路板频域特性测试。用实验平台提供的DDS产生扫频正弦信号，作为被测滤波器电路板的激励信号源，用实验平台的高速采集通道采集被测滤波器的输出信号，计算出不同频率点下的输出信号与输入信号的幅值比，即为滤波器的幅频特性(见图2)。

(2) 温度检测与控制实验。温度实验电路板上包括温度传感器、加热灯泡和控制电路。将实验电路板连接测试平台的62芯插座，温度传感器把温度信号转换为电压信号，送入测试平台的信号调理电路，再经A/D转换送入计算机。数据经处理后以数字温度计和曲线形式显示在屏幕上，再根据设定的目标温度和控制方式控制加热器的通断。实验界面如图3所示。

(3) 信号的频谱分析。学生使用本实验平台提供的正弦波、三角波和方波等常用信号进行频谱分析，还可对自己设定参数产生的任意组合波形进行频谱分析。图4是对包含三次谐波的组合波形进行频谱测试的结果。

图2 滤波器频率特性测试(扫频)实验界面

图3 温度检测与控制系统实验界面

图4 组合波形的产生和频谱分析

6 结束语

基于虚拟仪器技术的实验教学改革，把计算机技术、测试技术与电子技术紧密融合在一起，实现课程实验内容和教学方法的革新。由于自行研制的虚拟仪器综合实验平台多功能、多用途、低成本，因此能在投资省的情况下实现本科实验规模化的建设，并实现实验环境的虚拟化、自动化和网络化，具有鲜明的时代特征。这些建设成果，已在我校本科实验教学中应用多年，培养了大量人才，取得了良好的效果。该虚拟仪器综合实验平台还在国内多所高校中推广应用，具有地域辐射和广泛的示范作用。

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