基于虚拟仪器的教学实验设计与实现

杜恩祥+常雷

摘要：本文通过介绍基于虚拟仪器的实验教学环境特点、构建方法及实验设计实例，为该类教学实验推广提供依据。采用虚拟仪器技术构建实验教学环境不仅解决了传统教学实验的费用高问题，而且教学模式更加灵活、高效。

关键词：虚拟仪器；教学实验；振动测试

传统的测试技术实验教学通常需要传感器、放大器、信号处理设备等多种多套器材和仪器，常常因为经费投入不足或后续维护费用问题，不能满足实验条件要求，难以保证正常的实验教学。

一、基于虚拟仪器的教学实验环境特点1节省实验费用，提高设备利用率

通过更换软件就可实现电压表、电流表、波形显示、参数计算等多种功能，避免了大量硬件设备的使用维护，同时在一套设备上可以完成多种功能，大大提供了设备利用率。

2交互性好，技术更新快

通过软件界面操作实现各种实验，既可随时显示操作步骤、故障提示、也可设置不同模式为学生提供不同测试数据，供学生分析、查找原因。同时可根据技术发展特点、教学要求变化，更新软件满足实验要求，避免了硬件设备陈旧，技术更新周期长，不能及时跟上新技术、新设备、新标准的步伐等问题。

3便于网络教学，资源共享

该类仪器的核心是一台计算机，联网后能实现多种仪器的资源共享，避免硬件设备的重复购买。甚至像频谱仪、逻辑分析仪、大型测试装置等昂贵的设备，学生也能够通过网络进行学习和使用。

二、构建基于虚拟仪器教学实验环境的方法以计算机为核心，配上各种功能卡和软件系统，即构成了基本的虚拟仪器，既可以完成普通仪器的功能，又可以实现信号处理和分析的功能。

1虚拟仪器硬件平台构建

虚拟仪器典型的主机系统有普通PC机和PXI控制器。以普通PC机为主机的虚拟仪器，需配置PCI接口模式的数字量输入输出采集卡、模拟量输入输出卡、视频采集卡、1394等各种功能采集卡，系统特点是价格便宜；以PXI控制器为核心的虚拟仪器，需配置PXI接口相应的功能采集卡，系统特点是性能稳定、可靠，但价格昂贵。

虚拟仪器的主机系统完成信号波形显示、扫频、频率变化、滤波等信号分析、处理、显示、存储等功能。配置的功能卡完成信号采集和控制、激励信号输出的功能。其中输入模式：通过传感器采集的信号经信号调理、信号变换、隔离放大等处理后转变成相应功能卡能够接收的信号，通过功能卡输入主机；输出模式：主机系统产生的数字信号经过信号变换、调理、放大后转换成被测设备需要的控制信号或其他激励信号。

2软件系统的实现

根据不同实验要求实现虚拟仪器的软件系统方式不同，对于常用的测试仪器系统的功能，比如万用表、频率计、示波器等，优质的功能卡供应商，在销售板卡时，就带相应的软件系统，对于特殊需要的软件功能，需要自己开发，通常有几种开发工具，如LabWindows/CVI、LabVIEW、C/C++等。其中，图形化编程技术被专家看好，例如National Instruments公司的LabVIEW图形化开发系统，具有开放的软件体系，提供一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的仪器模块。在一套虚拟仪器硬件平台下，可以配置多种不同软件系统，完成不同的实验教学系统环境，改变软件，就可改变仪器功能，即一套硬件系统可实现多种传统仪器的功能。

三、基于虚拟仪器的教学实验设计实例下面以大学理工专业常开的一项振动测试实验内容为例。

1实验目的

①了解虚拟仪器的组成概念，掌握基于虚拟仪器的振动测试实验方法。②熟悉振动信号的波形特点。③熟悉信号处理的流程。④分析不同振动信号的信号处理前后的特点。

2实验内容

①构建振动实验环境。②振动信号采集。③振动信号处理与分析。

3实验总结

通过实验内容和过程的实现，撰写实验报告。

基于虚拟仪器的教学实验系统不仅降低了实验成本，提高了使用效率，同时在测试实验中还增强了数据处理能力和测试精确度。

参考文献：

仝兆景，张科，等.虚拟现实技术在教学实践中的应用研究.中国现代教育装备，2007（12）.

蒋英.虚拟现实技术构建虚拟实验室的初浅认识.实验室科学，2006（1）.

高晓燕，王惠贞.虚拟仪器在高等职业教育中的应用.陕西教育，2009（2）.