浅谈虚拟仪器实验室的建设40309.docx

浅谈虚拟仪器实验室的建设 内容摘要：现代教育技术和计算机技术的不断发展，使得虚拟实验室技术蓬勃发展起来。虚拟实验室具有传统实验室无可比拟的优点。本文介绍了虚拟仪器系统引入实验教学的必要性和可行性，并以工程力学虚拟实验室的建设为例给出了建立虚拟实验室的方法。关键字：实验 ；虚拟仪器 ；虚拟实验室室实验是教学活动动中一个必不不可少的过程程，尤其是对对于理工类的的一些学科，例例如物理、化化学、机 电电、计算机等等实践性很强强的学科，实实验教学环节节对学好这些些课程更是至至关重要。学学生只有通过过足够的验证证性实验和一一定数量的综综合性实验，才才能真正理解解和掌握该学学科的理论知知识，才能获获得一定的实实验能力，并并初步具有处处理实际问题题的能力。因因此，充实实实验内容，增增开综合性实实验项目，进进一步加强实实验室建设，不不断改革实验验教学是十分分必要的。 随着人类对对自然规律探探索的深入，现现代文明的不不断发展，建建设现代化的的实验室面临临着越来越多多的挑战。对对于以培养面面向世纪纪的现代化人人才为宗旨的的大学教育来来说，如何使使学生能够掌掌握现代技术术， 如何设设计和建设能能够兼容过去去、立足现代代、面向未来来的实验室更更是值得深入入探索和实践践。一、虚拟仪器系系统引入实验验教学的必要要性众所周知，仪器器是实验的基基础，要保证证综合性实验验的开设质量量，就要同时时购置多套先先进而昂贵的的仪器。一个个传统的实验验要使用多种种仪器，而且且不同实验所所用的仪器也也不尽相同，如如果开设综合合性实验所需需仪器就更多多，这么多的的仪器不仅价价值昂贵、体体积大、占用用空间多，而而且相互连接接也十分麻烦烦。如何更合合理地配置教教育资源，解解决好资金投投入与人才培培养之间的矛矛盾，是学校校开展实验教教育经常需要要考虑而又伤伤脑筋的问题题。 由于条条件的限制，我我国大学的实实验室建设一一直落后于先先进国家，这这在一定程度度上影响了高高素质人才的的培养，制约约了我国科研研和工业生产产的快速发展展。以往的实实验室建设，通通常是根据实实验室的实验验目标和方向向，选择相应应的专用仪器器设备。为了了进行必要的的数据处理，有有时也会选择择一些仪器与与计算机系统统的接口设备备，使仪器系系统与计算机机系统之间具具备通信的能能力，达到数数据共享的目目的。不可否否认，这样的的实验室在科科学实验及教教学活动中发发挥了极为重重要的作用。然然而，这种建建设方法所忽忽视的是实验验室系统的灵灵活性和开放放性，也没有有充分利用当当前迅速发展展着的相关领领域的技术和和设备。因此此，在实验环环境和对象不不断变化的今今天，传统的的实验室建设设方法已经难难以适应，加加速大学现代代化实验室的的建设已经成成为当务之急急。实验手段段和技术的进进步，必然促促进相关技术术的发展。以以虚拟仪器设设备及技术为为基础的现代代化实验设备备正是这种进进步的具体体体现。 建设设以虚拟仪器器设备及技术术为基础的现现代化实验室室并不意味着着对传统设备备和环境的否否定。虚拟仪仪器系统可以以将已有的实实验设备中的的绝大多数融融入新的系统统当中，并且且充分利用当当今流行的现现代技术和手手段，保证实实验系统在相相当长的一段段时间内不会会落后。事实实上，建立以以虚拟仪器设设备及技术为为基础的现代代化实验室系系统，更为关关注的应该是是它的内在意意义，是它的的技术思路。设设备本身总有有过时的时候候，包括虚拟拟仪器本身在在内，而正确确的技术发展展思路可 以以使我们的实实验室始终处处于现代化的的行列，为科科研和教学提提供适应发展展的实验手段段。二、虚拟仪器系系统引入实验验教学的可行行性（一）虚拟仪器器系统的基本本构成虚拟仪器是计算算机技术介入入仪器领域所所形成的 一一种新型的、富富有生命力的的仪器种类，在在虚拟仪器中中，计算机处处于核心地位位，仪器的结结构概念和设设计观点等都都发生了突破破性的变化。从从构成上来说说，虚拟仪器器就是利用现现有的计算机机，配上相应应的硬件和专专用软件，形形成既有普通通仪器的基本本功能，又有有一 般仪器器所没有的特特殊功能的高高档低价新型型仪器。从使使用上来说，虚虚拟仪器利用用计算机机强大的图形形环境，建立立界面友好的的虚拟仪器面面板（即软面面板），操作作人员通过友友好的图形界界面及图形化化编程语言控控制仪器运行行，完成对被被测试量的采采集、分析、判判 断、显示示、存储及数数据生成。 虚拟仪器技技术的实质是是充分利用最最新的计算机机技术来实现现和扩展传统统仪器的功能能。虚拟仪器器的基本构成成包括计算机机、虚拟仪器器软件、硬件件接口模块等等。目前较为为常用的虚拟拟仪器系统是是数据采集卡卡系统、GPPIB仪器控控制系统、VVXI仪器系系统以及这三三者之 间的的任意组合。在在这里，硬件件仅仅是解决决信号的输入入输出，软件件才是整个系系统的关键。正正因为如此，所所以当基本硬硬件确定以后后，就可以通通过不同的软软件 （如用用于数据分析析、过程通讯讯及图形用户户界面的软件件）实现不同同的功能。虚虚拟仪器应用用软件集成了了仪器的所有有采集、控制制、数据分析析、结果输出出和用户界面面等功能，使使传统仪器的的某些硬件乃乃至整个仪器器都被计算机机软件所代替替。因此从某某种意义上可可以说：软件件就是仪器。用用户可以根据据自己的需要要，设计自己己的仪器系统统，满足多种种多样的应用用要求。利用用计算机丰富富的软、硬件件资源，可以以大大突破传传统仪器在数数据的处理、表表达、传递、储储存等方面的的限制，达到到传统仪器无无法比拟的效效果。（二）虚拟仪器器在实验教学学中的应用高等院校特别是是理工科院校校，实验教学学仪器设备所所需投资巨大大，一般学校校很难满足，造造成许多学校校仪器设备缺缺乏和过时陈陈旧等现象，严严重影响教学学科研。使用用虚拟仪器不不但可以节约约大量仪器设设备的经费投投入，而且能能够提高教学学科研的质量量与效率。 由于虚拟仪仪器的硬件是是以通用微型型计算机为基基础的，我国国普通高校的的实验室一般般都拥有相当当数量的通用用计算机，因因此，只要购购买一定的仪仪器模板以及及相应的软件件就可以构成成足够数量的的虚拟仪器供供学生使用。另另一方面，在在同一台计算算机上，通过过操作者的不不同定义，可可以虚拟出不不同的仪器，各各仪器之间 还可以通过过不同的窗口口进行切换，因因此实验室无无需配备各种种传统仪器，可可以通过软件件设计使虚拟拟仪器和实验验室设备不断断更新。学生生在计算机上上操纵各种虚虚拟仪器进行行试验，就如如同是在操作作传统仪器一一样有效，与与在真实实验验室的现场试试验做出的实实验结果是一一样的。这样样，使用基于于虚拟仪器系系统的虚拟实实验来代替实实际现场试验验，能很好地地解决现有实实验教学中的的矛盾，又符符合现代实验验技术的发展展方向。 三、工程力学虚虚拟实验室-衰减振振动实验（一）实验原理理振动台由台面、支支撑弹簧片及及电磁阻尼器器组成，在瞬瞬时或持续的的干扰力作用用下，台面沿沿水平面纵轴轴方向振动。铝铝质台面在电电磁阻尼器的的磁隙中运动动时，产生与与运动速度成成正比的电涡涡流阻尼，调调节电磁铁的的励磁电流可可改变阻尼的的大小。 试验装置如下图图所示 （二）实验装置置序号名称数量主要技术指标参考类型生产厂家1水平振动台1固有频率：约110HZ阻尼比：0.001-0.220可变自制2电子示波器1通用型3阻尼器电源1DC输出：0-30V，22APAB 322-2AKIKUSUII（日本）（三）实验步骤骤通过链接控制面面板或在窗口口中直接单击击各实验仪器器设备，打开开各实验仪器器设备的控制制面板，并开开通电源。（可可以使用缩放放按钮功能，方方便操作） 1、打开如右图图所示的“阻尼器电源源”控制面板。确确定按下了 “A”和“OUTPUUT”按钮，调整整“输出电压或或电流微调”旋钮，如下下图所示，将将电流输出值值大致调为00.5A（同同强迫振动实实验）。2、在“水平振振动台”上输输入振动台的的初始位移，点点击“OK”，这这时，在“电电子示波器”上上将计入下振振动台的衰减减波形。3、使用控制面面板上的“衰衰减曲线”功功能按钮，系系统将自动绘绘出当前振动动状态下的衰衰减曲线。通通过这个衰减减曲线，试验验者可取得衰衰减曲线上任任意点的数据据。4、为增加对本本实验的了解解，试验者可可调整阻尼器器电源的输出出电流，以观观察不同阻尼尼状。5、 测试完毕毕时，将阻尼尼器电源的输输出调至零。然然后关闭所有有仪器的电源源。（四）实验演示示（五）虚拟示波波器的设计与与实现方案1、虚拟示波器器的结构与组组成本虚拟数字示波波器主要由一一块PCI总总线的多功能能数据采集卡卡和相应的软软件组成。将将它们安装在在一台运行WWindowws95/998/NT的的PC机上（建建议配置在 PENTIIUM2233以上），即即构成一个功功能强大的可可存储数字示示波器。该数数字示波器操操作与显示主主面板如图11所示。   1.1 数据采采集卡PCI总线传输输速率高数数据吞吐量大大是今后数数据采集板卡卡设计的主流流。本设计采采用的PCII12000数据采集卡卡是一块性价价比较好的产产品，支持DDMA方式和和双缓冲区模模式，保证了了实时信号不不间断采集与与存储。它支支持单极和双双极性模拟信信号输入，信信号输入范围围分别为555V和和010VV。提供166路单端88路差动模拟拟输入通道、22路独立的DDA输出通道道、24线的的TTL型数数字IO、33个16位的的定时计数器器等多种功能能。这些功能能使得我们不不仅可以用该该卡设计虚拟拟示波器，也也可以设计虚虚拟函数发生生器或虚拟计计数器，做到到一卡多用。当当然，限于经经费条件，我我们选择的PPCI12200卡的采采样速率只能能达到1000kSs，对对实际示波器器而言，这远远不能满足信信号带宽的要要求。目前市市场上采样速速率达2000MSs的的PCI数据据采集卡已有有成熟产品，技技术上实现高高带宽的虚拟拟示波器不存存在问题。实实际测量时输输入信号通过过BNC接头头从输入端子子进入数据采采集卡进行采采集。1.2 仪器功功能    本虚拟拟数字示波器器设计参考了了HP公司的的双通道台式式数字存储示示波器HP554603BB的功能，并并在仪器分析析和处理功能能上有所扩展展。仪器主要要功能包括：双通道信号号输入、触发发控制、通道道控制、时基基控制、波形形显示、参数数自动测量、频频谱分析、波波形存储和回回放等。本虚虚拟数字示波波器还提供网网络接口，允允许通过TCCPIP协协议实现网络络仪器共享或或远程控制。表表1是本虚拟拟数字示波器器与HP544603B的的功能对照表表。由表1可以看出出，除了由于于经费原因使使得所选数据据采集卡采样样速率低于HHP546003B外，本本虚拟示波器器在显示、测测量、分析、存存储和外部连连接等方面的的功能都不低低于甚至高于于HP546603B。 2、 软件的设设计与实现2.1 软件开开发环境虚拟数字示波器器软件设计采采用了先进的的图形化编程程语言工具LLabVIEEW 5.11 for Windoows98NT。LaabVIEWW编程的主要要特点就是将将虚拟仪器分分解为若干基基本的功能模模块（相当于于硬件设计中中的集成电路路），模块的的引脚代表输输入输出接接口。编程者者可以通过交交互式手段，采采用图形化框框图设计的方方法，完成虚虚拟仪器的逻逻辑和测量分分析功能设计计。图2是虚拟数字字示波器频谱谱分析模块程程序。    由图2可以看出出，LabVVIEW程序序设计过程与与人们设计仪仪器的思维过过程十分相近近，程序框图图就实现了程程序代码功能能，避免了一一般程序设计计从框图构思思到程序表示示的繁琐。LLabVIEEW编程的另另一个优点是是将软件的界界面设计与功功能设计独立立开来，修改改人机交互界界面无需对整整个程序进行行调试，这对对设计像仪器器操作面板这这样复杂的人人机界面而言言是十分方便便的。LabbVIEW还还为用户提供供了函数扩展展功能，利用用LabVIIEW中的CCode IInterfface NNode（CCIN），可可以调用用CC等传统编程程语言写的程程序代码；利利用LabVVIEW中的的Call Libraary Fuunctioon可以调用用标准动态链链接库（.DDLL）。总总之，LabbVIEW 作为图形化化编程语言环环境，为虚拟拟仪器开发提提供了一种快快捷、方便和和功能强大的的软件工具。2.2 主要功功能模块    概括地地讲，虚拟示示波器主要由由软件控制完完成信号的采采集、处理和和显示。系统统软件总体上上包括数据采采集、波形显显示、参数测测量、频谱分分析及波形存存储和回放等等五大模块，其其功能结构框框图如图3所所示。  2.2.1 数数据采集模块块数据采集模块主主要完成数据据采集的控制制，包括触发发控制、通道道选择控制、时时基控制等。其其中：     ·触发发控制包括触触发模式、触触发斜坡、触触发电平控制制；    ·通道道选择主要控控制单通道或或双通道测量量；    ·时基基控制主要控控制采集卡扫扫描率、每一一通道扫描次次数（取样数数）。    2.22.2 波形形显示模块    软件提提供了三种波波形显示模式式：    ·A B ABB模式：通过过显示通道选选择按键摚翑翑和摚聰，可可以任意显示示某一通道或或两通道输入入信号的波形形；    ·X Y模式：当当两通道都处处于选通状态态时，使用此此模式来显示示李沙育（LLissajjous）图图形、测量相相位差或频率率；    ·AB ABB模式：当两两通道都处于于选通状态时时，使用此模模式来显示两两通道信号代代数相加、相相减后的波形形。2.2.3 参参数测量模块块    参数测测量模块主要要模拟HP554603BB的参数测量量功能，完成成包括Vrmms等12个个电压参数和和频率、周期期等7个时间间参数的测量量并显示其测测量结果。    2.22.4 频谱谱分析模块     频谱分分析模块采用用快速FFTT算法，完成成频域信号分分析。可实现现的频谱分析析控制包括：    ·Wiindowss选择，提供供了9种频谱谱分析窗口；    ·LoogLinnear选择择，提供了22种坐标显示示模式；    ·Diisplayy Unitt选择，提供供了8种单位位。2.2.5 数数据存储和回回放模块    按键撔撔磁虜控制是是否进行数据据存储按键键摱僚虜控制制是否从数据据文件中读取取数据。主面面板提供了两两个文件名输输入框，前一一个为信号波波形数据文件件名输入框，后后一个为采样样周期文件名名输入框，这这两个文件由由写盘功能和和读盘功能共共用。从软盘盘或硬盘上读读取的数据同同实时采集的的数据一样，能能够进行自动动参数测量以以及显示波形形并保留在显显示窗口（显显示模式可以以设置为三种种模式中的任任意一种），还还可以根据需需要设置进行行频谱分析。    2.33 主要控制制结构    2.33.1 测量量控制结构    通过逻逻辑按键“测测量”控制是是否进行测量量；通过逻辑辑按键“通道道”控制通道道选择。    2.33.2 自动动调整扫描率率控制结构    由逻辑辑按键组“自自动”、“手手动”来控制制是自动调整整扫描率还是是手动调整扫扫描率。    2.33.3 正常常显示、记忆忆显示控制结结构    由双功功能逻辑驱动动键“正常/记忆”控制制，缺省为正正常显示。处处于正常状态态时，最多只只能显示A、BB两通道输入入的2个信号号的波形；处处于记忆状态态时，最多可可以记忆显示示A、B两通通道输入的117个信号的的波形（A通通道可记忆显显示16组信信号数据，BB通道只能记记忆显示组组信号数据）。在在实际应用中中，记忆显示示功能主要用用于测量信号号的抖动情况况或比较分析析两个以上的的信号波形。本文介绍的虚拟拟数字示波器器不仅具有一一般台式数字字存储示波器器的功能，而而且充分发挥挥了微机强大大的功能和软软件设计的灵灵活性，主要要技术特点表表现在：（1）采用图形形化编程语言言LabVIIEW和面向向对象编程技技术，软件开开发效率高，可可操作性和可可维护性好；（2）为数字存存储示波器增增加了频域分分析功能；（3）充分利用用了计算机的的存储与外设设连接的能力力，测量结果果和波形可直直接打印输出出或通过网络络共享；（4）硬件具有有开放性，允允许通过升级级硬件来提高高其性能；（5）在相同硬硬件条件下，可可以通过修改改或增加软件件模块，形成成新的仪器功功能。为了确保实验教教学的顺利进进行，基于虚虚拟仪器的虚虚拟实验系统统可分四个阶阶段予以实施施。第一阶段段，在充分利利用现有的计计算机资源的的基础上，购购买所需的仪仪器模块和软软件（如aabvieww），由教师师编写程序，以以实现现有仪仪器设备的模模拟。这样有有效增加了实实验设备的数数量，从根本本上改善学生生实验条件， 保证实验教教学质量。第第二阶段，学学生可以充分分利用计算机机软件对数据据采集、储存存、分析、处处理、传输及及控制的强大大功能，在同同一台机机上虚拟出数数十台仪器，如如智能信号发发生器、数字字存储示波器器、频谱及信信号分析仪、数数字电压表和和噪声测试仪仪等。把这些些虚拟仪器应应用到实验教教学中去，以以取代常规仪仪表。学生还还可根据实验验要求，自行行设计各种软软面板，定义义仪器的功能能，并以各种种形式表达输输出实验结果果，进行实时时分析。第三三阶段，增加加综合性实验验项目，并鼓鼓励学生选做做设计性实验验。要求学生生自己选题，拟拟订方案，编编写程序，设设计虚拟仪器器实验系统。第第四阶段，组组织科研小组组，在原有的的仪器模块上上进行二次开开发，拓宽其其应用范围。这这样一方面设设计和构建新新的虚拟仪器器，另一方面面全面带动学学校的教学、科科研上质量。对对于实验教学学而言，第二二阶段的内容容是学生在实实验中应当达达到的虚拟实实验的基本要要求和效果。参考文献：1尹妍萍：LabVIIEW在教学学测试实验中中的应用，实实验室研究与与探索,s2002,221(1):63-644。2张易知:虚拟仪器的的设计与实现现,西安电子子科技大学出出版社,2002,6-20。3陈秀清:关于虚拟拟实验室的建建设，福建广播播电视大学，3500003。4江伟，袁袁芳，黄乡生：多功能虚拟拟数字示波器器的设计，东华理工工学院电子工工程与自动化化系， 3444000 。 5李鸣华:虚拟示波器器的设计浙江师范大大学,信息科科学与工程学学院,浙江,金华,3221004。6玄兆燕,常秀辉：基于虚拟测测控平台的圆圆度仪的研究究，仪器仪仪表学报,2001,222(3):3301-3002。