虛擬儀器設(shè)計及其在教學(xué)中的應(yīng)用

　　摘　要：主要介紹虛擬儀器設(shè)計及其在教學(xué)中應(yīng)用的廣闊前景。所謂虛擬儀器，就是在以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。由此可以看到虛擬儀器是計算機(jī)硬件資源、儀器與測控系統(tǒng)硬件資源和測試軟件資源三者的有效結(jié)合。“虛擬”二字是指虛擬儀器給出的界面是虛擬的。“軟件就是儀器”是虛擬儀器概念的核心內(nèi)容。通過介紹虛擬儀器教學(xué)的構(gòu)成要素，結(jié)合教學(xué)實(shí)驗(yàn)舉例,來說明虛擬儀器教學(xué)的必要性和可行性。

　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器；教學(xué)平臺；測試系統(tǒng)；硬件資源


　　虛擬儀器（Virtual Instrument,VI）是突破傳統(tǒng)儀器概念的最新一代測量儀器，是儀器技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，他的出現(xiàn)是儀器領(lǐng)域一次重大革命。

　　當(dāng)代大學(xué)教育強(qiáng)調(diào)的是素質(zhì)教育，而現(xiàn)階段大學(xué)生中重“理論”輕“實(shí)踐”，重“書本”輕“動手”，重視單一專業(yè)學(xué)習(xí)而缺乏軟硬件結(jié)合學(xué)習(xí)等問題依然存在。解決這些問題需要各個方面的努力，但其中重要的一點(diǎn)是由于很多學(xué)校開設(shè)的課程題材陳舊，無法滿足廣大學(xué)生對新技術(shù)的理解和掌握。而虛擬儀器由于具備領(lǐng)先性、開放性和靈活性等特點(diǎn)，學(xué)生通過對他的學(xué)習(xí)可以同時掌握硬件和軟件的大量知識，并培養(yǎng)他們的動手能力。開設(shè)一門虛擬儀器的教學(xué)課程對大學(xué)的學(xué)科建設(shè)和學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)都是大有裨益的。

1虛擬儀器教學(xué)的構(gòu)成要素

1.1虛擬儀器教學(xué)平臺

　　這個平臺是虛擬儀器和實(shí)驗(yàn)室的總稱。

　　虛擬儀器由儀器硬件和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。

　　儀器硬件包括計算機(jī)（PC或者工作站）和I/O接口設(shè)備（用來對被測輸入信號進(jìn)行采集、放 大、A/D轉(zhuǎn)換），其組成如圖1所示。



　　PC-DAQ: 利用PC總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡。

　　GPIB(General Purpose Interface Bus)：綜合接口總線技術(shù)。

　　VXI(VMEbus Extension for Instrumentation)：VME總線技術(shù)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。

　　由圖1可以看出計算機(jī)是硬件平臺的核心，建議使用主流配置的計算機(jī)，保證其性能的穩(wěn)定 性。 I/O接口設(shè)備建議使用利用PC總線的數(shù)據(jù)采集板卡（DAQ）。由數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路及計算機(jī)構(gòu)成的PCDAQ系統(tǒng)是構(gòu)成VI的最基本方式，由于其成本低廉，也是開展虛擬儀器教學(xué)的首選。

　　開發(fā)虛擬儀器需要有合適的軟件工具，目前的虛擬儀器開發(fā)工具有兩類，文本式編程語言（如Visual C++,LabWindows/CVI等）和圖形化編程語言（如LabVIEW,HPVEE等），考慮到大學(xué)普遍開設(shè)了C語言的基礎(chǔ)課，開發(fā)工具可使用LabWindows/CVI,一方面學(xué)生在C語言的基礎(chǔ)上更容易掌握虛擬儀器的軟件理念，另一方面，學(xué)生隨著實(shí)踐應(yīng)用，C語言水平也會獲得提升。

1.2教師隊伍及教材

　　教師隊伍的成立應(yīng)選擇那些從事過測試系統(tǒng)研究、熟悉虛擬儀器工作流程、對新技術(shù)新知識有探索精神的教師，人數(shù)一般為3~5人，一方面可以在課程安排上使人員調(diào)配更加充分；另 一方面這3~5人可成立虛擬儀器研究小組，利用優(yōu)良的工作環(huán)境進(jìn)行不斷深入的研究，開發(fā)出更多更高級的實(shí)驗(yàn)來充實(shí)和豐富大學(xué)的教研工作。

　　一門好的課程，必須有一種好的教材，既有利于教師進(jìn)行備課和實(shí)驗(yàn)的開展，又有利于學(xué)生更好地接受這門新課程，取得預(yù)期的教學(xué)效果。推薦使用電子工業(yè)出版社出版，劉君華主編的《基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計》一書，該書詳盡地介紹了利用LabWindows/CVI語言進(jìn)行多種信號的分析與處理并提供了各層次的虛擬儀器設(shè)計的示例，是市面上同類書籍的代表之作。

1.3培訓(xùn)對象

　　由于該教學(xué)課程主要介紹如何使用LabWindows/CVI來實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的測量功能，學(xué)習(xí)者不但要學(xué)習(xí)LabWindows/CVI語言的使用方法與技巧，還要具備一定測量技術(shù)的基本知識。這就意味著培訓(xùn)對象應(yīng)該選擇測試和計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的高年級學(xué)生或具有一定基礎(chǔ)的外專業(yè)或低年級的學(xué)生。大學(xué)可以先將虛擬儀器開設(shè)成為相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著課程開展逐漸成熟，可考慮將其設(shè)為全校的任選課，使虛擬儀器理論在大學(xué)更加普及。��

2虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)舉例

　　虛擬儀器課程教學(xué)方式與傳統(tǒng)課程是有所區(qū)別的，他非常注重編程語言與測量技術(shù)的綜合運(yùn)用，理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)方法需要教師引導(dǎo)學(xué)生對不同層次的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐。在掌握了一定的編程基礎(chǔ)之后，以一個實(shí)驗(yàn)為一個單元進(jìn)行學(xué)習(xí)，利用每個實(shí)驗(yàn)解決不同的問題，是他們提高編程和測試水平的一個很好的途徑。現(xiàn)以“正弦波信號發(fā)生器設(shè)計”實(shí)驗(yàn)為例說明如何學(xué)習(xí)這門課程。

2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br />
　　加深LabWindows/CVI語言對象編程的概念，熟悉面板繪制與控件屬性的設(shè)置，理解事件過程的概念，如圖2所示，熟悉數(shù)據(jù)采集卡的D/A轉(zhuǎn)換功能的使用。

2.2儀器設(shè)計

　　(1) 面板設(shè)計




　　正弦波信號發(fā)生器界面如圖3所示。點(diǎn)擊“開始”按鈕，該發(fā)生器會按照用戶設(shè)置的“頻率 ”控件上的輸入來正弦波，正弦波顯示在屏幕中的圖形顯示控件中，并通過數(shù)據(jù)采集卡的模 擬輸出端輸出，可用示波器來進(jìn)行觀察。學(xué)習(xí)者要將“開始”按鈕對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)為“Star t”，“關(guān)閉”按鈕對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)為“Close”。

　　在這一環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)中，主要要求繼續(xù)深入掌握LabWindows/CVI控件的添加和屬性的修改。

　　(2) 生成代碼和添加代碼

　　完成面板設(shè)置工作后，利用LabWindows/CVI的代碼生成功能生成源代碼框架，并添加源代碼，在這一環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)中，主要要求對LabWindows/CVI的代碼生成功能熟練掌握，并能夠在回調(diào)函數(shù)里利用Library庫插入函數(shù)，設(shè)置函數(shù)的各個參數(shù)，這是整個實(shí)例學(xué)習(xí)中最重要的一個環(huán)節(jié)。

　　(3) 調(diào)試和運(yùn)行

　　一個程序能夠完整順利的運(yùn)行，需要經(jīng)過多次調(diào)試，調(diào)試的過程也是編程水平迅速提高的過程，在這一環(huán)節(jié)里，教師應(yīng)充分讓學(xué)生進(jìn)行調(diào)試，在必要的時候給予指導(dǎo)，而不應(yīng)該在學(xué)生遇到困難的時候代而勞之，只有這樣，課程才能取得良好的效果。界面運(yùn)行如圖4所示，在數(shù)據(jù)采集卡的輸出端利用示波器也可看到相同的正弦波。

3虛擬儀器教學(xué)的必要性和可行性

　　江澤民同志在紀(jì)念北京大學(xué)建校一百周年大會上深刻指出：“科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，知識經(jīng)濟(jì)已見端倪，國力競爭日趨激烈”。站在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢上看，面對現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的高速 發(fā)展，我國教育的發(fā)展已經(jīng)滯后，必須進(jìn)一步適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，強(qiáng)化超前意識，這是開設(shè)“虛 擬儀器”課程的大前提。

　　在知識經(jīng)濟(jì)時代，社會行業(yè)的變動規(guī)模與速度都超過了以往任何時代，這既為人才擇業(yè)與就 業(yè) 提供了更多的機(jī)會，也向人才提出了更高的素質(zhì)要求。從專業(yè)角度講，重要的是“專業(yè)適應(yīng) ” 而不再是“專業(yè)對口”。事實(shí)證明，高素質(zhì)的人才是具有較強(qiáng)專業(yè)適應(yīng)能力的人。因此，大 學(xué)應(yīng)合理調(diào)整專業(yè)與課程設(shè)置、培養(yǎng)學(xué)生獲得再學(xué)習(xí)、再提高的能力，而開設(shè)虛擬儀器這樣 的課程正是順應(yīng)了社會變革的需求，也滿足了對學(xué)生進(jìn)行素質(zhì)教育的要求。由此可見，象開設(shè)虛擬儀器這樣的課程是很有必要的。



　　目前，我國高檔臺式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進(jìn)口，這些 儀表加工工藝復(fù)雜，對制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難，因此售價比較昂貴。對大學(xué)來講 不可能大量購買以滿足教學(xué)和試驗(yàn)的需要，也勢必影響學(xué)生對當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)和了解。 而通過虛擬儀器技術(shù)就可以只購買必要的通用的儀器硬件來設(shè)計高性價比的儀器系統(tǒng)， 從而節(jié)省了大筆科研經(jīng)費(fèi)，從經(jīng)濟(jì)角度來講完全具有可行性。

　　由于虛擬儀器是按照測量原理采用適當(dāng)?shù)男盘柗治黾夹g(shù)和處理技術(shù)編制某種測量功能的軟件 來實(shí)現(xiàn)測試的儀器，通過設(shè)計虛擬儀器的課程，可使學(xué)生在掌握了一定的軟硬件知識基礎(chǔ)上 獲得實(shí)際應(yīng)用的機(jī)會。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程相比，虛擬儀器教學(xué)更好地融合了理論與實(shí)踐相結(jié) 合，使學(xué)生的軟件與硬件技能同步提高；虛擬儀器軟硬件上模塊化的設(shè)計使學(xué)生在學(xué)習(xí)的方 式上更加靈活，也較容易掌握。由此可見在課程的開設(shè)和學(xué)生的實(shí)際情況來講虛擬儀器教學(xué) 都是可行的。

　　虛擬儀器設(shè)計已經(jīng)成為測試和儀器技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，在以培養(yǎng)高素質(zhì)高科技人才的 大學(xué)開設(shè)虛擬儀器設(shè)計教學(xué)是勢在必行的，只有這樣才能滿足社會對大學(xué)教育的要求。

參考文獻(xiàn)

［1］白鵬，賈惠芹，閻曉艷.虛擬儀器編程語言 Lab Windows/CVI教程 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.
［2］劉君華.虛擬儀器圖形化編程語言［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2001.
［3］張易知.虛擬儀器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20 02.