基于虛擬儀器的數字化實驗模式研究

張臣文，李文聯，胡坤鵬

(1.襄樊學院 教育學院，湖北 襄樊 441053; 2.襄樊學院 物理與電子工程學院，湖北 襄樊 441053)

基于虛擬儀器的數字化實驗模式研究

張臣文1，李文聯2，胡坤鵬2

(1.襄樊學院 教育學院，湖北 襄樊 441053; 2.襄樊學院 物理與電子工程學院，湖北 襄樊 441053)

提出一種基于虛擬儀器的數字化實驗模式，并以案例“數字化RC暫態實驗系統”示之；經實踐證明通過該模式開展的實驗教學，實驗數據采集、分析處理速度快，存諸、顯示精度高，表達效果好；見長于培養學生的實驗設計能力、探索創新能力.

虛擬儀器；數字化；實驗模式

實驗在理科教學中占有十分重要的地位，是教學活動中一個必不可少的環節. 實驗可以增強學生學習的興趣，加深對理論知識的理解，培養實踐動手技能、實驗設計技能，在實踐中發現問題、分析問題和解決問題的能力及創新探索能力和協作精神. 但傳統實驗模式積弊諸多：設備一次性投資巨大，更新周期偏長，維護工作艱巨；傳統實驗儀器功能固定，可操作性、可擴展性差，見長于驗證性實驗，開展設計性和綜合性實驗難度大，無法真正實現分層次實驗教學；實驗教學組織方式和管理模式落后；現代遠程教育中實驗教學環節缺失或理論與實踐脫節現象普遍. 因此，開發實驗儀器，創新實驗手段和方式，不斷改革實驗教學尤其關鍵. 隨著科學技術的發展，現代信息技術手段不斷介入到傳統實驗的改造與革新之中，其中虛擬儀器技術是最值得關注的. 虛擬儀器技術是計算機技術和儀器系統相結合的產物，是當今計算機輔助測試領域的一項重要技術，是國內外在信息技術領域中重點發展的高新技術之一，它推動著實驗方式方法朝著多元化、數字化、網絡化方向發展.

1 虛擬儀器技術

1.1 虛擬儀器概念

虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱 VI)，是利用計算機顯示器替代傳統儀器的功能面板，利用鼠標和鍵盤控制驅動各種功能按鈕，由I/O接口設備完成數據(信號)的采集和調理，利用軟件實現數據(信號)的分析處理、表達與儲存，從而實現各種儀器功能的一種基于計算機的儀器系統[1,2]. 圖1是虛擬儀器的一般實現方案.

圖1 虛擬儀器實現方案

1.2 虛擬儀器的構成

圖2 虛擬儀器系統構成圖

虛擬儀器的基本構成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口設備等，圖2為虛擬儀器系統構成結構圖. 其中，硬件接口模塊包括數據采集卡(DAQ)、IEEE488接口(GPIB)卡、PXI控制器、VXI控制器等接口卡[3]，硬件僅僅是為了解決數據(信號)的輸入輸出、信號調理；當基本硬件確定以后，就可以通過軟件編程實現各種不同的儀器功能，虛擬儀器軟件集成了儀器的信號采集驅動、分析、運算、表達、儲存、輸出等功能，傳統儀器的部分乃至整個功能都被軟件所代替，軟件是整個虛擬儀器系的核心，所以說：“軟件就是儀器”.

根據接口方式不同，虛擬儀器的構成方式有：箱內插卡式DAQ的VI；GPIB總線方式的VI；PXI總線方式的VI[4]；VXI總線方式的VI；USB接口方式的VI[5]等. 無論哪種VI系統，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、PC機或工作站等各種計算機平臺上并加上相應虛擬儀器軟件而構成的.

由于USB的接口方式安裝和配置容易(外接、熱插拔、即插即用)、數據傳輸速度快、傳輸模式靈活多樣、總線供電、性價比優、工作穩定等特點，非常適合學校教學科研采用，因而本課題采用USB2.0接口卡.

1.3 虛擬儀器的特點

一臺性能優良的虛擬儀器不僅可以實現傳統儀器的功能，而且在許多方面有傳統儀器無法比擬的優點，主要體現在下面4個方面：

1) 用戶可以根據自己的需要靈活的設計自己的虛擬儀器，利用通用的計算機硬件平臺，設計不同功能的軟件構成功能各異的儀器系統.

2) 將信號的分析處理、表達與儲存等操作集中交由電腦來處理，由于充分利用電腦強大的數據處理與表達儲存功能，避免了傳統實驗人為操作的失誤，提高了數據的傳輸、變換的質量和實驗數據運算的速度、存儲精度.

3) 虛擬儀器技術與Web技術無縫融合，遠程控制操作實驗得以實現.

4) 虛擬儀器是基于軟件系統的，其交互性好，可操作性強，開發維護費用低廉，可復用，可擴展.

1.4 虛擬儀器的軟件開發工具選擇

研發虛擬儀器的關鍵在于軟件，對虛擬儀器開發軟件，主要有兩種選擇.

1) 采用通用的編程軟件，主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic，Sybase公司的

PowerBuilder，Borland公司的Delphi等通用開發平臺.

2) 用專業圖形化編程軟件進行虛擬儀器研發，目前主要是采用美國NI公司的LabVIEW和

LabWindows/CVI等.

LabVIEW是專業化虛擬儀器開發語言，其運行速度與C的目標程序相當，開發周期短，編程簡單易學，因此相比之下，本課題案例選擇使用圖形化編程軟件LabVIEW作為虛擬儀器研發平臺[6].

2 基于虛擬儀器的數字化實驗模式

2.1 模式結構與工作原理

圖3 基于虛擬儀器的數字化實驗模式總體結構圖

基于虛擬儀器的數字化實驗模式，是以虛擬儀器為媒介，通過計算機完成信號控制、數據采集調理、分析處理、表達儲存等實驗環節的一種數字化實驗模式. 一般，實驗儀器由信號的采集與控制、信號的分析與處理、結果的表達與輸出三部分組成[7]. 傳統儀器，這三部分是集成在一起的，由于這些功能模塊全部以硬件的形式存在(就是有軟件部分，功能也是出廠前設置好了的)，這種框架式的結構，決定了傳統儀器只能由儀器廠家來定義、制造，單臺儀器的功能固定、單一，用戶無法根據實際需要改變或擴展儀器功能. 而虛擬儀器則把信號的分析與處理、結果的表達與輸出用計算機軟件來實現，信號的采集與控制用硬件接口電路來實現，所以說基于虛擬儀器的數字化實驗模式是虛實結合的、基于計算機的數字化實驗模式. 這里的“虛”有兩層含義：1)虛擬的儀器面板：傳統儀器物理的開關、按鈕等器件，都由與物理外觀很相似的圖形控件來替代，學生通過鼠標和鍵盤來操作軟件界面中的控件，完成對儀器的操控；2)由軟件實現實驗儀器功能：虛擬儀器是在以計算機為核心組成的硬件平臺支撐下，通過軟件編程來實現儀器功能的；在虛擬儀器系統中，數據的采集由軟件開關來驅動，數據的分析處理、表達儲存等功能主要是通過軟件算法編程來實現. 這里的“實”也有二層含義：1)數據采集系統是基于硬件的、是實的，采集的數據是實的；2)實驗原理、實驗過程、實驗結果不是虛擬仿真的，是實的. 所以虛擬儀器表面上看是虛的，本質是實的.

2.2 模式特點

傳統實驗諸多弊端，使得傳統實驗模式對于實驗設計能力、探索創新能力培養是缺失的亦或是不足的.而對這些高級心智能力的培養，由于虛擬儀器的開放性、網絡化、實驗數據處理計算機化、虛實結合等特性，基于虛擬儀器的數字化實驗提供了更多的條件、更多的可能、更多的機會.

相對于傳統實驗模式，基于虛擬儀器的數字化實驗中的虛擬儀器是開放的. 學生只要掌握一門G語言如 LabVIEW，就可以自己動手設計虛擬儀器，就是不是自己設計的，學生也很容易對別人的虛擬儀器進行改造，虛擬儀器開放、可擴展特性使得基于虛擬儀器的數字化實驗模式適合開展設計性和綜合性實驗. 筆者所在的大學物電學院的學生在近二年用LabVIEW設計、開發數字化物理實驗46項之多，并且很多實驗項目是以小組的形式完成的，很好的培養了學生的實驗設計能力、探索創新能力和團體協作精神.

相對于傳統實驗模式，基于虛擬儀器的數字化實驗直接利用計算機對實驗數據進行分析處理、表達和存儲等操作，避免了傳統實驗人為的失誤，提高了數據的傳輸、變換的質量和實驗數據運算的速度及存儲、顯示精度，節省了傳統實驗在數據處理環節上浪費消耗的時間. 如此，學生可以把主要精力放在與實驗任務密切相關的設計、探索、創新性問題上來.

相對于傳統實驗模式，基于虛擬儀器的數字化實驗中的虛擬儀器可以網絡化. 信號的采集與控制部分放在異地計算機上，信號的分析與處理和結果的表達與輸出這二部分通過G語言編程，集成在本地計算機上，異地計算機與本地計算機通過網絡聯接在一起，實現網絡是實驗儀器的功能. 這種方式是目前實驗儀器共享、遠程控制實驗的最佳方案：學生通過本地計算機端口遠程實時操控異地實驗室真實設備進行實驗，實驗過程中，可以通過實時傳回來的遠端現場影像了解實驗現場情況，而實驗數據也會不斷的回傳到本地計算機上進行分析、處理、表達、儲存. 學生可以通過這種模式進行校內、校際之間的協作實驗，互通有無，共同探索，共同進步.

3 案例：數字化RC暫態實驗系統

數字化RC暫態實驗系統由LabVIEW開發的程序加多路選擇開關CD4052配合USB2.0多功能數據采集卡實現，將需要手動充放電的硬件開關移植到LabVIEW開發的前面板上，在計算機上通過軟開關控制RC電路的充放實驗過程. 具體工作過程是：數據采集模塊負責采集實驗電路中電容兩端的電壓大小，多功能USB2.0數據采集卡實現計算機和RC充放電回路之間的信號控制和數據傳輸，LabVIEW開發的程序在計算機上運行，處理采集的數據和顯示所測物理量并實時顯示RC充放電曲線.

3.1 系統的設計

數字化RC暫態遠程實驗系統包括：數據采集模塊，控制和傳輸模塊，數據處理及顯示模塊三個部分.

3.1.1 數據采集模塊

實驗電路效果圖如圖4, 數據采集硬件結構如圖5，其中標號相同的表示物理上連接在一起，A接到USB2.0多功能采集卡的數字輸出端口上.

圖4 RC實驗電路效果圖

圖5 數字化RC實驗系統的硬件連接圖

3.1.2 控制和傳輸模塊

多功能USB2.0數據采集卡負責LabVIEW和RC回路之間的數據轉換和傳輸及充放電電路控制，數據轉換和傳輸用J1處的CH2(通道2) 進行A/D轉換；充放電電路控制用J6處的數字輸出端口DO1接CD4052的A端，控制RC回路接通或斷開. 板卡如圖6.

圖6 USB2.0多功能數據采集卡

3.1.3 數據處理及表達模塊

數據處理模塊采用LabVIEW軟件后面板(對應于真實儀器的儀器內部線路)編程實現，具體程序框圖如圖7所示：

圖7 RC實驗系統程序框圖

數據表達模塊采用LabVIEW軟件前面板(對應與真實儀器的顯示面板)實現，數據顯示面板如圖8所示.

圖8 RC暫態實驗系統前軟面板

4 結語

數字化RC暫態實驗系統性能穩定，實時性好，開發成本低，實驗參與性強，能滿足此實驗所有條件要求.

虛擬儀器技術是國內外在信息技術領域中重點發展的高新技術之一，隨著教學儀器的發展和高校新時期實驗教學所面臨的新要求，將虛擬儀器引入實驗教學將成為學校教學科研的重要方法和手段. 基于虛擬儀器的數字化實驗模式適合開展設計型實驗和綜合型實驗，與傳統實驗模式(適合開展驗證型實驗) 相結合，真正實現分層次實驗教學，全面培養學生能力.

[1] 劉君華, 賈惠芹. 虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M]. 西安:西安電子科技大學出版社, 2001: 2-4.

[2] 王美剛. 基于聲卡的虛擬示波器[D]. 太原: 太原理工大學, 2006.

[3] 禹柳飛. 虛擬儀器在館藏室溫濕度監控中的應用[J]. 微計算機信息, 2008, 24(51): 158.

[4] 陳 園. 基于PXI總線的虛擬儀器系統軟件設計與實現[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2007.

[5] 何干輝. 基于USB總線的虛擬示波器的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2007: 10.

[6] 張陳榮. 基于LabVIEW的虛擬實驗儀器的研究與開發[D]. 合肥: 合肥工業大學, 2007: 11-17.

[7] 姜忠愛, 張曉輝, 秦軍偉. 虛擬儀器的組建方法及應用[J]. 山東農業大學學報: 自然科學版, 2007, 38(3): 465-468.

(責任編輯：饒 超)

Research on Digitized Experiment Pattern Based on Virtual Instrument

ZHANG Chen-wen1, LI Wen-lian2, HU Kun-peng2
(1.College of Education, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China；2.Physics and Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China）

It put forward one experiment pattern based on virtual instrument and demonstrate it with “digitized RC transient experiment system”. The findings show that the experimental data’s gathering and analysis processing are quick, the precision of storing and showing is high, and it can develop student's high-level mental ability such as experimental design ability and innovation ability.

Virtual instrument; Digitalization; Experiment pattern

G424.31

A

1009-2854(2010)02-0074-05

2009-09-27

湖北省高等學校省級教學研究項目(2009298)

張臣文(1975— ), 男, 湖北十堰人, 襄樊學院教育學院講師.