基于虛擬儀器的教學實驗設計與實現

杜恩祥+常雷

摘要：本文通過介紹基于虛擬儀器的實驗教學環境特點、構建方法及實驗設計實例，為該類教學實驗推廣提供依據。采用虛擬儀器技術構建實驗教學環境不僅解決了傳統教學實驗的費用高問題，而且教學模式更加靈活、高效。

關鍵詞：虛擬儀器；教學實驗；振動測試

傳統的測試技術實驗教學通常需要傳感器、放大器、信號處理設備等多種多套器材和儀器，常常因為經費投入不足或后續維護費用問題，不能滿足實驗條件要求，難以保證正常的實驗教學。

一、基于虛擬儀器的教學實驗環境特點1節省實驗費用，提高設備利用率

通過更換軟件就可實現電壓表、電流表、波形顯示、參數計算等多種功能，避免了大量硬件設備的使用維護，同時在一套設備上可以完成多種功能，大大提供了設備利用率。

2交互性好，技術更新快

通過軟件界面操作實現各種實驗，既可隨時顯示操作步驟、故障提示、也可設置不同模式為學生提供不同測試數據，供學生分析、查找原因。同時可根據技術發展特點、教學要求變化，更新軟件滿足實驗要求，避免了硬件設備陳舊，技術更新周期長，不能及時跟上新技術、新設備、新標準的步伐等問題。

3便于網絡教學，資源共享

該類儀器的核心是一臺計算機，聯網后能實現多種儀器的資源共享，避免硬件設備的重復購買。甚至像頻譜儀、邏輯分析儀、大型測試裝置等昂貴的設備，學生也能夠通過網絡進行學習和使用。

二、構建基于虛擬儀器教學實驗環境的方法以計算機為核心，配上各種功能卡和軟件系統，即構成了基本的虛擬儀器，既可以完成普通儀器的功能，又可以實現信號處理和分析的功能。

1虛擬儀器硬件平臺構建

虛擬儀器典型的主機系統有普通PC機和PXI控制器。以普通PC機為主機的虛擬儀器，需配置PCI接口模式的數字量輸入輸出采集卡、模擬量輸入輸出卡、視頻采集卡、1394等各種功能采集卡，系統特點是價格便宜；以PXI控制器為核心的虛擬儀器，需配置PXI接口相應的功能采集卡，系統特點是性能穩定、可靠，但價格昂貴。

虛擬儀器的主機系統完成信號波形顯示、掃頻、頻率變化、濾波等信號分析、處理、顯示、存儲等功能。配置的功能卡完成信號采集和控制、激勵信號輸出的功能。其中輸入模式：通過傳感器采集的信號經信號調理、信號變換、隔離放大等處理后轉變成相應功能卡能夠接收的信號，通過功能卡輸入主機；輸出模式：主機系統產生的數字信號經過信號變換、調理、放大后轉換成被測設備需要的控制信號或其他激勵信號。

2軟件系統的實現

根據不同實驗要求實現虛擬儀器的軟件系統方式不同，對于常用的測試儀器系統的功能，比如萬用表、頻率計、示波器等，優質的功能卡供應商，在銷售板卡時，就帶相應的軟件系統，對于特殊需要的軟件功能，需要自己開發，通常有幾種開發工具，如LabWindows/CVI、LabVIEW、C/C++等。其中，圖形化編程技術被專家看好，例如National Instruments公司的LabVIEW圖形化開發系統，具有開放的軟件體系，提供一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的儀器模塊。在一套虛擬儀器硬件平臺下，可以配置多種不同軟件系統，完成不同的實驗教學系統環境，改變軟件，就可改變儀器功能，即一套硬件系統可實現多種傳統儀器的功能。

三、基于虛擬儀器的教學實驗設計實例下面以大學理工專業常開的一項振動測試實驗內容為例。

1實驗目的

①了解虛擬儀器的組成概念，掌握基于虛擬儀器的振動測試實驗方法。②熟悉振動信號的波形特點。③熟悉信號處理的流程。④分析不同振動信號的信號處理前后的特點。

2實驗內容

①構建振動實驗環境。②振動信號采集。③振動信號處理與分析。

3實驗總結

通過實驗內容和過程的實現，撰寫實驗報告。

基于虛擬儀器的教學實驗系統不僅降低了實驗成本，提高了使用效率，同時在測試實驗中還增強了數據處理能力和測試精確度。

參考文獻：

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