基于LabVIEW技術(shù)的電類虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用研究

【摘要】虛擬實(shí)驗(yàn)室對于高職院校解決實(shí)驗(yàn)室及測試設(shè)備數(shù)量不足有著重要的作用。本文通過對虛擬實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)及應(yīng)用需求的分析，提出了一種基于LabVIEW技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室研究方法，經(jīng)過前期實(shí)施，該系統(tǒng)具有一定的推廣價值。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW；虛擬儀器；高職教育；實(shí)驗(yàn)室

【基金項目】項目信息：[1]全國教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2014年度立項課題，編號：146242153，[2]2016年度寧波市教育科學(xué)規(guī)劃研究課題，編號：2016YGH098。

【中圖分類號】TM1-4；TN0-4；TP274；G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）19-0052-02

在電類課程中，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)是必不可少的內(nèi)容，尤其是近幾年來，隨著高職教學(xué)導(dǎo)向的轉(zhuǎn)變，實(shí)踐操作更是成為課程教學(xué)的重點(diǎn)。在實(shí)踐操作中，儀器儀表的正確使用是保障實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)，但那些品種多樣、功能復(fù)雜的儀器/儀表卻也成了學(xué)生學(xué)習(xí)的門檻，如果不能比較好的掌握這些測試設(shè)備，是無法完成各項實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的[1]。另外，隨著高職院校招生人數(shù)的不斷擴(kuò)大，學(xué)校既有實(shí)驗(yàn)室也無法滿足多個班級的授課需求，以浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，目前有電類專業(yè)4個，班級數(shù)達(dá)到20個左右，而學(xué)校電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室只有2個，電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室只有1個。當(dāng)這些班級都需要上同類課程時，學(xué)校目前的實(shí)驗(yàn)室根本無法滿足需要。

虛擬儀器是一種功能意義上的測量和控制儀器，是具有儀器功能的軟件、硬件的組合[2]。它充分利用計算機(jī)技術(shù)，在基本硬件的支持下，通過調(diào)用相應(yīng)的高級軟件模塊來完成數(shù)據(jù)的采集、控制、分析、處理以及結(jié)果儲存和顯示，從而實(shí)現(xiàn)各種傳統(tǒng)儀器的功能[3]。在通用計算機(jī)平臺上，根據(jù)測試任務(wù)的需要來定義和設(shè)計儀器的測試功能，充分利用計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器功能，既可以減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備資金的投入，又能為學(xué)生做創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、掌握現(xiàn)代儀器技術(shù)提供了條件[4]。

一、建立虛擬實(shí)驗(yàn)室對高職院校電類課程教學(xué)的作用

利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室對于高職院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提升有著不可替代的作用，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

1.虛擬實(shí)驗(yàn)室可有效解決高職院校實(shí)驗(yàn)室數(shù)量不足的問題。高職院校辦學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大，招生數(shù)量逐年上升，而教學(xué)資源不能有效跟上辦學(xué)規(guī)模的擴(kuò)展，通過對寧波及周邊地區(qū)部分高職院校的實(shí)地考察，在電類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面，不少高校只能確保重點(diǎn)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，其他需要使用該類實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)只能減少實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時，從而不能確保課程教學(xué)質(zhì)量。

2.每個電類實(shí)驗(yàn)室根據(jù)教學(xué)任務(wù)及人數(shù)配備需要一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，如果教學(xué)任務(wù)較重和人數(shù)較多時，設(shè)備數(shù)量就會成為制約實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵問題了。同時，實(shí)驗(yàn)室實(shí)物設(shè)備必然存在設(shè)備老化和損壞的問題，一個新建的實(shí)驗(yàn)室過了若干年后一定會出現(xiàn)設(shè)備需要大量維修或更新?lián)Q代的情況，這就需要學(xué)校每年投入金額不菲的實(shí)驗(yàn)維修經(jīng)費(fèi)，對于高職院校本就緊張的辦學(xué)資金來講，是一個不小的壓力。利用虛擬儀器技術(shù)把實(shí)驗(yàn)設(shè)備從“硬”變“軟”，從“一次性投入”變?yōu)椤翱沙掷m(xù)利用”勢必能幫助高校解決資金緊張的問題。

3.利用虛擬儀器技術(shù)可構(gòu)建創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個融合了多種技術(shù)和思想的研究領(lǐng)域，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室概念與教學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，是對常規(guī)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開拓和發(fā)展。利用LabView平臺構(gòu)建電類課程的實(shí)踐教學(xué)案例和教學(xué)素材比傳統(tǒng)的基于硬件模式實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)，其效果更能令人向往。

二、基于LabVIEW技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建方法及內(nèi)容

以浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)類實(shí)驗(yàn)室為研究硬件載體，通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)各類儀器的資源整合，有利于教師教學(xué)質(zhì)量提升和學(xué)生課程學(xué)習(xí)的主動性加強(qiáng)。

根據(jù)NI對虛擬儀器的定義，虛擬儀器=計算機(jī)硬件資源+應(yīng)用軟件資源+數(shù)據(jù)采集卡。儀器硬件指出現(xiàn)在計算機(jī)前端，是數(shù)據(jù)與計算機(jī)之間的接口硬件，負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理或調(diào)理、傳輸?shù)?，由A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時器、信號調(diào)理等構(gòu)成[5]。在這種理念與架構(gòu)下，使用者通過編程的方式，將計算機(jī)硬件資源和儀器接口硬件有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計類似于儀表、儀器控制面板的圖形界面來操作計算機(jī)資源與儀器硬件資源，前端采集卡對測試信號進(jìn)行采集、調(diào)理，計算機(jī)主要用于分析、顯示和數(shù)據(jù)處理等[6]。圖1為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

根據(jù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的任務(wù)與要求，利用LabView平臺完成虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計，具體內(nèi)容包括：

（1）信號調(diào)理電路的設(shè)計與調(diào)試，對信號調(diào)理電路的功能和主要信號調(diào)理芯片進(jìn)行研究；

（2）數(shù)據(jù)采集電路的選擇和調(diào)試，根據(jù)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求設(shè)計電路基本參數(shù)，選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡并調(diào)試；

（3）典型虛擬儀器（虛擬示波器、虛擬信號發(fā)生器、虛擬頻率計）的設(shè)計；

（4）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計與開發(fā)；

（5）基于LabView的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例與素材開發(fā)。

圖2為典型虛擬實(shí)驗(yàn)室基本結(jié)構(gòu)。在本結(jié)構(gòu)中重點(diǎn)是虛擬系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計，在硬件結(jié)構(gòu)中通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，而在軟件設(shè)計中需要設(shè)計出各類可用于實(shí)驗(yàn)測試的儀器儀表，如：示波器、信號發(fā)生器等。

三、結(jié)論

對虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的研究難點(diǎn)在于硬件電路與軟件平臺之間的銜接與協(xié)調(diào)問題，即系統(tǒng)整合。通過專用的信號采（下轉(zhuǎn)204頁）

（上接52頁）集卡和配套的數(shù)據(jù)通訊方式實(shí)現(xiàn)信號調(diào)理和采集工作，完成硬件與軟件之間的數(shù)據(jù)通信、處理及顯示。在這里，如何確保測試數(shù)據(jù)的完整性和正確性是比較難處理的，對此，需要對硬件電路進(jìn)行精密設(shè)置，同時做到軟件設(shè)計無誤。

參考文獻(xiàn)

[1]孫連榮，姜元章，任玲.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在高校教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等教育，2003，（5）：41-43.

[2]江偉，袁芳.虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計與應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2005，（3）：23-26.

[3]徐燕，孫曉娜.虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用研究[J].河南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，（11）：103-107.

[4]胡廣書.數(shù)字信號處理--理論算法與實(shí)現(xiàn)[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[5]張黎，蔡亮.LabVIEW下虛擬頻譜分析儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2011，30（1）：24-29.

[6]黃萍，基于虛擬儀器測控系統(tǒng)的設(shè)計和研究，南京：南京理工大學(xué)，2002.1：67-68。

鐘曉強(qiáng)，男，講師，碩士，電子信息與自動控制技術(shù)及高等職業(yè)技術(shù)教育，浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院。endprint