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虚拟仪器设计及其在教学中的应用
 
慧聪网   2005年12月16日11时3分   信息来源:虚拟无忌    

   摘 要:主要介绍虚拟仪器设计及其在教学中应用的广阔前景。所谓虚拟仪器,就是在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定义,具有虚拟面板,测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。由此可以看到虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和测试软件资源三者的有效结合。“虚拟”二字是指虚拟仪器给出的界面是虚拟的。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念的核心内容。通过    介绍虚拟仪器教学的构成要素,结合教学实验举例,来说明虚拟仪器教学的必要性和可行性。
  关键词:虚拟仪器;教学平台;测试系统;硬件资源


  虚拟仪器(Virtual Instrument,VI)是突破传统仪器概念的最新一代测量仪器,是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物,他的出现是仪器领域一次重大革命。
  当代大学教育强调的是素质教育,而现阶段大学生中重“理论”轻“实践”,重“书本”轻“动手”,重视单一专业学习而缺乏软硬件结合学习等问题依然存在。解决这些问题需要各个方面的努力,但其中重要的一点是由于很多学校开设的课程题材陈旧,无法满足广大学生对新技术的理解和掌握。而虚拟仪器由于具备领先性、开放性和灵活性等特点,学生通过对他的学习可以同时掌握硬件和软件的大量知识,并培养他们的动手能力。开设一门虚拟仪器的教学课程对大学的学科建设和学生素质的培养都是大有裨益的。

1虚拟仪器教学的构成要素
1.1虚拟仪器教学平台
  这个平台是虚拟仪器和实验室的总称。
  虚拟仪器由仪器硬件和应用软件两大部分构成。
  仪器硬件包括计算机(PC或者工作站)和I/O接口设备(用来对被测输入信号进行采集、放 大、A/D转换),其组成如图1所示。

  PC-DAQ: 利用PC总线技术的数据采集卡。
  GPIB(General Purpose Interface Bus):综合接口总线技术。
  VXI(VMEbus Extension for Instrumentation):VME总线技术在仪器领域的扩展。
  由图1可以看出计算机是硬件平台的核心,建议使用主流配置的计算机,保证其性能的稳定 性。 I/O接口设备建议使用利用PC总线的数据采集板卡(DAQ)。由数据采集板、信号调理电路及计算机构成的PCDAQ系统是构成VI的最基本方式,由于其成本低廉,也是开展虚拟仪器教学的首选。
  开发虚拟仪器需要有合适的软件工具,目前的虚拟仪器开发工具有两类,文本式编程语言(如Visual C++,LabWindows/CVI等)和图形化编程语言(如LabVIEW,HPVEE等),考虑到大学普遍开设了C语言的基础课,开发工具可使用LabWindows/CVI,一方面学生在C语言的基础上更容易掌握虚拟仪器的软件理念,另一方面,学生随着实践应用,C语言水平也会获得提升。
1.2教师队伍及教材
  教师队伍的成立应选择那些从事过测试系统研究、熟悉虚拟仪器工作流程、对新技术新知识有探索精神的教师,人数一般为3~5人,一方面可以在课程安排上使人员调配更加充分;另 一方面这3~5人可成立虚拟仪器研究小组,利用优良的工作环境进行不断深入的研究,开发出更多更高级的实验来充实和丰富大学的教研工作。
  一门好的课程,必须有一种好的教材,既有利于教师进行备课和实验的开展,又有利于学生更好地接受这门新课程,取得预期的教学效果。推荐使用电子工业出版社出版,刘君华主编的《基于LabWindows/CVI的虚拟仪器设计》一书,该书详尽地介绍了利用LabWindows/CVI语言进行多种信号的分析与处理并提供了各层次的虚拟仪器设计的示例,是市面上同类书籍的代表之作。
1.3培训对象
  由于该教学课程主要介绍如何使用LabWindows/CVI来实现虚拟仪器的测量功能,学习者不但要学习LabWindows/CVI语言的使用方法与技巧,还要具备一定测量技术的基本知识。这就意味着培训对象应该选择测试和计算机相关专业的高年级学生或具有一定基础的外专业或低年级的学生。大学可以先将虚拟仪器开设成为相关专业的专业基础课,随着课程开展逐渐成熟,可考虑将其设为全校的任选课,使虚拟仪器理论在大学更加普及。

2虚拟仪器教学实验举例
  虚拟仪器课程教学方式与传统课程是有所区别的,他非常注重编程语言与测量技术的综合运用,理论与实践相结合的学习方法需要教师引导学生对不同层次的应用实例进行学习和实践。在掌握了一定的编程基础之后,以一个实验为一个单元进行学习,利用每个实验解决不同的问题,是他们提高编程和测试水平的一个很好的途径。现以“正弦波信号发生器设计”实验为例说明如何学习这门课程。
2.1实验目的
  加深LabWindows/CVI语言对象编程的概念,熟悉面板绘制与控件属性的设置,理解事件过程的概念,如图2所示,熟悉数据采集卡的D/A转换功能的使用。
2.2仪器设计
  (1) 面板设计

  正弦波信号发生器界面如图3所示。点击“开始”按钮,该发生器会按照用户设置的“频率 ”控件上的输入来正弦波,正弦波显示在屏幕中的图形显示控件中,并通过数据采集卡的模 拟输出端输出,可用示波器来进行观察。学习者要将“开始”按钮对应的回调函数为“Star t”,“关闭”按钮对应的回调函数为“Close”。
  在这一环节学习中,主要要求继续深入掌握LabWindows/CVI控件的添加和属性的修改。
  (2) 生成代码和添加代码
  完成面板设置工作后,利用LabWindows/CVI的代码生成功能生成源代码框架,并添加源代码,在这一环节学习中,主要要求对LabWindows/CVI的代码生成功能熟练掌握,并能够在回调函数里利用Library库插入函数,设置函数的各个参数,这是整个实例学习中最重要的一个环节。
  (3) 调试和运行
  一个程序能够完整顺利的运行,需要经过多次调试,调试的过程也是编程水平迅速提高的过程,在这一环节里,教师应充分让学生进行调试,在必要的时候给予指导,而不应该在学生遇到困难的时候代而劳之,只有这样,课程才能取得良好的效果。界面运行如图4所示,在数据采集卡的输出端利用示波器也可看到相同的正弦波。

3虚拟仪器教学的必要性和可行性
  江泽民同志在纪念北京大学建校一百周年大会上深刻指出:“科学技术突飞猛进,知识经济已见端倪,国力竞争日趋激烈”。站在世界经济发展的大趋势上看,面对现代经济的高速 发展,我国教育的发展已经滞后,必须进一步适应经济发展,强化超前意识,这是开设“虚 拟仪器”课程的大前提。
  在知识经济时代,社会行业的变动规模与速度都超过了以往任何时代,这既为人才择业与就 业 提供了更多的机会,也向人才提出了更高的素质要求。从专业角度讲,重要的是“专业适应 ” 而不再是“专业对口”。事实证明,高素质的人才是具有较强专业适应能力的人。因此,大 学应合理调整专业与课程设置、培养学生获得再学习、再提高的能力,而开设虚拟仪器这样 的课程正是顺应了社会变革的需求,也满足了对学生进行素质教育的要求。由此可见,象开 设虚拟仪器这样的课程是很有必要的。

  目前,我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口,这些 仪表加工工艺复杂,对制造水平要求高,生产突破有困难,因此售价比较昂贵。对大学来讲 不可能大量购买以满足教学和试验的需要,也势必影响学生对当代先进技术的学习和了解。 而通过虚拟仪器技术就可以只购买必要的通用的仪器硬件来设计高性价比的仪器系统, 从而节省了大笔科研经费,从经济角度来讲完全具有可行性。
  由于虚拟仪器是按照测量原理采用适当的信号分析技术和处理技术编制某种测量功能的软件 来实现测试的仪器,通过设计虚拟仪器的课程,可使学生在掌握了一定的软硬件知识基础上 获得实际应用的机会。与传统的实验课程相比,虚拟仪器教学更好地融合了理论与实践相结 合,使学生的软件与硬件技能同步提高;虚拟仪器软硬件上模块化的设计使学生在学习的方 式上更加灵活,也较容易掌握。由此可见在课程的开设和学生的实际情况来讲虚拟仪器教学 都是可行的。
  虚拟仪器设计已经成为测试和仪器技术发展的一个重要方向,在以培养高素质高科技人才的 大学开设虚拟仪器设计教学是势在必行的,只有这样才能满足社会对大学教育的要求。

参考文献

[1]白鹏,贾惠芹,阎晓艳.虚拟仪器编程语言 Lab Windows/CVI教程 [M].北京:电子工业出版社,2001.
[2]刘君华.虚拟仪器图形化编程语言[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2001.
[3]张易知.虚拟仪器的设计与实现[M].西安:西安电子科技大学出版社,20 02.

 
 
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