虚拟仪器技术课程教学研究

虚拟仪器技术课程教学研究

余金华^[1]

（浙江工商大学信息与电子工程学院）

摘　要：实验教学在高等学校教学工作中起着相当重要的作用。本文介绍了虚拟仪器技术的特点，分析虚拟仪器技术在高校实验建设与教学中的应用优势，提出合理的基于虚拟仪器技术的实验教学方法与评价方案，以促进学生动手能力与创新能力的培养。

关键词：虚拟仪器；实验教学；创新能力

一、引　言

实验教学是实践性较强的专业的教学活动中一个必不可少的过程，对于提高学生综合素质、培养学生创新能力以及工程实践能力等方面具有其他教学形式无可替代的特殊作用［1］。近些年，各高校意识到实验教学的重要性，开始注重实验教学。随着科学技术的不断发展、相应学科高等教育课程教学内容的更新、招生规模不断扩大以至学生人数剧增，传统仪器在实验教学中日益暴露出一些缺陷和不足。传统的仪器是由厂家来定义的，出厂后其功能是固定的。这就导致传统仪器在实际教学过程中存在矛盾，根据课程的设置要求，一方面传统仪器中有些功能根本用不上；另一方面需要的功能却又不完全具备，因此需购置其他仪器补充，造成设备功能的重复与实验经费的浪费［2］。在实验教学中引入虚拟仪器技术则可有效解决上述问题。

“软件即是仪器”，在虚拟仪器系统中，软件发挥着核心作用。在虚拟仪器系统中，硬件仅是为了解决信号的输入输出，而核心功能以软件来完成，用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，通过软件修改的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，而不必重新购买新的仪器。虚拟仪器具有组建灵活、成本低、技术更新快、开发与维护费用低等优点。

二、虚拟仪器技术

虚拟仪器技术，是将现有的计算机技术与革新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功能强大且灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统来替代传统仪器（价格昂贵，功能单一）的功能。这种方式不但享用到普通PC机不断发展的性能，还可体会到完全自定义的测量和自动化系统功能的灵活性，最终构建起满足特定需求的系统。虚拟仪器的一个重要特点是仪器的软件化，即用强大的软件去代替传统仪器的某些硬件功能。

目前，流行的虚拟仪器软件开发工具可以分为两大类［3－4］。

一类是文本式编程语言有C、C＋＋、VB、Lab windows／CVI等，另一类是图形化编程语言有Lab VIEW、Agilent VEE等。其中Lab VIEW最流行，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化编程软件。

Lab VIEW提供一系列外观与传统仪器相似的控件，可用来方便地创建用户界面，形成仪器的“软”控制面板。使用图标和连线，可以通过编程对“软”控制面板进行控制，并可对数据进行采集、分析、显示与存储等。

将强大的Lab VIEW软件功能与数据采集卡及传感部分相结合，即可组成各种测试系统。

三、基于虚拟仪器技术的实验教学

虚拟仪器技术实验课程以Lab VIEW8．5作为软件开发平台，以NI ELVIS套件作为软硬件实验平台。NI ELVIS套件主要包括一块多功能数据采集卡、实验操控工作台、虚拟仪器软件包。该实验套件可插入一块原型实验面板，在面板上搭建各种测试电路，通过虚拟仪器软件包，完成各种信号的测量测试和分析，或者用户可以自行利用Lab VIEW编写程序，通过数据采集卡可以实现信号的采集、分析处理、显示及系统的控制等。

下面以RC暂态电路充放电特征参数测量实验为例对虚拟仪器技术实验课程加以说明。

本实验的目的是让学生利用NI ELVIS套件建立RC暂态电路，并开发出其充放电参数：电路时间常数τ的测量系统，从而对测试系统有较完整的理解和认识，包括RC暂态电路、数据采集、数据显示和分析等。

（一）RC暂态电路

电容器是一种贮能元件，在带有电容器的电路中发生通断换接时，由于电容器贮能状态不能突变，所以在电路中就产生了过渡过程。在包含电容器的直流电路中，接通电源，在极板上积累电荷的过程称为充电；已充电的电容器通过电阻构成闭合回路，使电荷中和消失的过程称为放电。根据电路理论，在单一贮能元件组成的一阶电路中，过渡过程中的暂态电流与电压是按指数规律变化的。RC暂态电路接线原理图如图1所示，当＋VPS（可变电源）由低电压变为高电压，电容器被充电，两端的电压（ACHO＋与ACHO－之间的电压差）将呈指数（Vc＝V 0［1－EXP（－t／τ）］）上升；当＋VPS（可变电源）由高电压变为低电压，电容器被放电，两端的电压（ACHO＋与ACHO－之间的电压差）将呈指数（VD＝V0 EXP（－t／τ））下降。RC暂态电路充放电响应曲线如图2所示，电路时间常数τ的为电压从起点0至上升到满幅值的63．2%所经历的时间。

图1　RC暂态电路接线原理图

图2　RC暂态电路充放电响应曲线

（二）数据采集

数据采集过程是获取电容器两端的电压信号。NI ELVIS实验套件包含一多功能数据采集卡，将电容器两端分别接到实验平台的ACHO＋和ACHO－，通过编写程序设定采集数据并启动采集过程，则可实时地获取电容器两端的电压。数据采集模块程序如图3所示。

图3　数据采集模块程序图

（三）数据显示与分析

采集上来的数据需显示（图5），并计算电路的时间常数。计算电路的时间常数程序如图4所示，利用一元函数求极小值模块，其输入为一维函数的公式、起始点、终点，输出端为极值和对应的横坐标。

图4　一元函数极值模块

图5　直流电机转速测量显示图

RC暂态电路参数测量前面板如图6所示。左侧为数据采集卡相关参数设置，如通道选择、输入类型、采样点数、采样速率等，中间为充放电响应曲线，右侧为实时检测的时间常数和此刻的电压幅值。

图6　RC暂态电路参数测量前面板图

四、结　论

实验教学是教学活动中的重要环节。在实验中，学生能更好地理解、巩固和深化理论知识，特别是对于一些比较抽象的知识，实验教学的效果则更加明显。实验教学能够培养学生的动手能力，进而提高学生的创造力和想象力。虚拟仪器技术的引入，解决了高校实验室因传统实验设备价格高、功能单一等原因致使实验室建设成本高、实验设备更新慢、实验设备不够用等问题。以“软”代“硬”的虚拟仪器技术充分利用高效的软件资源、模块化的I／O硬件和计算机硬件资源，大大节省实验室建设成本。实验教学中引入虚拟仪器技术对于学生而言，学生可以自行搭建测试电路，编写程序对采集数据进行分析处理，并根据需要设计测试仪表功能、实现方法等。在做实验过程中，学生巩固了之前学过的模电、数电、数据采集、信号分析与处理等知识，并自主地学习，主动地探究，大大提高了学生的动手能力、创新能力。

参考文献

［1］关雪梅．浅谈高校实验教学的重要性［J］．实验室科学，2005（4）：17－19．

［2］安伟，尤丽华．虚拟仪器在测试技术实验教学中的应用［J］．江南大学学报：教育科学版，2007（2）：40－42．

［3］郭杰．虚拟测控实验室的设计与实现［J］．科技信息：学术版，2008（1）：232－234．

［4］陈锡辉，张银鸿．Lab VIEW8．20程序设计从入门到精通［M］．北京：清华大学出版社，2008：2－4．

【注释】

[1]余金华，副教授，博士，主要研究方向为智能信息处理、检测技术等。