虚拟仪器技术论文范文
前言：我们精心挑选了数篇优质虚拟仪器技术论文文章，供您阅读参考。期待这些文章能为您带来启发，助您在写作的道路上更上一层楼。
第1篇
1．1传感器
本设计采用的传感器型号是Vaisala公司生产的气象变送器WXT520，是一个轻巧的小型变送器，采用紧凑式包装，可提供6种气象参数。WXT520用于测量风速、风向、降水、气压、温度和相对湿度。传感器外壳的等级为IP65/IP66，适合于我国北方的恶劣天气。WXT520采用32VDC，并使用可选择的通信协议输出串行数据:SDI－12、ASCII自动和轮询。有4个串行接口可供选择:RS－232、RS－485、RS－422和SDI－12;并配备了一个安装用8针M12接头和一个维护用4针M8接头。
1．2主控系统
主控系统包括数据采集器与控制器，具体包括控制器、采集器、通讯模块、供电电源和存储模块等部分。主控器通过嵌入式软件与供电、采集、通讯、存储等单元协调工作来完成。自动气象站的核心是数据采集器，负责数据收集、传输、统计分析和数据存储［4］。采集器电路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板，具有良好的扩展性，操作性、支持第三方控制器，包括时钟管理、实时及周期间隔定时器、复位、关机、高级中断及调试单元(DBGU)。通讯单元为西门子6GK7型工业以太网通讯单元，可以做到网络统一，可与支持EtherNet/IP的设备连接，结合使用Ethernet功能使其具有传感器监控器及控制值备份等现场实际应用功能，要想完成任务下达命令和数据上传功能需要通过网络来实现。通讯模块起到关键作用，所以要求其具备以下功能:①支持国际标准通讯协议，如TCP/IP(6．0)、UDP或者PPP，具有标准RS232串口;②可以自动监测联网状态，短线1min内自动拨号重新连接，防止数据的丢失;③接口速率为可选的1200～9600kB/s范围。存储单元:因采集数据的频率较短和跟踪监测的时间范围较长，因此采用存储容量为闪迪256G固态硬盘，用于保证存储容量及数据的安全性、稳定性和读取速度，同时存储单元可以记录系统工作状态。防雷单元:由于监测系统需要全天候连续工作，所以需要面对复杂天气状况，因此加装防雷设备对于整个系统的安全性尤为关键，本系统采用的是雷太LY1－B系列电涌保护器(一级防雷器)。供电单元:由于本系统需要在田间进行监测，不宜采用城市供电，因此选用了太阳能电池进行供电，对电池的容量要求为在无光线的环境中可以连续供电10天。扩展单元:新型传感器需要有相应的端口或接口与主控系统相连接，以满足系统升级或新添设备需要。
2系统设计
农田气象信息远程监测系统的主控器选用的是Atmel公司的ARM9系列的AT91SAM9260处理器。该处理器可以采用Linux操作系统，通过嵌入式应用控制程序，实现农田环境多要素气象数据的采集、处理及存储的功能。被采集到的气象要素基于TCP/IP协议的通讯网络，采用无线GPRS方式，根据实际情况选择最佳的组网方案，实现无线气象数据传输，并基于LabVIEW开发农业气象信息管理软件，使气象信息能够被读取。
2．1采集控制设计
采集系统可以实现采集并对采集到的气象要素信号进行处理。采集系统内部设有存储器，可以进行信息清除并对采集到的各气象要素的数据进行存储，有接口USB实现信息数据的备份功能。系统设有通讯接口RS232/RS485，可以通过该接口与GPRS/CDMA等通讯设备连接。该系统有时钟校准功能，通过监控中心下达指令，对气象站的时间进行校准。数据处理的方法需要设计采集数据的时间间隔。气象数据的监测主要为定时扫描各传感器的数据，通过通讯模块将数据的电信号传到主控系统中经既定程序(LabVIEW)计算;通过屏幕可以直接读取实时数据，针对特定时间段的数据可以进行有目的的分析，如平均值，不同时间点的变化趋势数据以及不同周、月份、年份的数据统计分析等［5］。收集数据默认为温度、相对湿度、降雨量、风向、风速及气压;当增加传感器时，在主控系统中重新设置就可以进行增加项目数据的收集。各气象数据中气温、相对湿度、雨量、气压的数据传感器每10s测定一次，根据气象学上常规的统计方法，通过程序收集到1min内每10s的瞬时气象数据。气温、相对湿度、雨量、气压在1min内会收集到6个数据，舍弃一个最高值和一个最低值，使用其余的4个测定数据来计算算术平均值，此值为监测系统最终在屏幕中实时显示的瞬时数值。风向、风速的监测频率为1次/min，系统计算每5min内5次测定值的算数平均值，此数据在LabVIEW程序界面中实时显示。所有测定的数据在数据库中均有保存，如统计部门需要对数据进行特殊分析，均可在数据库中将数据导出。在数据库中如有异常数据，一般以超过临近时间点两倍的数据值进行特殊标记，以便提醒管理员对相应数据进行核实和异常情况的分析。
2．2通讯设计
前端采集部分与后端监控中心系统通信采用无线GPRS通信方式，由于农田气象站放置在室外，因此不适宜采用光纤传输，而采用GPRS无线能够解决此问题［6］。GPRS采用的组网方式是公网固定IP的方式。GPRS拥有传递及时、通信信号好等优势，在并组网时减少对原有网络资源的浪费，节约了成本，并可以在室外复杂环境中实时进行监测，而且具有一定的安全性。室外自动气象站与气象信息管理系统需要建立点对点的网络连接，在连接过程中需要以无线方式登陆到以太网络来获得网络地址。要实现网络服务器地址和端口映射在气象管理系统中，需要气象信息管理系统软件采用其网络子网地址，这样在管理系统显示软件中就可以实现气象数据的双向通讯，进行有效的信息传递和收集［7－8］。图2为基于GPRS无线通讯的气象信息系统示意图。
2．3软件设计
气象信息管理系统可以通过网络来查看气象信息。本研究天气显示采用的软件是LabVIEW，此软件是美国国家仪器公司推出的一门图像化编程语言，同时也是著名的虚拟仪器开发平台［9－10］。作为一门图形化编程语言，LabVIEW秉承了其简单易用的一贯作风，使用户能够快速编写出强大的应用程序。本研究的LabVIEW编写程序图，如图3所示。为了方便叙述，本文把风向、风速、温度、湿度、雨量和气压多种气象数据统称为气象信息值。气象系统天气前面板显示图，如图4所示。通过该系统对哈尔滨市香坊区东北农业大学校内气象信息值进行监测，与气象台预报数据作为参考进行对比，气象信息值监测结果如表1所示。表1中实测的时间跨度是实验当天早6:00至晚18:00。从数据中可以看出，实测日期当天监测到的温度、湿度、雨量、风速和气压与参考值相比，具有良好的线性关系，系统可以准确计算出当天所监测气象信息的平均值。此收集到的气象数据只是一天中的部分数据，所以经过系统分析计算出来的数据只能代表所监测时间范围内的气象信息，与气象台的参考值有偏差。
3结论
第2篇
《虚拟仪器技术》课程是为大三、大四阶段的通信工程专业的学生开设，该目标人群的特点是有一定的专业基础知识和文本编程基础。针对该类型的学生课程开设的目的有二：首先，学生能够掌握虚拟仪器软件开发环境，能够进行软件编程；其次，根据学生专业课程的特点，学生可以实现本专业课程的仿真实验。例如，根据《信号与系统》课程的知识实现信号的FFT变换、根据《通信原理》课程中掌握的原理实现模拟信号的调制解调。在该过程中学生既掌握了虚拟仪器软件编程的方法，也对过去学过的专业知识进行了复习并加深理解；最后，学生能够结合数据采集装置和相应传感器来实现工程设备的开发。
2《虚拟仪器技术》课程的教学方式
该门课程的教学方式采取的是课堂讲授、学生练习以及基于项目的动手实践相结合的教学方式。
（1）通过课堂理论教学使学生熟悉虚拟仪器技术的概念、原理和应用，使学生了解虚拟仪器在实际应用中的重要地位及其发展与应用前景。
（2）通过LabVIEW软件编程的练习和实践，使学生掌握虚拟仪器软件平台的操作和使用规则，在培养学生解决问题的能力的同时也给学生掌握专业基础知识提供了一个平台。
（3）通过专业实际训练使学生能够进行具体实际工程的设计，培养学生的实际动手能力和独立思考与综合运用所学知识解决实际问题的能力。
3《虚拟仪器技术》课程体系设置
《虚拟仪器技术》课程体系的设置则是参考了国内外高校十几年的教学实践，并且根据本专业的特点和学生的具体情况，将该课程分为了LabVIEW软件平台学习的理论部分和虚拟仪器硬件平台的实际训练部分。
（1）理论教学部分：该部分的教学需要强调动手实践的能力，但是授课过程中的理论知识仍为重点，作为图形化编程语言LabVIEW的模块化的设计很容易激发学生的学习兴趣，但是习惯文本编程思维方式的学生将思路转变也作为教学过程的难点。所以课堂的安排为：首先，教师讲授相关内容，然后提出问题，学生根据问题动手解决，最后教师通过学生解决问题的思路进行总结并提出共性的问题。通过这样问题解决式的教学方式，让学生在课堂上通过不断解决问题的过程体验对新知识掌握的成功感。同时根据通信专业学生的专业特点，设计一些与本专业知识相关编程练习，如信号的FFT变换、对信号进行调制解调，使学生在掌握新知识的同时加深专业基础知识。通过学习，学生对虚拟仪器技术产生了兴趣，经常利用课后时间翻阅相关专业书籍，并且通过互联网吸收相关知识，部分学生不仅能够按照常规的方法解决问题，也能够提出新思路解决问题，甚而完成超出学习范围的编程练习。
（2）实际训练部分：在理论教学授课部分，学生通过软件程序设计以及仿真硬件能够掌握LabVIEW的基本编程方法，但是如真正掌握完整的工程系统的构成必须结合真实的硬件I/O的实摘要：本文简要介绍了虚拟仪器技术的概念及在通信工程专业开设《虚拟仪器技术》课程的意义，详细阐述了该课程惯，从而提高学生英语知识的实际应用能力。
4预期效果
通过本校英语课堂采用多媒体教学的实际情况分析，笔者认为在高职院校使用多媒体技术教学虽然存在一些问题和难题，但是总体上来看，多媒体教学可以有效促进教师不断探索英语教学的新思路，提高学生自主学习的兴趣和能力。
5结语
第3篇
手机测试
挑战：
中国的手机市场发展迅猛，世界各大手机厂商竞相争夺手机用户。在如此激烈的竞争中，手机的功能日趋丰富，比如摄像头、MP3、FM调频收音机等等。同时，手机通讯协议也层出不穷，GSM、CDMA、GPRS、CDMA2000、EDGE、WCDMA等等。为了应对产品的不断变化，工程师面临着提高效率并缩短产品市场化时间的挑战，他们需要一个灵活而强大的通用测试平台。我们先来看一个通用测试平台针对手机通讯协议的变化而表现出来的优势。大家知道，2G的协议比如GSM和CDMA都已被成功地运用于市场了，而3G的协议比如WCDMA，CDMA2000等等是未来的必然趋势。在从2G到3G的转变中，面临客户群、设备置换、技术的成熟度风险等等问题。运营商希望能够进行平滑的过渡，在不丢失已有手机用户的情况下，首先升级交换网络部分，这使得用户可以使用过渡期的2.5G产品，然后等时机成熟时再升级无线网络部分达到3G的标准。2G的测试仪器已经比较成熟，3G的测试产品正在加紧开发，2.5G的专用测试设备却由于传统仪器制造商考虑到研发成本和市场前景的问题而匮乏。
一家著名的手机制造商制造了支持EDGE(EnhancedDataratesforGSMEvolution)协议的2.5G手机产品，需要针对这一产品的测试方案。EDGE是一个专业协议，由于它的出现时间比较短，了解它的人也比较少，要在短期内构建一个EDGE测试系统是一个巨大的挑战。为了在市场上与同行竞争，需要在一个月内能够使用这套测试设备。
应用方案：
利用TestStand模块化，兼容性强，可自定义的特点，根据生产测试的需要对其进行修改与完善，并结合LabVIEW，GPIB卡，以及相应的测试仪器，创建百分之百符合自己需要的CDMA基站测试系统。
使用的产品：
硬件上整个系统包含了一个PXI机箱，其中有：
NIPXI-8186
2.2GHzIntel奔腾4处理器的嵌入式PC，预装WindowsXP操作系统
NIPXI-5660
2.7GHzRF信号分析仪，9kHz到2.7GHz，20MHz实时带宽，80dB真实动态范围
NIPXI-5670
RF信号源，250kHz到2.7GHz，16位，100MS/s任意波形发生，22MHz实时带宽
NIPXI-5122
14位数字化仪，100MS/s实时采样，2GS/s随机间隔采样，100MHz带宽
NIPXI-4070
6位半数字万用表，6ppm精度
其中，NIPXI-5660被用作矢量信号分析仪，NIPXI-5670被用作射频信号源，NIPXI-5122被用作示波器，NIPXI-4070被用作数字万用表。
软件上使用了LabVIEW图像化开发环境和NI-DAQmx驱动程序。
第4篇
关键词：辅助教学；仪器分析；虚拟实验平台；建设
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2012）07-0172-02
药品检验是药学专业的核心课程，仪器分析则是测定药物的物理常数、鉴定药物真伪、检测药物纯度和杂质限量、测定药物含量及效价的主要方法，具有取样量少、灵敏度高、自动化程度高、分析速度快、应用范围广等特点。随着技术的发展，仪器分析的基本原理和实验技术已经成为药学研究和应用工作中必须掌握的基础知识和基本技能，药物研究、生产及检验等各种行业机构对高效液相色谱仪、气相色谱仪、分光光度计、质谱仪等设备的依赖已经到了不可或缺的地步。培养熟练掌握仪器分析技术的专业人才，是药学教育的主要任务之一。
当前仪器分析教学面临的主要问题
教学仪器严重不足，教学效果有限 实验教学所用仪器多数为贵重、精密物品，且数量极为有限，如质谱仪、核磁共振波谱仪等大型分析仪器，一般学校只购置1台。而近年来的扩招使得学生数量成倍增加，教学仪器资源更显缺乏。教学仪器的不足，使得很多学校的实验实训课程变成了观摩课、试教课，学生得不到足够时间和强度的实际操作锻炼，实验教学效果不理想。
仪器落后，与实际应用脱节 技术的快速发展使得分析仪器更新换代的频率加快。而在学校的实验教学中，往往由于经费原因，所使用的仪器得不到及时更新，从而与实际应用脱节。学生在校期间学会的分析仪器操作技能，到了实际工作环境中用不上，仍然要学习新一代仪器的使用，这使得学校实验教学的意义大打折扣。
教学成本高，学生无法熟练掌握仪器 仪器分析实验教学需要用到大量的药品、试剂，教学成本很高，所以往往以小组的形式进行实验，真正得到动手锻炼的学生只占少数，而且也只能进行有限次数的操作。在这种情况下，学生只能对仪器有一个基本的认识，而无法熟练地掌握仪器使用技能。在一些高端仪器的实验教学中，这一问题尤为明显。
实验操作层次较低，无法深入了解仪器功能 当前，仪器分析教学安排的都是操作层次较低、步骤简单的实验，立足于让学生了解仪器、知道基本操作过程，而无法做到让学生深入、全面地掌握仪器的用途。这导致了学生对仪器的认识浅尝辄止，难以了解除实验所用以外的仪器的使用方法，也没有机会碰到使用仪器过程中的各类特殊情况，无法培养学生对各种问题的分析和处理能力。
存在操作安全、环境污染等隐患 仪器分析实验中部分试剂是危险的化学物品，如果操作不当会发生安全事故，同时，实验过程中排放的“三废”也会对环境造成污染。但为了保证教学质量，一定量的实验实训课程必不可少，这容易引发安全问题和环境污染问题。
虚拟仪器分析实验的研究及其应用
虚拟仪器分析实验指的是利用计算机系统，引入现代信息技术和虚拟现实技术，模拟各种分析仪器，使受训者可以像在真实环境中一样运用各种虚拟实验器械和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真操作，从而完成各种预定的实验。
笔者利用中国知网，对中国期刊全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国博士学位论文全文数据库进行跨库检索，以模糊匹配方式查到2000年以来药学相关学科内关于“虚拟仪器分析实验”主题的期刊论文共253篇，学位论文共3篇。其中，2008年以来的论文共97篇，约占38%，表明虚拟仪器分析实验是近年来的研究热点。所查论文的主题主要包括了“虚拟仪器分析实验的概念和应用”、“虚拟仪器分析实验的优缺点”、“虚拟仪器分析实验教学系统的设计”等。许多研究人员从不同角度对虚拟仪器分析实验进行了探讨，如杨雪等人研究了虚拟实验中情感、表现和行为三个层次的设计思路，傅增智、徐静等对比研究了虚拟实验和真实实验，代晓青则探讨了虚拟实验对受训者操作规范的培养作用。
国内外多所大学，如霍普金斯大学、上海交通大学、大连理工大学等都对虚拟实验室建设进行了研究，并建设了一些适合于药学、化学专业的虚拟实验室。中国药科大学建立了一套《气相、液相分析实验》仿真系统并取得了一定的应用效果。重庆医药高等专科学校开发了一套实训教学系统用于虚拟仪器分析实验教学。国内外软件市场上也出现了相关的虚拟实验室产品，例如Chem SW公司的GC-SOS气相色谱模拟和优化软件，大连理工大学的仪器分析虚拟实验室。笔者通过网络调查，发现中国药科大学、重庆医科高等专科学校、大连理工大学、广东药学院等高校已经应用了虚拟仪器分析实验系统。
辅助教学的虚拟仪器分析实验平台建设思路和要点
建设思路 用于辅助教学的虚拟仪器分析实验平台的建设，目前主要有以下三种建设思路：第一，引进市场产品。购买成熟的虚拟仪器分析实验平台，是最便捷的解决方案，具有流程简单、部署方便、实现容易、后期维护有保障等优点，缺点在于需要一定的经费支持，尤其是一些国外的虚拟软件，价格十分昂贵。此外，直接引进的产品还存在不一定能完全满足当前实验教学需求、定制相对困难等问题。第二，引进其他高校开发的系统。国内许多高校都开展了虚拟仪器分析实验教学研究，并出现了不少优秀成果。例如，中国药科大学开发的仪器分析实验仿真教学实习系统，可以进行试剂的仿真配置，完成气相色谱系统和液相色谱系统的仿真操作，自动记录学生的操作过程，进行仿真实验考核等功能。引进其他高校开发的系统，优点在于能够在较大程度上满足当前实验教学的需求，同时所需经费也不是很高，缺点是后续的服务可能会不到位、系统无法更新等。第三，自行开发或委托开发。自行开发或委托第三方公司开发虚拟仪器分析实验教学系统，能完全根据自己的实际实验教学需求进行功能的规划和系统的设计，具有较强的灵活性和兼容性，前提是必须拥有具有系统分析能力的工作人员。自行开发可以结合学校信息化教学建设工作及相关科研项目展开，是当前许多学校选择的建设思路。
建设要点 在虚拟仪器分析实验平台的建设中，有许多值得注意的地方。笔者认为，一个先进的虚拟仪器分析实验平台必须具备以下三个特点。第一，用户界面逼真。用户界面逼真是虚拟仪器分析实验平台必须具备的第一个特点。因为虚拟仪器分析实验平台是用于仿真实验的，要达到用户在虚拟实验平台上学习、操作后，在真实仪器上能够无需再次学习、非常熟练地使用。所以，用户界面必须逼真，仪器的形状、颜色，相关提示灯和提示信息的显示、操作过程和操作结果的模拟，都要和真实仪器相差无几，才能达到实验的效果。因此，最新的3D技术、虚拟现实技术必须在实验平台中应用。第二，富于交互。仪器分析实验过程本质上就是人机交互过程。如果虚拟仪器分析实验平台不具备较强的交互性，就只能算是一个仪器分析实验演示软件，而无法起到实验的作用。一个先进的虚拟仪器分析实验平台，应该是富于交互的，各类按钮的功能和支持的动作，要和真实仪器一致，同时，各种交互操作应该是简洁明了的。多点触控技术应该在实验平台中得到应用。第三，充分设定各种应用情景。虚拟实验的最大好处在于可以模拟任意特殊的情况而不会产生任何危险。因此，应充分设定各种应用情景，让受训者在虚拟实验过程中可以任意操作，认识各种特殊乃至危险的后果，从而让受训者更为彻底地掌握仪器的特性和使用方法，加深对仪器的认识和对安全操作的理解。
虚拟仪器分析实验平台的教学效果
虚拟仪器分析实验平台具有运转快速、界面简洁、覆盖面广、利用方便等特点，能比较真实地模拟相关实验的过程，让学生提前熟悉仪器及掌握仪器的操作，认识实验项目的操作步骤和要点，有利于学生对真实仪器的操作，节省真实实验的材料和时间。通过虚拟实验，可以让学生多次重复实验而无时空限制、安全及污染等问题；可以让学生规避真实实验的诸多忌讳，甚至违规操作，以进一步掌握仪器的使用办法；可以通过各种设定好的特殊情况，感受仪器操作过程中可能出现的问题，以全面地锻炼学生分析问题和解决问题的能力。
北京中医药大学在2006级中药学、中药分析、中药制药班应用“高效液相色谱法定性和定量分析实验”虚拟教学后进行教学效果问卷调查得知，有81.2%的学生愿意进行虚拟实验学习，有84.8%的学生通过虚拟学习清楚地知道了如何操作仪器。2007年底，清华大学在将仪器分析实验多媒体网络教学平台应用于化学系、化工系、环境系及核物理学院等院系的仪器分析实验教学中，经过连续5个学期的教学数据对比分析，发现接受了虚拟实验教学的学生个人得分同比超过其他院系的学生，仪器分析实验教学质量得到了明显提高。第二军医大学应用了虚拟实验平台后，82%的学生认为虚拟教学系统的交互性有利于知识传授，76%的学生认为运用虚拟教学系统有助于提高相关教学内容的教学效果和教学效率，73%的学生认为虚拟教学系统更适合于辅助教学。
当然，虚拟实验替代不了真实实验。由于其缺少实物感，操作正确的情况下结果唯一，无法反映现实中操作正确也有可能出现不良后果的情况，虚拟仪器分析实验主要用于辅助教学，结合真实实验教学，以取得更好的教学效果。
综上所述，在药学教育工作中，虚拟仪器分析实验平台具有广泛的应用前景。科学地运用虚拟实验手段，拓展教学空间，能有效解决很多用常规方法无法解决的教学问题。建设一个界面逼真、富于交互、充分设定各种应用情景的虚拟仪器分析实验平台，用于辅助教学，将有效缓解当前仪器分析教学中面临的主要问题，可以成为实验教学的有益补充，丰富和完善仪器分析实验教学的教学形式，降低教学成本，增强教学效果，从而提高仪器分析实验教学的质量和水平。
参考文献：
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第5篇
【关键词】汽车发动机；虚拟仪器；特点；实验；应用
0.引言
虚拟技术、计算机通信技术和网络技术构成了信息技术中最重要的组成部分。而在汽车发动机的研究和生产过程中，发动机实验发挥着至关重要的作用。而虚拟仪器技术的发展使测试仪器走向了柔性化，用户可以根据自己的需求搭建专门的测试环境，同时在具有兼容性和可扩展性的硬件基础上，通过专业的虚拟仪器软件，灵活方便地实现整个测试系统的扩充、更改和升级，从而提高整个测试系统的效率，降低测试的成本。
1.虚拟仪器技术背景
1.1虚拟仪器技术的介绍
虚拟仪器（Virtual Instrument）技术，就是在计算机的基础上，引入特殊的仪器硬件和专用的软件，来实现一种具备普通一起基本功能又有着自身特殊用途的新型仪器技术。虚拟仪器技术融合了计算机硬件、软件技术和总线技术，同时又与测试技术、仪器技术紧密相关。在上个世纪80年代美国的国家仪器公司（National Instruments Corporation，NI）在世界上首先提出了虚拟仪器技术的概念。
虚拟仪器技术的核心概念是：基于计算机的统一仪器的硬件平台，通过计算机特有的运算、数据存储、回放、调用、显示以及文件管理等功能，把传统仪器的专业功能和控制面板以软件的形式呈现，与计算机充分结合就，从而形成具备传统仪器外观和功能，同时又可以利用计算机智能资源的全新仪器。目前世界上应用最为广泛的是NI公司研制和推出的总线系统虚拟式仪器LabVIEW。
1.2虚拟仪器系统的结构
一个虚拟仪器系统主要由以下几个部分组成：数据采集系统、通用接口总线（General Purpose Instrument Bus，GPIB）仪器控制系统、基于计算机总线技术虚拟仪器中扩展（VME Extension for Instrumentation， VXI）的仪器系统，及以上由以上部分组合而成的系统。数据采集系统作为外界物理参量与计算机数据处理之间的桥梁，是整个虚拟仪器系统中的一个重要的组成部分，其机构主要包括以下一些功能单元：
（1）模数采集卡和数模卡：其核心部件是高性能的模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），该模块具备高级的定时功能，当今的模数转换器的分辨率能够达到12bit、16bit、18bit甚至24bit，同时采样频率可以为0-100KHz、200KHz、330KHz、1000KHz、20MHz和更高。而且还可以实现无时差、无相移额多通道采样。测试通道数最多高达1024。
（2）计算机及其附件：该模块有高性能的计算机，显示设备和光驱、硬盘等，它们是虚拟仪器系统进行数据处理的核心。
（3）功能软件：功能软件指的是具备测试和分析功能的专业软件，这些软件在整个虚拟仪器系统中发挥着重要的作用。
（4）接口和总线：虚拟仪器系统具有多种接口和总线方式（如PC总线方式、USB总线方式、并行总线方式等），而用户可以根据自己的需求选择合适的接口和总线方式。
（5）传感器和调理模块：它们是虚拟仪器测试系统的基础，高质量的传感器和调理模块决定了测试系统优异的性能。
1.3 虚拟仪器技术的特点
（1）虚拟仪器系统基于通用的软件开发平台：硬件模块确定后，其测量功能主要通过内部的专业软件实现，整个系统的规模可由修改软件控制。
（2）高度自定义，使用方便：虚拟仪器不同于传统硬件仪器使用过程中用户无法更改仪器功能的模式，通过专业的虚拟仪器软件，用户能够根据自己的需求，方便灵活地构建适合的测量系统，并可以对整个系统进行扩展和升级，从而大大缩短了开发周期。
（3）虚拟系统的开放性强：虚拟仪器可以和其他设备进行互联，对实验现场进行监测和管理，互联功能可以使测控系统突破局域限制。
（4）高性价比：一套虚拟仪器系统可以实现多种功能，系统组建快捷，测量时使用的数字化技术，很大程度上降低了环境干扰和系统误差的对整个实验的影响，更可以节省硬件设备，降低了搭建测试系统的成本。
2.虚拟仪器技术在汽车发动机实验中的应用
2.1发动机油耗测试
利用虚拟仪器技术在原发动机实验测控台架上设计瞬态油耗测试系统，传感器模块的核心是质量式油耗传感器，目的是把发动机的油耗等性能参数由传感器转化为相应的电信号，同时可利用发动机实验测控台架得到转速和扭矩等信息，其他模块包括数据采集卡和计算机处理系统。
测试中测量特定时间内所消耗的燃油重量计算出发动机单位时间内的油耗量，其中质量式油耗传感器主要由称量装置、计数装置和控制装置三个部分组成。而虚拟仪器软件中的主操作界面包括控制区和显示区：显示区中显示转速、扭矩、油耗等信息，同时设有超过极限报警指示灯显示；控制区包括测量仪控制开关、采集速率、参数值设置、极限值和初始值等。主程序软件按功能分为转速计、扭矩计、油耗仪等测试模块，其中每个模块可独立工作，用于单个内容的测试。完成信号采集后，进行数据显示和保存。
2.2发动机噪声测试
整个虚拟仪器系统包括硬件和软件两大部分，硬件的传感器模块中传声器采用驻极体microphone，转速传感器使用夹式传感器拾取信号，再通过数据采集模块将获取的信号数字化，供计算机数据处理使用。而系统的软件由控制面板、参数输入、数据显示、性能分析以及系统检测等功能模块。
在实验中先通过系统得到整个配气机构的噪声频谱，然后得到消除气门落座噪声后的频谱, 通过噪声相减的原理计算得到气门落座噪声频谱图，从而能够去除出气门杆段撞击摇臂噪声、配气机构的气门落座噪声以及链条链轮噪声，经过分析处理计算出噪声频谱图并得到对噪声影响较大的那些频率分量，再与具体的机械结构特征进行比较，最终分析得到主要的噪声源。
3.结束语
作为一种新型的仪器技术，虚拟仪器技术所具备的优点是传统的仪器所无法得到的，虚拟仪器系统有机地结合了计算机硬件技术和通用软件开发平台（例如LabVIEW等），良好的硬件兼容扩展性以及优质的数据处理能力，为整个虚拟仪器系统的搭建提供了性能支持和技术保障。同时，将虚拟仪器技术应用于汽车发动机的相关实验研究中，很大程度上提高了发动机实验测试的自动化水平，为汽车发动机状态检测提供了大量精确的数据，同时也为发动机的研制生产工作引入了先进的测试技术手段。
【参考文献】
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［4］谢旭良.基于LABVIEW工作平台的内燃机振动和噪声信号处理系统[硕士学位论文].大连：大连理工大学，2000.
第6篇
关键词：虚拟仪器，力传感器，标定
1 引言
力传感器是目前广泛使用的传感器，在长期使用过程中，由于使用环境、本身结构的变化，需要对其进行标定，以此保证测量的精度。近年来，随着虚拟仪器技术的出现和发展，越来越多的技术人员开始基于该技术来开发自动化测量设备。博士论文，标定。虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向[1]。而在众多的虚拟仪器开发平台中，美国国家仪器公司（NI）的LabVIEW应用最为广泛。本文主要介绍了基于LabVIEW的力传感器标定程序的设计。
2 标定的原理
所谓标定（或现场校准）[2]就是指用相对标准的量来确定测试系统电输出量与物理输入量之间的函数关系的过程。标定是测试中极其重要的一环。标定除了能够确定输入量和输出量之间的函数关系之外，还可以最大限度地消除测量系统中的系统误差。
传感器的校准采用静态的方法，即在静态标准条件下，采用一定标准等级（其精度等级为被较传感器的3~5倍）的校准设备，对传感器重复（不少于3次）进行全量程逐级加载和卸载测试，获得各次校准数据，以确定传感器的静态基本性能指标和精度的过程。为简化系统的设计，此处标准量采用砝码加载的方式获得。
3 系统组成
3.1硬件组成
系统的硬件组成如图1所示：
图1 系统硬件组成
由图可以看出，系统主要包括计算机、力传感器，数据采集卡、接线盒等。本系统中，力传感器采用电阻应变式压力传感器，四个应变片采用全桥的工作方式。数据采集卡采用NI公司的PCI-6221，该采集卡的主要参数如下：它具有16个模拟输入端口，2个模拟输出端口，24个数字输入输出端口，采样速率最高可达到250kS/s。接线盒采用NI公司的SC-2345，此接线盒直接与数据采集卡相连，接线盒上有SCC信号调理模块插座。SCC模块是NI公司提供的信号调理模块，其上面包含信号调理电路，可以将传感器处采集的信号转换成适合数据采集卡读取的信号。本系统所用的SCC模块为SCC-SG04，此模块适用于连接采用全桥工作方式的电阻应变式压力传感器。
3.2软件组成
本系统软件基于LabVIEW 8.2来开发。LabVIEW是一种图形化的编程语言。博士论文，标定。博士论文，标定。与其他开发工具不同，用LabVIEW编程的过程不是写代码，而是画“流程图”。这样可以使用户从烦琐的程序设计中解放出来，而将注意力集中在测量等物理问题本身。它主要针对各个领域的工程技术人员而设计，非计算机专业人员[1]。博士论文，标定。
因为所用的力传感器属于应变式电阻传感器，其电阻变化率与应变可以保持很好的线性关系，即输入与输出量之间呈线性关系，所以可以用一条直线对校准数据进行拟合。此直线就称为拟合直线，所求得的方程为拟合方程。图2所示为传感器标定程序的采样页面。
此程序采用LabVIEW的事件驱动编程技术进行编制的。事件[3]是对活动发生的异步通知。事件可以来自于用户界面、外部I/O或程序的其它部分。在LabVIEW中使用用户界面事件可使前面板用户操作与程序框图执行保持同步。事件允许用户每当执行某个特定操作时执行特定的事件处理分支。
图2 标定程序采样页面
图3 采样程序
直线拟合的方法[2]有很多种，比如最小二乘法、平均选点法、断点法等等。其中，最小二乘法精度比较高，此处利用它进行直线拟合。根据最小二乘法，假定是一组测量值，是相应的拟合值，mse为均方差，则拟合目标可以表达为，期望mse最小。
LabVIEW中的分析软件库提供了多种线性和非线性的曲线拟合算法，例如线性拟合、指数拟合、通用多项式拟合等等。本程序选择Linear Fit.Vi 来实现最小二乘法线性拟合。
标定子程序的工作流程如下：用户先通过多次采样，获得各个输入量对应的输出量，通过While循环的移位寄存器保存这些值。博士论文，标定。采样完成后，把这些值输入Linear Fit.Vi进行拟合，拟合的曲线在Graph控件中显示出来，同时该Vi自动求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，这样，输入输出量之间的函数关系就可以确定下来了，如图4所示。
图4 标定程序拟合前面板
4 小结
基于虚拟仪器的力传感器标定程序能够方便地对力传感器进行标定。博士论文，标定。该系统具有人机界面友好，灵活方便，自动化程度高等特点。
参考文献：
【1】.候国屏;王珅;叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].清华大学出版社.2005
【2】.张迎新等.非电量测量技术基础[M].北京航空航天大学出版社，2001
【3】.NationalInstrumentsCorporation.LabVIEWHelp[CD].ni.com/china,2008
第7篇
关键词：LabVIEW SQL；Server2008；LabSQL心电数据库
中图分类号：R318 文献标识码：A
1引言
传统的心电图诊断系统主要由三大功能模块组成：心电信号的记录、分析和诊断结果表述。在以往的临床经验中，这三大功能通常由手工完成，并完全依靠医生的临床经验[1]。随着虚拟仪器技术的发展，人们可以通过虚拟仪器来实现心电图的信号处理、结果表达，从而解决传统心电图诊断方法中数据处理、表达、传输、存储等方面的问题。LabVIEW作为虚拟仪器技术常用的应用开发软件，能够充分利用计算机的软硬件资源，具有编程简单、结果直观等特点，与数据采集卡结合可以建立良好的数据采集系统[2，3]。随着心电采集技术的发展，很多对采集系统的拓展工作已经可以实现心电数据的处理和应用，包括诊断系统的开发以及通过与网络技术结合实现远程心电监护等方面[4-6]。但是，这些拓展应用中，主要侧重于心电数据的采集、处理、网络传输等，较少关注心电数据的存储技术与管理。
数据的存储与管理、维护是信号采集系统的重要组成部分，数据库技术与LabVIEW虚拟仪器的结合，一方面可以利用数据库强大的数据管理能力，另一方面可以发挥LabVIEW在信号采集上的优势，从而实现大规模心电数据的有效管理和维护。目前，四大权威心电数据库[7]均为欧美国家建立，国内在基于大规模人群的心血管流行病学调查分析方面同样开展了相关研究工作，致力于构建国人自己的心电数据库[8-10]。大规模心电数据库的建立离不开工程实现技术，在虚拟仪器技术与心电信号采集系统结合的趋势下，基于虚拟仪器技术平台设计心电数据库在工程实践上有很重要的意义。
本文介绍基于LabVIEW心电信号采集平台的心电数据库设计。在LabVIEW环境下，搭建了基于LabSQL与SQL Server的心电数据库系统，一方面利用LabSQL建立LabVIEW和SQL Server数据库管理系统之间的连接，实现LabVIEW与SQL Server之间的心电数据传输，方便心电数据的存储，另一方面设计了心电数据库基础表及数据表间关系，为心电数据的管理提供了便利。该系统已成功用在基于LabVIEW的心电数据采集系统研发中。基于LabSQL和SQL Server的数据库设计方法具有通用性，可方便地推广到与LabVIEW结合的数据采集和管理系统中，具有良好的工程应用价值。
2基于LabSQL的数据库连接
2.1基于LabVIEW的心电采集系统简介
速度快、性价比高等优点[13]。SQL Server在电子商务、数据仓库和数据库解决方案等应用中起着重要的作用，能针对数据库中的数据提供有效的管理，并有效地保证数据的完整性和安全性。
3.1数据库设计
临床实践中，心电图可以作为诊断心脏类疾病检测的主要手段。心脏类疾病的发生与病人的年龄、性别、个人史、其他疾病等有关[10]。因此，病人的基本情况是心电数据库中重要的一部分。作为基于LabVIEW心电采集系统的一部分，心电数据库主要数据表的设计需要满足采集系统需求。同时，数据表的设计还需要参考标准心电数据库PTB（PhysikalischTechnische Bundesanstalt）中病历的临床摘要。PTB数据库是心电研究中常用的标准心电数据库，具有十分重要的参考价值。
基于上述分析，心电数据库可以划分为三个表。
1）病人基本信息表（Patient）
病人基本信息表如表1，主要用于记录病人的各项基本信息。其主要数据结构和数据项如下：病人的病历号、性别、年龄、检查原因等，其中病人病历号码具有唯一标识性，被选作该表的主键。主键是指在数据表中能唯一标识表中每个数据行的一列或者多列。一个数据表只能有一个主键，并且主键列不允许取空值。SQL Server 会自动为主键创建索引。在使用主键时，该索引可以加快访问速度并有助于实现数据的唯一性。
4结束语
在LabVIEW环境下，利用LabSQL工具包的相关子VI模块，实现了与SQL Server 数据库的连接，并将数据存储在专门设计的心电数据库中，搭建了完整的心电数据采集和管理系统。该系统包含病人的基本信息和心电数据记录，有效地实现了大规模心电数据输入和管理的自动化。该心电采集系统及心电数据库的建立，为心电数据的临床分析和集中研究提供便利。
参考文献
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[11]靳贺敏.基于LabSQL的LabVIEW数据库访问技术[J].福建电脑，2010，3：62-63.
第8篇
关键词：虚拟仪器；调幅解调；LabVIEW
一、设计基础
所谓调制，就是把数字信号转换成模拟信号；解调，即把模拟信号转换成数字信号，合称为调制解调器。幅度调制电路有两个输入端和一个输出端。输入端有两个信号：一个是输入调制信号uΩ（t），称为调制信号，它含有所需传输的信息；另一个是输入高频等幅信号uc（t），称为载波信号。
1.普通调幅电路模型
普通调幅电路的模型可由一个乘法器和一个加法器组成，如图1所示。图中，Am为乘法器的乘积常数，A为加法器的加权系数。
图1 普通调幅电路的模型
2.普通调幅信号的数学表达式
输入单音调制信号：
uΩ（t）=UΩmcosΩt= UΩmcos2πFt
载波信号：
uc（t）=Ucmcosωct=Ucmcos2πfct
且fc>>F，根据普通调幅电路模型可得输出调幅电压：
式中，Uom=kUcm，是未经调制的输出载波电压振幅，k=A；ma=AmUΩm=kaUΩm/Uom，是调幅信号的调幅系数，ka=AmAUcm；ka，k均是取决于调幅电路的比例常数。
3.振幅解调电路
在频域上，振幅检波电路的作用就是将振幅调制信号频谱不失真地搬回到零频率附近。因此对于同步检波来说，检波电路模型可由一个乘法器和一个低通滤波器组成，如图2所示。图中，us（t）为输入振幅调制信号，ur（t）输入同步信号，uo（t）为解调后输出的调制信号。
图2 同步检波电路模型
二、调幅解调器前面板设计
调幅解调器的前面板如图3所示，设计步骤如下：
（1）新建一个VI，右击前面板上空白处，弹出控件选项，在控件选项板上选择【新式】/【图形】/【波形图】，将其拖放在前面板上，连续放置5个，依次修改名称为“调制信号”、“载波信号”、“已调信号”、“已调信号与载波信号乘积”、“相敏检波输出”；
（2）在控件选项板上选择【新式】/【数值】/【数值输入控件】，按照要求拖放多个放置在前面板合适位置，作为调制信号、载波信号等的参数调节控件，并重新命名为“***幅值”、“***采样频率”、“***采样点数”、“***相位”；选择【新式】/【数值】/【旋钮】，连续放置3个，并重新命名为“***频率”，如图3所示。用户可以通过输入控制旋钮和输入具体参数来方便设置“幅值”、“采样点数”、“采样频率”、“滤波器低通截止频率”等参数；
（3）选择【新式】/【布尔】/【停止按钮】，将其拖放在前面板合适位置，用来结束程序的运行。
图3 虚拟调幅波解调器前面板
三、调幅解调器程序框图设计
调幅解调器的程序框图如图4所示。设计步骤如下：
（1）右击程序框图空白处，弹出函数选项板。选择【编辑】/【结构】/【While循环】，将其拖放在程序框图中，将条件端口与“停止”控制按钮端子相连；
（2）单击【信号处理】/【信号生成】/【正弦波】，将其拖放在程序框图中，连续放置3个；
（3）单击【编程】/【数值】/【除】，将其拖放在程序框图中，连续放置3个；
（4）单击【编程】/【数值】/【倒数】，将其拖放在程序框图中；
（5）单击【编程】/【数值】/【乘】，将其拖放在程序框图中，连续放置2个；
（6）单击【编程】/【簇、类与变体】/【捆绑】，将其拖放在程序框图中，连续放置5个，捆绑节点左侧只有两个输入端口，可以使用定位工具向下拖动节点，或在节点左侧输入端处右击弹出快捷菜单选择【添加输入】来增加输入接线端的数量；
（7）单击【信号处理】/【滤波器】/【Butterworth滤波器】，将其拖放在程序框图中。
（8）单击【编程】/【数值】/【数值常量】，将其拖放在程序框图中，连续放置6个；
（9）使用连线工具，连接各个节点，如图4所示。
图4 虚拟调幅波解调器程序框图
参考文献：
[1].唐海峰，陈栋.2009.虚拟仪器应用设计. 西安：西安电子科技大学出版社
第9篇
【关键词】LabVIEW;PXI-5152;数据采集
1.引言
由于传统测控设备一般只能独立完成一项功能，而虚拟仪器可以将原来多种传统测控设备集中于一套系统中，同时它的开放与灵活性能使之与计算机技术保持同步发展[1]。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块性、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不用购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展[2]。本文主要基于PXI-5152板卡利用LabVIEW进行信号进行采集和分析的设计。
2.数据采集系统的设计
由于LabVIEW是基于模块化程序设计思想，故在开发过程中也是基本上遵循这一基本思想。在总体方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后再集成和调试。创建虚拟仪器的过程的过程分为三步：
（1）编写虚拟仪器流程图。
（2）设计虚拟仪器的前面板。
（3）确定虚拟仪器的图标和连接[3]。
采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体包括数据采集、参数测量、相位、幅频分析、数据存储和回放等模块，最终实现数据采集、处理、记录、显示等功能。系统软件组成框图，软件设计整体界面分别如图1，图2所示：
图1 软件组成框图
图2 PXI-5152多功能示波器前面板
2.1 信号采集模块
LabVIEW集成了功能强大的数据采集函数库Data Acquisition。NI公司也设计了NI-SCOPE模块，使得编程更加简洁化[4]。本设计应用的PXI-5152板卡所采用的软件编写设计模块正是NI-SCOPE模块。使用NI-SCOPE模块数据采集函数建立采集程序非常简单，其流程如图3所示，基本过程如下：
参数设置如图4所示，采样方式选择普通采样（Normal），采样率为200MHz，采集通道（channels）为通道0和通道1，记录长度为1000，输入阻抗为1欧姆，电压耦合（vertical coupling）选择DC方式即直接耦合，参考位置选择50%，电压偏移（vertical offset）为0，电压幅值（vertical range）为10V。
图3 数据采集程序流程图
图4 配置参数
触发参数选择如图5所示：触发耦合选择DC耦合，触发类型选择Immediate即直接触发，触发源选择0通道，即采集为1通道，触发延迟为0s，触发极性选择正极，触发电平为5V。
图5 触发选项
2.2 数据读取和数据存储模块
LabVIEW有丰富的文件操作函数库，本设计由于采样率的提高，使用传统的编写程序可能会导致采样点数的丢失，为了使采集到的数据能实时的读取和存储起来，本设计所采用TDMS模块对数据进行实时采集和存储，更好的保证了数据的准确性[5]。
采集时数据的读取、存储程序如图所示。新建一个“.tdms”文件夹以便对采集数据进行存储，打开TDMS，TDMS属性设置，TDMS数据读取（接入队列进行对数据进行同步采集），关闭TDMS。程序图如图6所示。
图6 数据读取、存储程序图
3.实验设计及结果
本设计所做实验室为了研究，铝板的裂纹深度不同时，检测到的反射信号的某一特征量呈现规律性变化，即研究裂纹深度与信号特征量之间的单调关系。
实验过程如下：实验装置框图如图7所示，激励激光器采用150mJ能量激励，经过聚焦透镜后照射到标准试件上，光斑直径为0.9mm，由烧蚀效应产生超声波，通过表面波探头探测信号，经数据采集系统采集、记录实验数据。
图7 实验装置框图
实验过程：本次实验采用的铝板尺寸为200mm×50mm×8mm，表面裂纹距铝板左边界左侧80mm，裂纹规格分别为无损、0.1×0.3mm、0.1×0.5mm、0.1×0.7mm、0.1×0.9mm（宽度×深度），由于加工误差，实际规格为0.111×0.302mm、0.130×0.536mm、0.13×0.70mm、0.15×0.872mm。本次实验目的是探测反射波，激励源距裂纹10mm，在铝板上激励出超声波，传播到裂纹位置处，超声波会在裂纹位置处发生反射，反射的超声波被距激励源右侧10mm的超声探头接收。通过采集系统初步观察并记录数据波形，采集系统参数设置如下：采样率：200MHz，采样时间：50us，采用外部触发，触发位置：50%。为了减少实验误差，不同深度的裂纹分别做五次实验并保存数据。
实验结果中的一组数据（有裂纹时的反射及相应的频域图）经过MATLAB软件进行进一步的分析，放大之后所得到的波形图如图8所示。
图8 有裂纹时反射波形
4.结论
实验结果表明：
（1）本文所设计的PXI-5152多功能示波器能高效的对数据进行采集和存储;
（2）通过对实验所采集到的波形分析能反应出其数据的正确性，即反应出程序设计的正确性;
（3）采集程序运行时体现了程序设计的合理性和流畅性，运行界面具有工整性、简洁性和实用性。
虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性;虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用;由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器设各连接比较容易实现;虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机。这样做一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机的存储能力，从而使虚拟仪器具有几乎无限的数据记录容量。
参考文献
[1]张毅，周绍磊，杨秀霞.虚拟仪器技术分析与应用[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]林正盛.虚拟仪器技术及其发展[J].国外电子测量技术，1997（2）：35-40.
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[5]石博强，赵德永，李畅，雷振山.LabVIEW6.1编程技术实用教程[M].中国铁道出版社，2002，11.
作者简介：
第10篇
关键词：步进电机；虚拟；仪器；检测系统
Abstract: This paper mainly based on the virtual instrument monitoring system of step motor based on virtual instrument, instead of the traditional instrument, the test software instead of hardware circuit, multi-channel data acquisition, analysis, storage, achieved stepper motor system on-line detection and fault diagnosis.
Key words: stepping motor; virtual instrument; test system;
中图分类号：TM3文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
一、虚拟仪器硬件的构成
虚拟仪器的硬件采用基于PCI总线技术的DAQ数据采集系统，选用的PCI-6071E数据采集卡可实现对32个步进电机及其驱动电路和脉冲控制器的多路并行检测。
检测系统主要由信号接口及虚拟仪器两部分构成(图1)。待测信号由控制机柜上的接口引出，通过信号选择、调理之后送入工控机，由数据采集卡进行数据采集，并最终由数据处理软件进行分析、显示、存储等。步进电机系统由脉冲控制器、驱动电路和步进电机等几部分构成，根据不同的检测要求如常规检测、实时监控和故障诊断等，需要对脉冲控制器的输出、驱动电路的输出以及电机绕组的信号分别进行检测。为更有效的利用采集卡的硬件资源以及计算机的数据处理能力，在接口部分设置了信号选择电路，负责把需要检测的信号送入后续系统。接口电路结构如图2所示，通过两个选择开关的不同组合，分别实现从驱动板输入级引出脉冲控制器信号、从驱动板输出级引出驱动电路信号、从电机回路引出步进电机绕组电流信号。
信号调理电路采用运算放大器对取样电阻两端的信号进行差分运算，得到电压、电流信号并以单端方式输出至数据采集卡。步进电机常采用方波电压驱动，从其频谱构成来看包含一定的高频成分，属于有突变的大幅值信号，故选用LM318高速宽带运算放大器，其增益带宽为15MHz，转换速率为70V/μs。为进一步提高待测信号的信噪比，减小软件数据处理的难度以及减少运算量，在LM318的电源部分加入了2个1000μF的电解电容退耦合，在其输出端加入了0.2μF的瓷片电容以滤除高频噪声。
2软件设计
根据模块化的编程思想，检测程序(图3)的结构自上而下分为主程序层、逻辑层、驱动层。主程序层由用户界面和测试执行部分构成，逻辑层负责逻辑关系的验证以及相关决策的制定，驱动层负责与仪器、被测设备以及其他应用程序之间的通信。软件的开发平台为NI公司的LabVIEW。检测程序的主要任务为多通道的数据采集、分析和存储，因此程序的优化及运行效率问题都显得较为重要，在软件的开发中运用了LabVIEW所支持的多项先进编程技术，如数据流、多线程、定时循环、状态机等。
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3信号处理
在线数据处理主要包括运算量较小的电流、电压以及脉冲的时域分析。对于系统的运转状态通过对对应信号的计数得到电机运转的步数、驱动板提供的电压周期数、脉冲控制器发出的脉冲数；对于电机的运转参数通过测量电流的频率得到电机的速度曲线，对此进行微分得到电机的加速度曲线，通过对电流进行数值积分得到电机的功率曲线。
另一方面对电流信号进行较为详细的时域分析以提供系统分析的时域特征值。使用Peak Detector进行信号的波峰检测得到每个周期内最高点的数值、位置等数据，以此为基础作出电机的特征曲线。电机正常运转时特征曲线近似为一条水平直线，运转异常时则会产生平移和起伏，其均值和方差都有较为显著的变化。使用Pulse Parameters进行信号的参数检测，得到信号的超调量、上升时间等参数，这些参数描述了电流波形的细节信息。因此选取了电流信号的超调量和幅值之比、上升时间和频率之比以及特征曲线的均值和方差作为系统状态分析的3组时域特征值。
事后数据处理主要包括电流、电压的频域分析。对于步进电机系统的检测，一个较为重要的应用是识别出正常信号中夹带的短暂反常现象并展示其成分，为了克服傅里叶变换没有时间分辨率的缺陷，采用了对异常信号段进行短时傅里叶变换的分析方法。电机系统发生异常时的电流、电压信号除正常的基频及倍频成分外，出现了额外的低频成分或直流分量，其倍频和基频的幅值之比也有明显的变化，因此选取了信号的3倍频和基频的幅值比作为系统状态分析的频域特征值。算法实现短时傅里叶分析得到信号的幅值谱，表明了在短时间段上绕组电流、驱动电压的能量分布。
对于在线检测及故障诊断系统来说，除了选取适当的信号处理算法提取有效的特征值之外，更为重要的一点是对被测系统的历史数据的归纳和分类，给出各特征值的典型值作为系统状态的判别条件。以下是在瑞士ARSAPE公司的微型两相永磁式步进电机1020上测得的典型值，其驱动方式为采用A3966SLB驱动模块的两相单四拍驱动。基于虚拟仪器技术开发的步进电机检测系统，在发生故障时针对故障单元进行的诊断提高了系统的维护效率，大大缩短了故障恢复时间。
第11篇
【 关键词 】 网络化；虚拟仪器；通信测试；HPVEE
1 引言
网络化虚拟仪器将虚拟仪器和网络相结合。它首先将虚拟仪器的功能进行分解，然后再利用网络将这些功能重新组合，形成新的网络化虚拟仪器。其主要特点是功能分布可以根据实际情况的需要，部署在网络的任何地方，组成形式灵活，变更简便，能够有效的利用全网的资源。和传统的虚拟仪器相比，网络化的虚拟仪器具有显著的特点。
（1）数据传输快捷，实时性强，便于及时发现问题，提高测试数据有效性。
（2）数据共享性好，资源利用率高。用户可以在另一地点同时监测自己的测试过程，并直接获得测试报告。
（3）数据采集和分析可以分布处理，系统更加高效。 总之，网络良好的数据共享优势是网络化虚拟仪器各种优势的基础，其实现的核心是测试和监控数据的网络传输。
2 某测控站传统通信测试系统
2.1 测试硬件
硬件测试分系统由测试仪表、计算机测试平台、开关矩阵等设备组成。测试仪表通过开关矩阵与射频分系统连接，建立上行、下行测试链路，完成测试信号的发射与接收功能；计算机通过HP-IB接口板及电缆与测试仪表连接，建立计算机与仪表间的控制通信链路，完成对各项目的自动测试功能。
2.2 计算机测试平台及自动测试软件
计算机测试平台由两台计算机、HP-IB电缆（HP10833A）及一台激光打印机组成。一台计算机（HP）用于执行自动测试软件，另一台计算机（COMPAQ）用于控制开关矩阵。激光打印机输出测试结果文件。计算机使用WINDOWS NT 4.0和WINDOWS 2004，使用VC++ 4.0和HP-SICL语言编程，能提供自动测试、手动测试、数据库操作维护、测试数据处理并生成测试报告、打印及帮助等功能。
用Visual C++ 4.0编辑的软件为：在卫星发射初期使用的IOT测试软件、用于用户天线方向图测试的ESVA测试软件、开关控制软件。目前用HP VEE编辑的软件，仅有日常监视、巡检，转发器频谱单极化、双极化分析打印，邻星干扰打印等功能。
2.3 目前测试中存在的问题
目前在测控站通信测试中存在的问题：三颗卫星的测控系统与用户管理测试系统分别在两个机房，无法在关注卫星管理状态的情况下处理测试需求；测试数据格式不统一，管理分散；无法同时响应多用户需求，服务效果有待提高。
3 通信测试系统网络设计
3.1 HP VEE 5.0的网络开发能力
网络操作系统（NOS）是计算机网络的核心软件，Novell Netware、Windows NT和Windows2000 Server等NOS简化了测试诊断系统网络的组建。
OSI（开放系统互连）协议和TCP/IP（传输控制协议/网际协议）是世界标准的网络通信协议，其开放性、稳定性、可靠性均有很大优势，采用它们很容易实现测控网络的体系结构。其中HPVEE5.0提供了局域网（LAN）网关技术和To/From Socket软件技术二种手段来开发测控网络应用。
3.2 网络化虚拟仪器系统的组建模式
采用三层组网模式搭建虚拟仪器网络，其应用功能分为三层：客户显示层、业务逻辑层、数据层。三层模式的主要优点：
（1）良好的灵活性和可扩展性；
（2）可共享性；
（3）较好的安全性；
（4）增强了企业对象的重复可用性；
（5）三层模式成为真正意义上的“瘦客户端”。
3.3 网络硬件设计
在对现有网络化虚拟仪器技术进行比较后，本系统采用的组成方式：DataSocket server和VI服务器程序都部署在虚拟仪器服务器上。数据服务器可以单独部署，也可以和VI服务器共用。整个系统协同实现虚拟仪器的功能，每个组件相互协作分工完成系统功能。全部网络分为四部分。
（1）用户客户端
用户客户端是用户接口。即等待用户输入，接收用户输入的信息后传递给VI服务器，接着等待VI服务器回传数据结果，并将结果输出在虚拟仪器面板上或者保存打印。另外，为了减少VI服务器的负担和网络数据传输，对数据的分析功能也可以由客户端完成。
（2）VI服务器端
VI服务器端完成对客户信息进行处理和任务分配功能。即VI服务器从客户端接收请求信息，并对信息进行处理，并进行根据信息处理结果进行任务分配。例如，采集数据过程中，VI服务器会将用户客户端的采集请求进行处理，将采集信息传递到数据采集设备客户端，由数据采集设备客户端根据采集数据的请求来控制测试仪器获取测试数据，并返回给VI服务器。
（3）数据库
数据库存放的信息包括：用户信息、设备信息、测试记录等。信息的更新由VI服务器完成。
（4）设备客户端
设备客户端用来连接VI服务器和测试仪器，分担VI服务器的管理任务，同时转发测试仪器的测试数据到VI服务器端。
3.4 系统网络软件设计
建成的网络化虚拟仪器主要实现设备管理、用户管理和测试资源管理。设计的重点在数据和控制服务器，首先从数据流程上对服务器的输入输出数据流进行了分析，客户端和服务器之间交换数据，由服务器输出命令数据至卫星控制器或直接控制仪器，卫星控制器或仪器将测试数据回传至服务器分析、处理回传至客户端。
3.4.1服务器要完成的功能
1） 处理客户端请求；
2） 仪表分配；
3） 仪表控制、数据采集与存储；
4） 实时控制端数据接收与存储；
5） 数据处理；
6） Web。
3.4.2根据服务器的功能需求为其模块设计
客户监听模块的完成等待客户连接，当有用户登录成功时，从线程池分配线程（调用客户请求处理模块）给新的用户，为其提供服务。
客户请求处理模块，即客户监听模块所分配的线程集合。客户端的请求在这里得到响应，该模块是整个服务器的核心模块。
测试仪器支持模块负责处理客户请求处理模块中对测试仪器的数据请求。得到该请求后测试仪器支持模块由操作测试硬件，并返回测试数据给客户请求处理模块的线程。
系统正常使用时，当用户客户端向VI服务器发出请求，客户请求处理模块首先查阅相关的客户端权限表，然后向测试仪器支持模块请求。测试仪器支持模块控制硬件，并读取测试数据，给客户请求处理模块对应的线程，该线程然后把数据给请求服务的用户客户端。
3.4.3服务器程序流程设计
1） 初始化服务器；
2）监听客户端连接；
3） 处理客户端请求线程；
4） 创建仪表控制管理线程。
网络化虚拟仪器面向的是多用户客户端和多设备客户端。即需要同时处理多个用户的请求，并且同时监控多个测试设备和仪器的使用。处理多个任务有两种方式：一是循环处理；二是并发处理。循环处理的方式占用资源少，但处理效率低。并发处理可以同时处理多个用户请求，响应速度快，执行效率高，但资源相对较大。
本测试系统要求能够快速响应多用户请求，并能够同时处理多设备仪表的监控，对实时性和可靠性要求都较高，因此采用并发处理的方式。VI服务器采用多线程机制来实现并发。
3.4.4 VI服务器中线程设计
初始化VI服务器的线程功能：
1）初始化系统；
2）打开DataSocket连接，等待客户连接；
3）运行用户界面，等待用户操作。
建立Datasocket连接时打开两个指向datasocket的连接。通过DataSocket Read读取UserInfo.资源中的用户名和密码判断是否是合法用户，若为非法客户则通知客户端将客户连接断开，否则打开一对DS连接，用于和用户客户端通信，接收客户的服务请求数据，并进一步判断发来的服务请求类型。针对不同的服务请求，进行相应的处理。
4 结束语
合理的设计和实现基于网络化虚拟仪器的通信测试网络可以大大提高测控站现有测控站天线和射频链路设备及仪器仪表的利用率，并可为其它地点的天线和射频链路及仪器仪表的综合利用提供有效的技术支持。
参考文献
[1] 王利娟.基于LabVIEW的网络化虚拟仪器测试系统的设计与开发.内蒙古农业大学，硕士学位论文.
[2] Robert Helsel.HP VEE可视化编程.清华大学出版社，1999.
[3] 季一木，康家邦，潘俏羽等.一种云计算安全模型与架构设计研究.信息网络安全，2012.（6）.
[4] 孙志丹，邹哲峰，刘鹏.基于云计算技术的信息安全试验系统设计与实现.信息网络安全，2012.（12）.
第12篇
关键词：数据采集，波形发生器，DMA，工业控制
0 引言
某发射机构作为导弹武器系统的重要发射控制部件，其性能的好坏直接影响武器系统的总体战术指标。因此发射机构在研制过程中和投入生产后需进行严格的测试，进行常温测试、高低温测试和交付试验等，检测发射机构在常温及高低温状态下的性能。论文写作。通过测试，暴露出发射机构各分组件、部件、分部件及有关元器件的制造缺陷，可及早将这些问题予以排除，提高发射机构工作的可靠性，以完成产品的调试生产、质量控制、验收交付等任务。
1 问题的提出
发射机构测试系统是根据生产任务要求研发的，原有测试软件是用C语言在DOS下开发的，界面简单，操作复杂。随着计算机硬件的升级，WindowsXP已经成为主流的操作系统，研制在Windowsxp新的测试软件是非常必要的。
2 策划
2.1硬件设计
本测试系统主要由工艺发射机构产品、信号处理电路、数据采集板卡、工控机以及软件平台等组成。发射机构的一些数据被数据采集板卡测得；各项状态则通过信号处理电路进行调理后，引入工控机；软件系统根据测试要求输出控制信号，经过处理电路后来实现对产品的控制。工控机内装有研华公司的PCI-1710卡和PCI-1721用来控制产品状态和读取测试数据，系统结构如图1所示：
图1 发射机构测试系统硬件框架
2.2 系统的软件设计
发射机构测试系统的软件采用NI公司的LabWindows/CVI进行设计开发。该软件是面向计算机测控领域虚拟仪器软件开放平台，是以ANSI C为核心的交互式虚拟仪器开发环境，将功能强大的C语言和测控技术有机结合，具有灵活编程方法和丰富的函数库，为开发人员建立检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等提供了理想的软件开发环境，是实现虚拟仪器及网络化仪器的快速途径。
为了提高测试模型组合的灵活性和通用性，采用模块化设计的原则，将测试系统分为数个模块。本测试系统软件功能的结构框图如图2所示。
图2 软件系统结构框图
系统状态控制模块可进行测试系统自检状态和测试状态的转换；
状态监控模块可监控发射机构的供电、开锁，切除等状态并显示到面板的指示灯；
发射机构状态控制模块可通过测控电路控制发射机构各种测试状态；
板卡控制模块可对PCI－1710和PCI－1721板卡进行控制和测试数据的采样；
功能测试模块可对发射机构的各个测试项目进行测试并记录测试结果；
数据记录模块可将测试数据导入到EXCEL电子表格并可打印输出；
3 实施方案
3.1 硬件设计方案：在测试系统中，除了要处理模拟量输入、输出信号外，还要处理开关量和脉冲量信息，以便及时反映开关量状态并执行监视、控制的功能。硬件中采用光电隔离技术，使用光电隔离不仅可以使计算机的控制输出通道与被控负载之间在电气上完全隔离而达到良好的抗电磁干扰技术指标，也使这些控制指令具备足够的功率驱动能力，进而可靠实现驱动继电器等部件的目的。
3.2 测控软件设计方案：测试软件主界面主要完成的功能是实现测控系统的功能选择和系统的测试数据管理，测试系统主界面如图3所示：
图3 测试系统软件主界面
从图中可以看出，用户界面是一个有机的界面系统。主要包括：
A. 测试信息区域，用于输入和显示本次测试的产品编号、操作者、检验员等信息。
B. 测试项目区域，配合快捷按键可测试中的各项参数，便于测试人员在测试过程中更加直观地观察测试过程。
C. 测试状态指示区域，用来指示发射机构的各个测试状态。
D. 测试过程消息区域，用来指示测试过程现在进行到那个步骤，并给出该测试步骤的状态信息。
E. 测试电压监视区域，主要在测试过程监测发射机构供电电压。
F. 测试信号波形指示区，在测试过程中显示测试信号的波形。
G.自动测试按钮，按下该按钮，可实现自动测试的功能。论文写作。
3.3 软件测试流程图如图4所示：
3.4 关键技术:
3.4.1信息信号和制导指令信号的模拟输出技术：
在本测试系统中，需要模拟导弹产生的信息信号和制导指令信号。测试软件采用DMA技术利用PCI－1721板卡产生各路波形信号。主要函数定义如下：
void SetMultiToOneBuffer(USHORTusEnabledChannel, int count)；
voidSetRealBuffer(float far *lpBuf, long num, LPSWAVE lpWave)；
voidUserThread()；
voidadInterruptEvent()；
voidadBufChangeEvent()；
voidadOverrunEvent()；
voidadTerminateEvent()；
voidMyFreeBuffer()；
int Inf_Out(intnum,long rate,float Magnitude0,float Magnitude1,float Magnitude2,floatMagnitude3)；
通过上述函数将需要产生的波形先存入缓冲区，在启动PCI－1721的DMA数据传送的功能启动线程，即可产生需要的各种信号波形。
3.4.2 测试系统要求实时监控产品的各项状态。
由于使用Timer定时器时所发送的定时消息受到消息队列和系统时钟频率等因素的影响，不能使得定时消息得到及时的响应和处理。同时，测试流程中需要进行一定的延时等待，因此，不能使用Timer定时器。在此，使用异步定时器控件来实现实时监控的问题。异步定时器通过加载驱动位于toolbox中的 asynctmr.fp来实现调用。与定时器控件相比，异步定时器控件由于使用独立线程，与程序主线程无关，能够提供可靠的定时精度，不会受到主载荷的影响。异步定时器的建立、删除和设置，分别通过调用函数 NewAsyncTimer()、DiscardAsyncTimer()和SetAsyncTimerAttribute()来实现。定时响应函数的声明为：IntCVICALLBACK MyTimerCallback (int reserved, int theTimerId, int event, void*callbackData,int eventData1,int eventData2);
在测试系统软件启动以后，建立一个定时器；然后设置定时器的定时时间和响应函数；在软件退出时，删除定时器；在定时响应函数中，调用板卡控制模块提供的读取数据函数，来实现实时状态监测的功能。论文写作。
2.效果和结论：
测试软件现已经过调试和严格的测试，运行良好，测试结果可靠，操作界面友好，使用方便，测试结果准确，测试过程简洁优化，大大提高自动化检测水平。该测试系统现已经过检验验收，达到交付的状态，完全满足了发射机构自动测试的需要。
参考文献
[1]NationalInstrumentCorporation.LabWindos/CVIUserManual[M].2005.
[2]孙晓云，郭立炜，孙会琴．基于LabWindows/CVI的虚拟仪器设计与应用[M]．北京：电子工业出版社，2005．
[3]张毅刚，乔立岩等．虚拟仪器软件开发环境LabWindows/CVI6.0编程指南[M]．北京：机械工业出版社，2002．
[4]周磊，滕克难，施建礼．基于LabWindows/CVI高精度定时[J].电子测量技术，2004，4：29-30．
[5]郭雅荫，杨世凤，王建新．LabWindows/CVI与PCI数据采集卡通讯技术研究[J]．电子测量技术，2007，30(5)：78-80．
第13篇
引言
紫外可见分光光度计是一种很重要的分析仪器，它经过长期的研究和不断改进，在物理学、化学、生物学、医学、材料学、环境科学等科学研究领域都有广泛而重要的应用。[1]在实验教学中，分光光度计占有重要地位。但是在实际的分光光度计的教学中，往往存在以下三个问题：第一，对于需要使用分光光度计这样操作复杂的实验仪器，学生仅看实验讲义文字的内容很难清晰地了解其操作过程。第二，在传统的植物生理学实验课堂上，往往都是一个教师辅导全班的几十个学生做实验，在课堂上演示分光光度计的使用受到空间的限制，教师可能需要重复讲解多次，这样大大增加了教师的劳动强度，也降低了课堂教学的效果以及学生的学习效率。第三，实验教学所采用的方法比较单一，学生在实验课中面对着分光光度计，不知从何下手，往往很被动，教师怎么说就怎么做。操作仪器就停留在不动脑的机械劳动阶段，达不到提高学生动手操作能力的目的。
这些问题严重制约了植物生理学实验教学正常进行。而采用虚拟技术改进教学和实验方法， 可以较好地解决这些问题， 提高教学质量。因此，根据现有技术条件和手段，引入Flash对分光光度计虚拟开发，以重现实验内容，形成虚拟教学方式。利用虚拟技术创造虚拟仪器，教学的视野将拓宽，教学空间从某一特定的物理空间延伸到虚拟的赛伯空间，教学资源的界限从少量有限伸展到大量无限，最终可以提高实验教学的效果，丰富教学手段和教学表现力。[2]
一、虚拟分光光度计的构成
虚拟分光光度计是利用计算机软件技术将实验的内容及过程在计算机屏幕上模拟出来，学生或者教师可利用网络平台或个人计算机随时随地虚拟仪器操作的全过程。所以它的基本构成包括计算机和虚拟仪器软件，而多媒体计算机是基础，虚拟软件是核心。因此虚拟分光光度计主要用Flash软件设计和制作，并利用Corledit、Photoshop等软件进行优化。Flash强大的交互功能和虚拟软件友好的人机界面，有利于发挥学生个人特长和培养学生共同解决问题的能力，增强学生对分光光度计的兴趣，降低了实验成本。而将开发的分光光度计软件放在学院网站上，学生凭学号登录学习，实现实验资源的共享以及有利于学生的交流探索。
根据植物生理学的实际，仪器虚拟的是VIS-723N型分光光度计，例如虚拟波长扫描和光度测量可用于叶绿体色素含量测定，虚拟定量分析可用于植物组织中可溶性糖含量的测定，虚拟时间扫描可用于愈创木酚法测定过氧化物酶活性等。
二、虚拟分光光度计的应用
1.学生课前预习的应用
对于植物生理学的实验课，实验课程比较紧凑，所以实验预习对于提高课堂效率是十分必要的。通过预习，学生可以对所要学习的实验有一个整体的感知，能理解简单的知识。但是分光光度计的操作要求高、功能多、仪器调试过程复杂，学生很难仅凭阅读实验讲义就能弄清仪器的操作方法和步骤。而让学生在实验前进入实验室了解实验仪器又受到实验经费、实验室开放时间的限制。所以在进行真实实验前，让学生在虚拟实验中进行演练，可以增大预习效果。对实验目的、操作步骤、实验过程及结果有了一定的了解后，再进行实际操作，学生可做到心中有数，实验的目的性更明确，对一些关键的细节和易出现的问题，已经有所准备，也有利于在实验课上腾出更多的时间进行创新尝试。例如在进行波长扫描叶绿体时，学生可根据不同浓度的叶绿体进行扫描，找出最合适的浓度。如果学生操作错误，虚拟仪器除了能像真实仪器发出错误警告外，还能列出相应的提示反馈，方便学生的操作。
2.实验课演示的应用
植物生理学实验课程教学，重点是培养学生的动手操作能力，所以在每个实验前先由实验教师对实验原理和步骤进行详细的讲解，然后学生按照教师讲解的实验步骤完成一些验证性的实验操作。而对于需要用到分光光度计的实验，教师讲解清楚有一定的难度，这时可以利用虚拟分光光度计来进行演示。演示示范具有直观性和过程性的特点，通过动态的演示，学生能一目了然知道实验的操作步骤，掌握相应的技能，并且得到理论结果。演示分光光度计的过程由教师进行操作，教师按照一定的程序演示，有助于学生对仪器的使用原理、操作规则、操作步骤的记忆。教师还可以针对在现实实验中比较容易出错的操作、操作仪器的注意事项或者对实验结果有帮助的细节在演示的过程中给予说明。通过演示仪器，培养学生观察、分析和解决问题的能力。
3.个别指导的应用
有些学生对实验课上部分内容还没完全理解或者因为操作错误而导致实验失败，但由于分光光度计价格昂贵，很多学校都没有给学生提供开放的实验室，这样学生的学习就不能得到较好的反馈。因此在书写实验报告时往往就会抄袭他人的实验结果，学生就没有真正掌握实验的操作要领。利用学院网站虚拟分光光度计软件，学生可以观察实验现象、理解实验原理和实验结果，熟记实验的操作步骤，甚至能在网站留言，方便同学之间交流和教师的指导，从而培养学生发现问题、解决问题的能力，也有利于教师对自己的教学进行反思以及分析。虚拟仪器软件配套相应的练习，学生可以根据自己所掌握知识的薄弱环节进行操作巩固。这样针对不同的学生的学习特点和情况，具体问题具体分析，实现因材施教，使其能达到最佳的学习效果。
4.综合实验的应用
毕业论文、课外科研、设计性综合实验在实验进行过程或结果的测定方面都有可能用到分光光度计。但学生如果没有经常使用，很快就忘了如何操作，使实验无法进行。因此，学生可先利用虚拟仪器复习操作过程，再进行真实实验。虚拟仪器是按照真实的操作步骤进行设置的，操作简便，不用担心会损坏仪器，能帮助学生快速掌握正确的仪器操作程序。由于综合实验大多是探究性实验，所以在虚拟实验中，学生可以通过各种尝试，了解各种错误的实验操作，分析错误的原因，在真实的实验中避免错误操作的发生。并且能够结合虚拟实验自主探究，在真实实验中实现更好的探索。
三、虚拟分光光度计的应用价值
1.丰富教学手段
虚拟分光光度计仪器改变了传统单一的教学方法，通过虚拟实验教学，教师可以随时进行实验演示和分析，将有关 理论教学和实验教学有机地结合起来，改变了以往“纸上谈兵”的教学模式。而学生也可以改变学习方式，学习不再受实验室的限制，自主地选择自己所需的操作内容，实现了学生为主体的学习方式。
2.节约实验成本
分光光度计价格昂贵，维修成本大，学生的不规范操作容易导致机器的损坏。用虚拟技术，不用担心会损坏机器，能对学生进行规范操作训练，减少机器的损伤程度，也没有原材料的消耗，大大节约了植物生理学实验的成本。
3.激发学生学习兴趣
高校实验室的开放程度还不够，学生对分光光度计仪器设备、实验内容等不是很清楚，因此兴趣不是很大。利用虚拟分光光度计可以激发学习动机，增强学习兴趣。多媒体技术将文本、图形、图像、动画、音效等呈现在学生面前， 能激起学生更大的学习兴趣。而学生在虚拟仪器上多次练习进行操作训练，可大大提高实际操作效果。
结束语
利用虚拟现实技术有效辅助实验教学，通过虚拟训练，加强了学生的基本实验技能，通过真实实验又进一步培养了实际动手能力。一方面减轻了实验室管理的负担以及教师上课的劳动强度；另一方面，也给学生提供了更广阔的空间，激发了学生的学习兴趣，提高了学生解决实际问题的能力，取得了令人满意的效果。虽然虚拟实验仪器在实验教学中扮演着重要的角色，但是虚与实毕竟是两种不同的形态。无论虚拟实验多么“真实”，它都不取代不了真实实验。对于生物科学的学生，实验技能也非常重要，因此实践动手能力的培养是教师教学的重要任务之一，而动手能力单靠仿真模拟实验是练不出来的。[3] 模拟操作只是一个辅助的工具，认知过程必须有一个从模拟到实物的过程，否则将永远停留在一个虚构的过程中，不能真正地认识事物的本质。虚拟实验仪器的最终目标不是让学生掌握虚拟状态的实验技能，而是更好地掌握真实情境下的实验技能。所以掌握实际实验技能才是根本之所在。真实实验和虚拟实验都是实验中的重要组成部分，二者相互结合、相互促进。利用并发挥两者的优势，才能更好地为实验服务。
参考文献：
[1]尹扬岚.新型紫外可见分光光度计光源光学系统的研究与设计[D].厦门：厦门大学，2008.
第14篇
【关键词】远程教育；现代教育；虚拟实验室；虚拟实验；Web
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097 (2009) 02―0124―04
引言
随着时代的发展，远程教育已成为传统教育的重要补充。远程教育的发展经历了广播教学、电视教学和网络教学三个阶段，其中以网络教学最能代表未来远程教育的发展方向。其不受地域控制、学生自主学习及复习、师生自由交流等优良教学效果使其成为现代教育理念中举足轻重的一部分。远程教育虽然在理论教育方面取得了一定成效，但实践环节的开展却成为制约远程教育进一步发展的关键因素。众所周知：实验是教学活动中必不可少的环节，很多科目都是以实验课程为基础的，尤其是一些实践性较强的学科，例如编程语言、数据库应用、物理、化学、工程类等。实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题能力是至关重要的，学生的大部分实践能力都是通过实验得到的。而远程教育是基于网络的，某些只需要软件环境的实验可以顺利通过本地机器开展，而那些需要硬件设备的实验的开展就受到限制如：实验环境不具备、实验器材位置固定、实验无法由实验者独自开展等，使得学生的实践机会缺乏，阻碍了学生动手能力的提高，也制约了远程教育的进一步发展。
由于虚拟仪器技术和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能，网上虚拟实验室的建设已成为高校教学改革的重要方向。基于Web的虚拟实验室构建成本低，且能够为学生提供生动、逼真的实验环境，通过网络连接，学生可以“进入”虚拟实验室，能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演实验者角色，能够“真实”地去操作实验仪器，进行具体实验[1]。这对于解决远程教育的硬件实验瓶颈、对于调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极的作用。由此可知，虚拟实验室的出现，不仅极大地弥补了远程教育模式的局限和不足，还使得远程教育的方式方法更趋完善，成为教育发展史上的又一个里程碑[2]。
众所周知，在油田技能培训中，钻井技术人员需要系统地学习钻井工程的基础理论并练习相关实践知识，而由于油田工作时间、空间及地域的限制，他们的学习主要通过远程网络教学来进行，但是在现场开设和进行钻井工艺实验存在一定的局限性：真实钻井设备昂贵，直接操作危险性大，对设备损耗大，实验一旦失败损失严重，不适合具体实验的开展，因此可以利用虚拟实验室为这些人员开设虚拟实验。本文以此为例，来研究基于Web的虚拟实验室的构建，并对其在远程实验教学中的应用进行分析。
一 虚拟实验室简介
虚拟实验室（Virtual Laboratory）的概念，由美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）的威廉•沃尔夫（William Wolf）教授于1989年首先提出，它是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等，它描述了一个计算机化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化集成环境[3]。在这个环境里，用户可以非常有效地利用其中的数据、信息、仪器设备及人力等资源。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构想成的实验室。
而基于Web的虚拟实验室就是通过Internet创建出一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验仪器或对象[4]。通过鼠标的点击以及拖曳等交互性操作，位于网络服务器任何一个终端的学生都可以在虚拟实验室中进行虚拟的实验。它的基础是虚拟现实技术、网络技术与虚拟仪器技术的结合。利用该虚拟实验室学生可以通过网络亲自动手操作实验仪器，观察实验过程，分析实验结果。
二 基于Web的虚拟钻井实验室研究与实现
1 虚拟实验室系统的体系结构
通过网络，基于Web的虚拟实验室允许处于不同位置的学习者可以同时对同一个实验项目进行实验操作。与真实实验室相同的是，实验工具和实验技术是独立于各自领域的，不同之处在于虚拟实验室中操作的并非现实中存在的真实设备，而只是以软件仿真模拟的那些已存在或构想的设备；虚拟实验室需要针对不同的项目分别设计具体的实验环境，它还要求实验的参与者共享实验环境和实验规则。
本文所建立的实验室体系结构如图1所示，它采用浏览器/服务器结构。从该图可以看出，虚拟实验室主要包括Web浏览器、计算机网络（Internet）、Web服务器、实验处理系统和信息数据库几个部分。
客户端浏览器是学习人员的实验平台，任何远程教育网络终端实验者通过它都可以方便地进入虚拟实验室，并根据需要进入不同的实验项目，就像根据不同的实验内容进入不同的真实实验室一样。在使用中，实验者可以在线浏览、在线仿真、在线控制、在线交流。
信息数据库包括实验大纲、实验计划、实验原理、实验内容、实验步骤、实验重点提示及其他的一些相关教学资料；虚拟仪器数据库包含了实验者可以使用及操纵的全部虚拟仪器；三维场景数据库由实验环境及相关的纹理、材质、声音等构成。实验集成系统、场景调度系统和仪器调度系统紧密结合，协调工作。
实验集成系统根据客户端用户的操作请求，在实验过程数学模型的控制下进行数学计算，将计算结果分别传递给场景调度系统和仪器调度系统，调度场景数据库和虚拟仪器数据库对实验场景进行刷新显示并通过网络传递给远程学习者。
该系统存放在网络服务器上，只要实验者安装Internet浏览器，就可以根据具体的实验项目对虚拟实验场景和虚拟仪器进行远程浏览及交互操作。
2 虚拟实验室的系统功能流程
基于Web的虚拟钻井实验室建设是一个系统工程，其目的是为了满足网络终端的任一实验者可以随时随地进入实验室进行各种实验、观察实验结果、分析实验数据等。为了更加优化地设计该系统，可以按照实验室功能及实验流程将系统化分为若干子系统，通过实现各个子系统的功能来构建整个实验室的全部功能。
根据功能可以将系统划分为实验操作系统、实验模拟系统、数据分析系统、网络服务系统、实验结果显示系统、实验数据存储系统等子系统，如图2所示。下面以该虚拟实验室中的高压水力喷射破岩实验为例来对各部分功能进行简要描述：
该课程的某一远程用户在某网络终端打开虚拟实验室即实验操作系统主页面，进行用户登录以后（用于区别教师用户和学生用户，此处特指学生用户），首先可以浏览该主页基本功能，主页面对该虚拟实验室可提供的所有实验进行了概述，通过它可以了解整个实验室的构造情况，并可以获取一些实验基础知识。用户在选择了该项实验后，进入该实验项目的专有页面，首先用鼠标点击页面左侧上方的岩芯选项，在一系列岩芯模型中选择用户想要的岩芯，选择后岩芯模型栏会自动收起，并在页面左侧上方显示岩芯模型及其规格参数；然后在页面左侧中间的文本框中输入高压水力破岩的水力速度，以m/h为单位；从而进入实验页面。
用户在进行以上操作的同时，网络服务系统将这一系列信息传输到实验模拟系统及数据分析系统。实验模拟系统根据用户的操作信息调出该实验项目所需的实验场景和仪器。数据分析系统将传输来的数据信息进行分析后传输到实验模拟系统，这些数据信息主要在实验进行中控制实验仪器的运动速度及状态。
实验模拟系统在接到分析好的数据信息后，通过网络服务系统反馈给实验操作系统，实验操作系统提示用户实验准备就绪，用户点击实验场景中的控制箱开始按钮，实验模拟系统接收到网络服务系统传输来的信号后，开始具体的实验操作。此时，该实验操作过程通过网络服务系统传输到结果显示系统，将模拟过程中水力的冲击现象、岩芯变化情况、仪表数据信息一一显示给用户。
实验过程完成后，用户通过鼠标点击结束实验，结果显示系统将岩芯的破损现象显示给用户，其破损程度数值则通过网络服务系统传输给数据分析系统，数据分析系统在分析数据是否属于有效范围的同时传输一份给数据存储系统进行数据存储（方便用户以后调用并查看此次的实验结果），最后，数据分析系统将原始数据及分析结果以数据或图表的形式通过网络服务系统传输给结果显示系统，以便用户分析此次实验的实验结果。
3 虚拟实验室的技术实现
（1） 建立三维实体模型
针对虚拟实验室中的每一个实验项目来分析实验场景及所包含的实验仪器，确定实体模型，然后使用三维建模软件建立场景和仪器的三维实体模型。虚拟实验场景和虚拟仪器的三维实体模型一般包括非动态实体模型和动态实体模型两大类。非动态实体模型是指不参与交互和运动的静态实体模型（如实验桌、凳子等），动态实体模型是指具有运动属性和参与交互的各种实体模型。对于静态实体模型需要从形状和外观上对实体进行模拟，同时注意减低模型的复杂度。而对于动态实体模型，在建立三维实体模型的同时，要赋予其动态属性。
（2） 实验进行中的人机实时交互
对于网络终端的实验者来说，在实验项目中能够真实地操纵实验仪器和控制实验的开展是至关重要的。而该虚拟实验室正是通过人机交互技术实现了实验进行中人和实验环境及实验仪器的实时交互，主要包括：对实验室的漫游以及对实验仪器的操纵。
实验者在开展实验项目之前，需要对实验环境及实验仪器做一个总体的了解，这就需要实验者对实验环境进行漫游，通过对漫游方向和漫游速率的设置，实验者可以尽情浏览实验室的任何一个角落及了解实验仪器的具体构造。
在实验项目进行中，实验者需要借助相应的输入设备在虚拟场景中选择纵的仪器，对该仪器实施选择、平移、旋转、缩放等基本，并可以操纵整个实验项目的实验流程，可以任意暂停重新开始，也可以一直进展到实验结束从而观察最终实验结果。
（3） 虚拟实验室的集成及网络
由于实验场景和实验仪器是单独构建的，并且一个实验仪器有可能在多个实验项目中出现，这就需要对虚拟实验室进行集成。集成主要是根据实验项目将设计好的虚拟实验场景和该项目所需要的实验仪器集成到一个固定的虚拟场所中（比如实验台、实验教室等），同时辅以各种其它的媒体素材进行编辑合成（如声音），以完善和美化实验室环境，使实验室界面更加友好，更受到实验者的欢迎。
为了将集成好的实验室公开给远程学习者使用，则需要对实验室进行网络。后虚拟实验室才能实现远程使用、共享合作、虚拟实验等功能。
以本文所实现的系统为例，其中两个实验项目集成及后的场景如图3、图4所示。
三 基于Web的虚拟实验室在远程教育中的应用分析
基于Web的虚拟实验室为远程网络终端的学生提供了一个完整的虚拟实验环境。它在实验的本体逼真性和应用普遍性，以及在给予实验者现场实时感受和实验效果等方面有着良好的效果，它可以让实验者有更加逼真的感觉，让实验者感觉到自己似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场实验操作。它的几项主要功能决定了将其应用于远程教育具有绝对的优势。
1 综合管理功能
虚拟实验室将所有虚拟场景、虚拟仪器，甚至网络终端的多个实验者集成于一个系统中，使用标准的统一命令来实现功能服务；虚拟实验室可以对虚拟仪器和虚拟实验进行管理，即能添加、修改和删除虚拟仪器和虚拟实验，以使虚拟实验室系统适应远程教学的实验变更要求。
2 资源共享及互动操作功能
建立虚拟实验室的宗旨之一就是为了做到资源共享。实验者可以共享实验数据、实验设备、实验环境等相关资源，该特性能够减少重复投资，可以大大节约投资成本。而虚拟实验室一旦开放，即具有互动性，远程用户可以操作本地实验室，同时用户之间可以交流信息，如在Java Applet界面中包含有接收对话框和发送对话框。
3 实验功能
这是虚拟实验室的核心功能。每一个典型的虚拟实验在结构上主要包括：实验环境、实验仪器设备、实验目的、实验原理和实验内容步骤几部分。远程学习者可以很方便地了解实验过程中所用到的各类虚拟仪器的功能及使用方法，也可以很方便地查看实验的主要目的、实验的内容、实验进行时的要求、注意事项等，如果没有透彻地理解实验流程，实验者还可以方便地获取实验实施的具体步骤。
4 扩展功能
跟随教学内容的改动，实验内容也必将产生变化，则虚拟实验室的实验项目需要及时扩充、缩减或修改，服务功能也要随时增删或修改。而实验室本身所具备的综合管理、资源共享等特点，给改变实验项目、实验内容等提供了低消耗的快速的可扩展特性。
5 安全机制
安全性是开放的、透明的、资源共享的远程合作环境所必需的保障条件，虚拟实验室必须采取必要的措施和技术手段维护系统软件和用户知识产权的安全。具有安全措施的虚拟实验室，系统能够做到拒绝非法访问者进入虚拟实验室，也可以将合法访问者的不当操作及时中止。例如采用登录机制，用户若要进入虚拟实验室，首先必须登录，以核对用户是否有使用权限。这样一方面可以阻止非法用户的入侵；另一方面可针对不同的用户，赋予不同的使用权限。例如：教师用户可以将自己创建的虚拟实验上传到服务器端，以充实虚拟实验室的内容。而学生用户则无此权限。
由以上五个方面可知可知，虚拟实验室给远程实验教学带来了无法言喻的优势，决定了它在远程教育中有着良好的应用前景。
四 结论
将虚拟实验室应用于远程教育对探索和发展现代教育理念、提高教育技术水平、改善实验环境、优化教学过程、培养远程学习者的动手能力等产生深远的影响，同时有助于解决远程教学无基于具体仪器的实践、远程教学培养的学生动手能力差等问题。虚拟实验室系统的开发及投入使用，为远程实验教学注入了活力，突破了实验室时间、空间、地域的限制，实现了以学生为主体、多方向、全方位的远程教育，取得了显著的教学成果。
参考文献
[1] K. Curran, “An online collaboration environment,” [J]. Education and information technologies, vol. 7. no. 2, pp. 41-53, November 2004.
[2] 李亚绿,郝应光,唐祯安.”远程教育与虚拟实验室” [J].自然杂志,2001,3:157.
第15篇
Abstract: According to monitoring of diesel engine ,utilizing DAQ hardware of NI USB-6009 and software of LabVIEW, a data acquisition system is designed by virtual instruments technology, the structure and functions of the system are introduced. It is proved that this system is feasible and has better performance on data display, preservation and reading through some experiments. Otherwise, it has better expansibility and prevalent usability.
关键词: 虚拟仪器;数据采集;监控;LabVIEW
Key words: virtual instruments;data acquisition;monitoring;LabVIEW
中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)23-0134-02
0引言
近年来,随着自动控制与计算机控制的快速发展,针对机舱自动化系统的研究正向着数字化、智能化、模块化的方向发展。[1]不管其采用何种监控系统、监控手段和监控方法,对监控对象的运行数据进行采集和处理是整个监控系统的基础与前提,而数据采集量,数据采集及时性与精度直接影响监控系统对设备监控的正确性与精确性。
虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程技术,代表了测量仪器与自动测试系统的未来发展方向。采用虚拟仪器技术构建的数据采集系统,不仅可以对系统进行灵活的设计,而且系统由计算机控制,使数据采集的质量和效率大为提高,同时,随着电路集成度的提高,数据采集系统的体积越来越小,可靠性越来越高,扩大了数据采集系统的适应范围,便于实现动态测量,能满足精确控制的要求。[2]
1系统的组成
柴油机运行的监控参数主要有转速,滑油压力和温度,冷却水温度和排烟温度。因此测量的信号有4~20mA直流电流信号,0~5V、0~10V直流电压信号和正弦信号。[3]这就要求所选择的数据采集卡具有同时采集以上三种信号的能力,软件系统能同时调理分析的能力。
1.1 系统硬件选择针对系统要求,采用NI公司的NI USB-6009 DAQ卡为数据采集硬件。该数据采集卡由多路选择开关MUX、程控放大器PGA、模数转换器ADC、输入暂存器AI FIFO共四个单元组成。[2]
该采集卡有8个模拟输入通道AI0~AI7,差分模式下为4个输入通道,AI0+~AI0-、AI1+~AI1-、AI2+~AI2-、AI3+~AI3-。在差分模式下可输入负值的信号。
1.2 系统软件选择为了与硬件设备相兼容,软件选择NI公司的LabVIEW。LabVIEW不仅提供了一个非常直观的编程环境,还是一种用于测量和自动化的特定应用程序开发环境;其用于测量和自动化应用程序的能力与通用编程的能力相互增强和拓展,成为测试测量和控制行业的标准软件平台。[4]
2信号采集及滤波设计
2.1 信号采集柴油机运行时,传感器测量的信号分为两种:直流信号和交流信号。而直流信号又包括4~20mA的电流信号和0~5V、0~10V的电压信号,因数据采集卡采集的是电压信号,故采集直流电流信号之前要将电流信号转换成电压信号。因为NI USB-6009 DAQ卡的采集量程为0~10V,系统采用较为经济和实用的调理电路,即将每路得电流信号串连一个精度为±0.1%的500Ω的电阻,将4~20mA的电流信号转化为2~10V的电压信号,输入连接图如图1所示。
交流信号只有柴油机的转速测量信号,需要测量其频率,因为交流信号有正负之分,需采用差分接线模式,使得数据采集卡的采集量程为±10V,满足测量要求其信号线连接采集卡的AI3+和AI3-两个接线口。
2.2 信号滤波设计信号采集滤波程序如图2所示,交流信号因为要测量其频率,滤波系统采用二阶带通的Butterworth滤波系统,带通范围由转速信号的最低频率和最高频率确定,并通过单频测量程序来获取正弦信号的频率信息。直流信号的滤波主要是排除高频的噪声信号的干扰,因此采用二阶低通的Butterworth滤波系统,截止频率定为30Hz,取其均方根值作为测量值。
3数据显示与保存读取
3.1 数据即时显示图3为数据即时显示的程序框图与前面板显示图。这个程序每隔一秒从输入信号中提取测量数据进行显示,公式节点的作用是根据传感器输出值与柴油机运行数据的关系将测量值转换为柴油机的运行数据,并将数据测量值与报警参数值进行比较,若出现报警情况时输出报警信号,报警指示灯亮。
3.2 数据定时储存图4为数据定时储存系统程序框图。这个程序分为定时器模块和数据储存模块,定时器模块每到用户设定的时间间隔(分钟)就输出一个TRUE值,用来触发数据储存模块。[5]由于信号的更新间隔为1秒钟,为了避免运行数据的重复记录,增加一个秒触发,与定时器一起作用,使得在记录时间(分钟)的第0秒触发数据储存模块,进行数据储存。
数据储存模块除了储存以外还有同步显示功能,通过创建表格使每次的输入数据在表格中依次显示,便于实时观察分析。
3.3 报警数据自动储存图5为报警数据自动储存系统程序框图。这个程序分为报警触发、定时扫描和数据储存三个模块:报警触发模块的功能是当其中一个或多个信号值出现报警时,在输出一个TURE值的同时输出该报警数据值,而未报警的信号则输出“0”值;定时扫描模块控制报警触发模块输出TURE值的时机,本程序中对于转速和滑油压力信号,每十秒允许报警触发模块输出TURE值,对于滑油温度等其他信号,每分钟允许报警触发模块输出TURE值;在按下报警数据储存键后,数据储存模块可以连续的对报警数据进行储存。
3.4 数据读取图6为数据读取程序框图。用来读取柴油机的历史运行数据记录文件,文件读取后首先通过表格控件进行显示。另外可以对文件中的任意两个运行数据用波形图同时进行显示,可以直观的观察运行数据的变化曲线,分析其相互之间的关系。
4结论
本系统针对某型柴油机进行了数据采集处理试验,图7为整个数据采集处理系统的前面板设计,上面的数据为试验采集数据,表格中为同步显示记录数据,波形图中的曲线为柴油机运行的数据变化曲线图。
通过试验证明了该系统的可行性,而且具有比传统系统更灵活和实用的操作手段,为柴油机监控系统的整个程序设计奠定了基础。
5结束语
本系统采用NI USB-6009 DAQ卡,安装、携带方便,可扩展性好,在一些电磁干扰较强的测试现场,可以专门对其进行电磁屏蔽,避免采集的数据失真。采用LabVIEW可视化编程,其程序可以在任何装有LabVIEW软件的PC机上使用,具有很强的通用性。
参考文献:
[1]赵继权.舰船机舱自动化系统设计与研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文,2002.
[2]陆绮荣等.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M].电子工业出版社,2006.
[3]高火荣,王一春.机舱模拟信号通用采集板的设计[J].江苏船舶,2008,(10).
