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虚拟仪器技术论文范文

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虚拟仪器技术论文

第1篇

关键词:虚拟仪器技术;学导式教学法;教学改革

虚拟仪器技术是电气工程、自动化、计算机应用等领域的一项新兴技术,目前已经得到了广泛应用,并正在快速发展之中。为了帮助学生掌握这一新兴技术,现阶段国内高校理工科学校以及部分医学院校都普遍开设了相关的课程。从2010年开始,空军工程大学将虚拟仪器技术相关知识纳入到了课程知识体系中,并从2012年开始,单独开设“虚拟仪器技术及应用”课程。根据人才培养方案,学校将“虚拟仪器技术及应用”课程定位为一门各专业通用专业基础课、工具课,一般在三年级下学期或四年级上学期开设。经过前面基础课程的学习,此时的学生对专业方向有了较为深入的了解,并具备基本的专业知识,教学效果应该不错。然而,我们在课程教学过程中却发现教学效果并没有达到预期目标。通过与学生的深入沟通,我们认为其原因主要有以下几方面。第一,学生对课程学习目的不明确,没有认识到所学知识对培养职业能力的重要作用。第二,学习内容偏向软件知识,对硬件系统搭设重视不够或者有意回避。第三,教学形式上,仅有部分学生能主动参与到教学活动中,学习积极性没有得到充分调动。第四,由于学时限制,要求在短时间内系统地传授知识,加之没有区别不同的教学目标,造成部分学生在面对大量新知识时无从下手,甚至畏难放弃。以上问题直接影响到学生对虚拟仪器技术的掌握,影响到教学目标的实现,有必要及时解决。通过进一步讨论分析,参考其他课程的改革经验[1-4],我们认为解决上述问题的关键在于对教学活动进行改革,激发学生的内动力,提高学生学习兴趣。为此,在教学过程中,我们根据课堂教学及实践教学两大环节特点,对教学组织及教学内容进行了一些改革,引入了新的教学方法,改革了课程教学内容,重新设计了实践教学的组织形式,通过多种手段,锻炼学生的实践动手能力,培养学生分析问题和解决问题的能力,养成自主学习习惯,从而全面提高学生的综合素质。通过本文所介绍的方法,学生的学习积极性得到了明显提高,学习效果得到了显著提升,效果显著。

一、引入新的教学方法

根据“虚拟仪器技术及应用”课程特点,参考其他课程的实践经验,我们引入了“学导式”教学法[5-6]。将整个课程教学分为课前预备、学生自学、集中解惑以及演练交流等环节,通过各环节之间的有机配合,构成了课程教学闭环。根据各环节的任务及特点,分别明确了教师、学生在不同环节中的主体地位、任务以及教与学的方法。具体有以下一些体会。第一,牢固树立以学生为教学主体的理念,并在整个教学活动中坚持;在教学准备中应该从学生的实际学习情况入手,进行精心准备,在教学过程中应充分发挥学生自身作用,帮助他们实现自我完善、自我突破。第二,在教学准备过程中,教师除了完成常规的课程内容准备外,还要进行资料文献收集整理、自主实验组织、学生大作业辅导检查等其他工作,教师的工作量会有较大的增加。第三,采用学导式教学法对教师的能力素质提出了较高的要求,由于绝大部分的教学时间都是以学生为主导,教师无法开展预先准备,这就要求教师的基本功扎实,对相关领域的知识掌握充分,具备驾驭课程教学的能力。

二、革新教学内容及目标要求

作为一门正在快速发展之中的新兴技术,虚拟仪器技术的教学内容对于学生来说比较新颖,在短时间内系统学习具有一定的难度。此外,作为一门工具课,如果只单纯介绍虚拟仪器技术本身知识,可能会造成学生为了学习而学习,降低学生学习的主观能动性,不利于培养学生的专业能力。为此,必须对课件教学内容进行革新以适应学生学习需求。主要做法包含以下几个方面。

(一)注重课程间的联系

帮助学生理解虚拟仪器技术在其他课程中的应用以及对于培养专业能力中的作用,及早建立较为全面的专业知识框架。在教学过程中加强对虚拟仪器新技术、新系统、新应用的介绍,加强对日常生活中的应用的介绍,提高学生对虚拟仪器技术的感性认识,激发学生学习兴趣。此外,还注意加强对虚拟仪器技术在任职岗位中应用的介绍,使学生提早了解在今后岗位中虚拟仪器技术的应用情况,帮助学生迅速明确学习目的,提高学习内动力。

(二)设置多层次的课程学习要求

将课程学习目标分别设置为:初级:具备基础虚拟仪器编程能力,会读虚拟仪器程序,理解程序所实现的功能以及系统实现思路;中级:会利用虚拟仪器技术实现软件或硬件功能模块,理解系统设计目标,会具备根据系统目标自主完成模块设计、模块调试、模块交付等工作;高级:会根据任务进行系统整体设计,相对自主进行系统设计、任务分工、系统集成等工作。在教学实践中,学生的选择出现了较为明显的纺锤形分布,即大多数学生选择第二级目标,其他两种目标选择的人较少,说明大多数学生对自己有准确的定位。通过设置上述三个层次的目标允许学生根据自己的整体目标为本门课程的学习设置不同层级的学习目标,根据学生的不同特点,分别为每种层次规定了明确的教学内容以及能力目标,使每一个学生都能找到适合自己的学习目标,避免了由于设定不切实际的学习目标而导致的学习兴趣不高的问题。

(三)构架模块化教学内容体系

按照教学内容之间的相互联系,将内容分为软件、硬件两大部分。在软件部分,设置了程序结构、数据操作、文件操作、图形展示、数据通信等知识模块;在硬件部分,设置了仪器控制、数据采集、硬件系统调试等知识模块。按照学生的认知规律,由易及难,从局部到整体。在教学过程中既强调知识模块之间的相互关联,又注意知识模块之间的相互独立,适当地对所用的其他模块知识进行回顾,避免由于没有掌握一个知识模块而影响到整个课程的学习。

三、实践教学环节

第一,将课程实践条件建设放到学科专业条件建设的大局中。实践条件建设水平的高低,直接决定着本课程的教学效果。为了解决实践条件建设问题,我们积极参与学科专业条件建设工作,将虚拟仪器技术思想贯穿于实验室建设整个过程中,搭建了从信号源到数据分析的完整的实践链条。极大地改善了教学实践条件,激发了学生的学习兴趣。第二,针对学时数偏少的实际,将实践环节向实验室以外进行扩展。为了充分调动学生学习积极性,自觉将课外时间用于课程学习,我们自筹资金10万余元采购了便于学生使用的NIELVIS以及MyDAQ套件,配置了方便携带的标准信号源,使学生能够根据自己的时间灵活安排,做到随时随地开展课程实践活动。此外,对于一些价格便宜的器件,有意识地安排学生自行购买,培养学生器件选型能力,同时也促使他们珍惜实践机会,提高实践能力。对于教师来说,需要注意加强与学生的课后沟通,及时了解学生的实践学习情况,对一些共性问题在学生集中时及时讲解。第三,强调在实践环节中培养学生的自主学习能力。改革课程考核方法,将重点放到考核学生解决实际问题能力上。在学生具备虚拟仪器技术基本知识后,及时引导学生从日常学习、生活中寻找力所能及的、能够利用虚拟仪器技术加以解决的问题,以解决这些问题为目标,在教师的帮助之下,相对独立地完成形成研究小组、完成任务分工、制定解决方案、查阅相关资料、采购设备器材、搭建硬件系统、调试软件程序、展示研究成果等环节。在实践中锻炼学生解决实际问题的能力,培养自主学习习惯,品尝解决问题的快乐,激发学生学习的主动性。在“虚拟仪器技术及应用”课程教学过程中,我们引入了适合于教学内容及教学对象特点的教学方法;对课程内容进行了优化,设定了不同层级的教学目标;充实了实践环节重视培养学生的主动性、创造性。除了上述三个方面的举措之外,我们还采取了加强课程互动设计,改革了课程考核评价方式,充实了教辅资料等措施共同推进课程教学。为了验证教改效果,我们在两个教学期班共106名学生中进行了问卷调查。其中,有90%的学生认为课程教学目标符合学生实际,有86%的学生表示积极参与了课程学习,有82%的学生表示基本掌握了虚拟仪器技术。对比改革前的结果,均有较大幅度的提高,表明学生对教学改革措施普遍接受,学生学习内动力受到了激发,教学效果得到了显著提升。下一步,我们将认真总结课程教学活动的经验教训,进一步在教学方法、实践环节以及提高学习参与度等方面进行改革、实践,帮助学生更快更好地掌握专业知识。

作者:谢川 辛昕 倪世宏 单位:空军工程大学

参考文献:

[1]张水英.“通信原理”课程教学改革探索[J].电气电子教学学报,2003,(5).

[2]赵晴.考试方法改革的研究与实践[J].中山大学学报,2001,(1).

[3]黄伟,翟江辉.虚拟仪器技术在传感器实验教学中的应用[J].科技信息,2012,(31).

[4]刘晓旻,张晓芳,李苏贵.现代工程教育理念下的传感器课程教学改革[J].中国电力教育,2010,(18).

第2篇

一、虚拟仪器与运动控制

1.虚拟仪器与图形化编程语言-LabVIEW

虚拟仪器(即VirtualInstrument,简称NI)是一种基于计算机的仪器,就是在通用计算机上加上软件和(或)硬件,使得使用者在操作这台计算机时,就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个仪器系统的关键,任何一个使用者都可以通过修改软件的方法,很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模,所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的出现,彻底打破了传统仪器由厂家定义,用户无法改变的模式,虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户(而不是厂家)可以随心所欲地根据自己的需求,设计自己的仪器系统,满足多种多样的应用需求。

虚拟仪器系统是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用PC计算机强大的图形编程环境和在线帮助功能,结合相应的硬件,快速建立人机交互界面的虚拟仪器面板,完成对仪器或设备的控制、数据分析与显示,提高仪器的功能和使用效率,大幅度降低仪器的价格,使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能,方便地对其进行维护、扩展、升级等。

LabVIEW是美国NI公司利用虚拟仪器(virtualinstnlments)技术开发的32位,主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台。LabVIEW同时也是一一种功能强大的图形编程语言,但它与传统的文本编程语言(如c语言)不同,采用了一种基于流程图的图形化编程形式,因此也被称为G语言(graphicallanguage)。这种图形化的编程形式,方便了非软件专业的工程师快速编制程序。LabVIEW也不同于传统文本式的编程语言的顺序执行方式,而是采用了数据流的执行方式,这种方式要求程序仅在各节点已获得它的全部数据后才执行。

多任务并行处理一般是通过多线程技术来实现的,不同的任务实际上通过各自的线程轮流占用CPU时间片来达到“同时”处理的目的。LabVIEW也采用了多线程技术,而且与传统文本式的编程语言相比,有两大优点:LabVIEW把线程完全抽象出来,编程者不需对线程进行创建、撤销及同步等操作;LabVIEW使用图形化的数据流的执行方式,因此在调试程序时,可以非常直观地看到代码的并行运行状态,这使编程者很容易理解多任务的概念。

LabVIEW图形化编程语言有效地利用了当今图形用户接口的点击特性。编写程序只包含以下的一些简单步骤:

用鼠标选择仪器函数作为对象;

描述测试步骤和对象之间的关系;

建立初始条件。

2.运动控制

运动控制卡是一种基于PC机、用于各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元。它的出现主要是因为:

为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求;

在各种工业设备、国防装备(如跟踪定位系统等)、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中,急需一个运动控制模块的硬件平台;

PC机在各种工业现场的广泛应用,也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心,大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地,运动控制卡与PC机构成主从式控制结构:PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作(例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等);控制卡完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等)。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在相应系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点,成了控制系统的主要执行元件之一。步进电机的控制方法包括开环控制和闭环控制两种。

二、基于虚拟仪器的步进电机控制系统整体结构与原理

一般运动控制系统主要由五部分构成:被移动的机械设备、运动I/O的马达(伺服或步进)、马达驱动单元、智能运动控制器、以及编程/操作接口软件。

本系统的目标是利用笔者实验室已有美国国家仪器公司(NI)的NIPCI7354伺服/步进运动控制卡及其配套软件、NI7604伺服/步进驱动器及其配套软件、两相步进电机、LabVIEW软件、多轴精密电移台(负载)、PC机等构建一套步进电机运动控制系统,分别实现单轴、两轴、三轴和四轴的运动控制,要求系统具有数控系统的基本功能,能实现不同坐标系下的直线、圆弧插补、速度控制、电子传动等功能,以供实验教学应用。系统整体结构框图如图1示。

图1系统整体结构框图

1.NIPCI7354运动控制卡

NIPCI7354控制卡可同时控制包括交流和步进电机的4轴运动,能实现诸如点到点位置控制、速度控制、三维直线、圆弧、螺旋型和球形运动、电子传动、混合运动、回程和限位控制、Trigger输入和Breakpoint输出等功能。NIPCI7354的嵌入式固件是基于RT0S(实时操作系统)内核的,实时性强,通过简单易用的运动控制器、软件、以及外设提供集成方案的功能与能力,为一般伺服与步进应用提供精确、高性能的运动功能。该运动控制器可以使用支持Windows2000/NT/Me/xp操作系统的LabVIEW、MeasurementStudio(LabWindows/CVI、VisualBasic)以及C/C++进行编程。

NIPCI7354运动控制卡是高性能PCI步进/伺服控制器,可用于所有运动控制系统中,控制器采用先进的技术,在嵌入式实时运动或者以主机为中心的编程环境中提供混合运动轨迹控制和完全协同的圆形、线性、点到点、齿轮和空间矢量控制。其丰富的功能可以满足最为严格的要求。

NIPCI7354运动控制卡的主要特点:通过PCI总线与主机(上位机)通信;68芯VHDCI输出电缆;普通数字输出电压:0-32V;高电平3.5--30V,低电平0—2V;最大脉冲速率:100KHZ;运行电流:3-14mA;触发输出最大脉冲速率:1MHz;

2.运动控制软件

利用NILabVIEW图形化编程语言以及各种应用软件可以开发功能强大的运动控制程序,运动控制器配备NI-Motion驱动软件提供的LabVIEWVI、固件更新程序、DLL程序,可以利用其它开发工具(比如MeasurementStudio,LabWindowsCVI)或其它编程语言开发运动控制应用。NI运动助手(MotionAssistant)是一个采用LabVIEW代码生成方法的附加工具,运用该工具您只需进行极少编程甚至无需编程即可开发LabVIEW运动控制应用。

3.NI7604驱动器

NI7604驱动器将NI7354提供的四轴运动控制信号放大,以驱动两相步进电机运转,带动精密电移台运动。该驱动器将运动控制器与特定应用马达、编码器、限位器、用户I/O连接在一起。一根控制电缆连接运动控制器与驱动器,为全部的命令集与反馈信号提供一个通道。

NI7604的主要特点:输入电压:115V/23V,2/1A,60/50Hz;步进放大器:IM481H;每相电流:0.2—1.4A;电源连续输出容量:80W;输入电缆:68芯VHDCI型;输出电压:24VDC;+5V输出:1A。

4.运动控制外设

两相步进电机4台,四轴精密电移台一套,电移台是滚珠丝杠/螺母驱动结构。系统原理图如图2示。

三、系统工作原理

通过上位机(PC机)的数据终端设备设置步进电机的目标位置、加速度、速度和减速度(即发出运动控制任务),NIPCI7354运动控制卡根据设置信息控制电机的运动时间(输出脉冲个数)和方向,即控制卡完成实时运动规划,NI7604驱动器放大脉冲信号以驱动电机运转。

在电机运行过程中,控制脉冲的频率f应随时变化以满足电机低速起停及高速运行的需要。脉冲频率由发送数据的波特率(B)决定,每发出一个脉冲需用两个二进制位1和0来构成其高、低电平,所以f=B/2,通过调整发送数据的波特率可改变所发出的控制脉冲的频率。按常规波特率系列发送数据时所产生的控制脉冲频率变化较大,不能满足电机正常起停及调速的要求,为此计算机需按非标准的波特率发送数据以产生任意频率的控制脉冲。一般在电机起动及停止阶段每发送一个字节调整一次波特率,以使电机起停得尽量平滑。

四、软件研究与实现

在系统硬件环节构建完成后,先后逐步完成了单轴直线运动控制、两轴平面运动控制、三轴空间运动控制系统的软件研究与开发。

控制软件利用LabVIEW7这种虚拟仪器软件开发平台设计,每个程序分为前面板和框图程序两部分。前面板用于设置控制参数和显示控制过程及结果,框图程序是程序的代码。两轴平面螺旋运动前面板如图3示,两轴平面螺旋运动框图程序(局部)。

第3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4篇

关键词: 《虚拟仪器》 教学方法 考试方式

1.虚拟仪器

1986年美国国家仪器公司(National Instruments Corporation,NI)研发推出了图形化编程环境的开发平台——LabVIEW软件,并首先提出了虚拟仪器(Virtual Instruments,VI)的概念。作为以计算机软件为核心的新型仪器系统,虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点,通常被认为是第三代自动测试系统的同义语[1]。使用虚拟仪器系统可以避免仪器编程过程中的大量重复性劳动,从而大大缩短复杂程序的开发时间,并且客户可以用不同的模块构造自己的虚拟仪器系统。虚拟仪器技术经过二十多年的发展,如今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向发展。LabVIEW采用图形化编程方案,是非常实用的开发软件,它整合了诸如GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485及数据采集卡等硬件通信的全部功能,而且具有很强的分析处理能力。虚拟仪器的开发厂家为了扩大虚拟仪器的功能,在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面做了许多工作,建立了数据处理的高级分析库和开发工具库,使虚拟仪器发展成为组建得极为复杂的自动测量系统[2]。

随着PC、半导体和软件功能的进一步更新,虚拟仪器的功能和性能不断提高,如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备,接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性价比不断提高,虚拟仪器的价格更为大众化,用户不再受限于传统仪器的使用限制和昂贵价格,进一步降低了使用成本,减少了开发费用和系统的维护费用。此外,新型笔记本电脑把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展,它的功能和应用领域将不断增强和扩大。

2.虚拟仪器在教学中的应用

随着虚拟仪器系统的广泛应用,越来越多的教学部门开始用它建立教学系统,不仅大大节省开支,而且由于虚拟仪器系统具有灵活、可重用性强等优点,使得教学方法更灵活。教育的核心是素质教育,实施素质教育的重点是“培养学生的创新精神和实践能力”。随着高校扩招及学生实践动手要求的提高,出现了一些新的实验教学问题:(1)基于传统仪器实验教学的不足。当前大多数高校的实验教学仍然是基于传统仪器的教学方式,这种方式在一定程度上限制和阻碍了素质教育在实验教学中的实施,主要表现在如下几个方面:①学生需花费较多的时间组织、连接甚至搬动、更换仪器设备,一方面没有把实验课的时间完全用于实验能力的培养提高,另一方面增加了仪器设备的损坏机会;②实验基本上都是验证型实验,设计型、综合型实验少,需要学生发挥主观能动性的少;③由于实验设备的更新跟不上仪器工业的发展,实验教学与工程实际脱节。虚拟仪器在实验教学中的应用为解决这一问题提供了一条有效途径。(2)虚拟仪器技术在教学中的应用。虚拟仪器系统是测控技术和计算机技术相结合的产物,它是全新的仪器概念,打破了传统仪器的局限,在仪器的研究与制造中引起了一次重大的革新,是未来仪器产业发展的重要方向,目前在测试、控制等领域已被广泛应用[3]-[5]。虚拟仪器的特点主要在于其强大的数据分析与处理功能,并且,随着计算机硬件技术与接口技术的发展,虚拟仪器的实时数据采集与控制功能不断提升。一些高校对虚拟仪器在实验教学中的应用进行了开发,其中应用得较为广泛的有“ZK-3VIC型虚拟测试振动与控制多验装置”和“DRVI快速可重组虚拟仪器平台”等。不论哪种虚拟实验系统,归结起来,虚拟仪器应用于实验教学主要采用如下两种方式:一种方式是纯软件的虚拟仪器实验,如图1所示,即从信号的产生到信号的分析、处理和存储全音都由虚拟仪器进行仿真模拟,这种方式主要应用于理论验证性实验。

图1 虚拟实验方式之一

另一种方式的实验系统由“虚拟仪器+数据牙集卡+实测信号”组成,如图2所示。这种方式适用于操作性实验,对实验设备要求较高,除了PC机之外,还必须具备数据采集卡、实际被测对象和传感锹等。学生利用虚拟仪器平台构建扫频信号发生器、数据采集记录分析仪等虚拟书器,通过数据采集卡控制激振器和采集传感器的辅出信号,经过记录、分析,得出结论,完成实验。

图2 虚拟实验方式之二

3.虚拟仪器的教学方法

“虚拟仪器”作为一门应用技术课,其教学目标是要求学生了解虚拟仪器技术及其在各领域的应用,掌握虚拟仪器系统的基本构成及设计思想,学会系统软件开发工具LabVIEW,掌握虚拟仪器在测量仪器、过程控制、信号分析、远程控制等方面的应用技能,具有利用硬件设备快速构建研究、开发工作中需要的测试、实验系统的能力。虚拟仪器具有软件开发与硬件设计结合紧密、应用性强、涉及专业知识广等特点,采取合适的教学方法是完成课程教学任务、提高教学质量的重要途径[6]-[8]。

3.1课程内容的模块化设置。教学方法是针对教学内容制定的,教师要根据课程内容的特点采用不同的教学手段,将课程内容划分为三个模块:基础编程、应用开发、创新教学。基础编程模块:在介绍虚拟仪器的基本概念、构成和最新发展方向的基础上,把虚拟仪器前面板设计和程序框图设计、程序结构、图形显示、字符串与文件I/O、数据采集等作为教学的主要内容。应用开发模块:课程的主要内容从理论讲述转变为应用,以操作性、应用性项目为主,设计出测试、应用等一系列实验模块。创新教学模块:采用项目驱动教学方式,[1]-[3]教学内容取材于实际工程项目,根据知识点将整个项目分解开来,由简单到复杂、由局部到整体、由分立到综合。在整体结构上,将知识点与具体实例应用相融合,应用针对性更强。

3.2教学方法的选用。课程教学手段是否合理,直接影响学生对课程的学习兴趣与学习效果。鉴于“虚拟仪器”课程实践性强的特点,把课程教学由课堂搬到实验室,把讲授与学生动手实践灵活地融合在一起,让学生在实践过程中提高技能技巧,从而提高学习效率。根据课程内容的三个模块,以教、学、做为主线,以培养学生的实际动手能力为目标。

3.2.1讲授模式:主要针对课程中的理论教学,包括虚拟仪器技术背景知识、图形化编程语言原理、数据采集原理、硬件配置、仪器控制及软件工程,其目的是讲明讲透虚拟仪器的基本理论、基本知识和基本方法,使学生知其所以然。(1)讲练结合法,就是把教师讲授和学生练习有机结合起来,使讲和练互相促进,迅速而有效地实现教学目标。(2)实例教学法。实例教学法在教学过程中始终强调学以致用,在应用中学习。[4]根据教学内容和教学要求,设计多个精选实例,将所要学习的知识、操作、技能等融入实例中,通过对实例的分析、演示、讲解、讨论、学生练习及总结等环节,加深学生对基本概念、原理、方法的理解,提高学生的实际操作技能。

3.2.2实践实练:在课程教学中树立“理论重实践、实践重体验”的教育思想。综合能力的培养以一系列使用性、操作性、应用性项目为主,设计出认知、使用、测试、集成、应用等一系列实验和练习模块,让学生自己完成编程,教师指导学生自己发现和解决问题,提高学生自主学习和主动探究的积极性,提高学生的动手和创新能力。在整个环节中,任务书是关键性开始,既要有明确的实验目的和实验内容,又要给出各种规范要求、数字信号处理的新技术等。

3.2.3项目教学法:通过实施一个完整的项目而进行的教学活动,其目的是在教学过程中把理论与实践教学有机结合起来,充分发掘学生的创造潜能,提高学生解决实际问题的综合能力。项目教学法的内容要求有综合性、创新性和吸引力,因此,项目必须是精心设计和挑选的开放式课题,具有应用性或研究性,学生需要查阅资料、设计方案、软硬件设计、提交报告、演示汇报等完成本项任务。

4.虚拟仪器考试方式改革的探索

针对虚拟仪器课程的特点,结合本课程在我院几年来授课及考试方式的探索,通过对以往考试方式的改革,总结出以下几种考核方式,可以针对不同情况进行选择。

4.1上机操作考试。针对虚拟仪器课程操作性强的特点,首选上机操作考试,既能测试学生对软件的掌握程度,又能培养学生的创造性思维,充分体现实践动手能力培养的目的。如果班级比较多,而电脑台数不足,就可以分上下场考试,每场间隔10分钟,即第一个班级考完后,集体下课,第二个班级马上进入考场,使学生之间没有交流的可能性,保证考题的保密性。当一次上下场考试不能满足需求时,可出多套难度相当的考题解决漏题问题。

4.2半开卷考试形式。针对学生过多而机器过少的情况,在上机考试没有办法保证保密性时,可选择半开卷形式。可令学生在一页A4纸正反面上,以手抄写的形式记载自己不熟悉内容,可供答题参考,期间不再提供任何形式的参考资料,该方式能够杜绝学生为了一个公式而发生考试舞弊行为。在出题上,以机动灵活的题目为主,充分培养学生分析与解决实际问题的能力,既有严谨性又有机动灵活性。

4.3采用课程论文。这种方式能够培养学生利用因特网、数据检索、处理资料及应用所学知识分析问题的能力。课程论文以设计性题目为主,以解决实际工程中的案例为主,可以使学生多方面多角度地对工程实际提出多种解决方案,发挥学生理论联系实际的能力。不足之处是学生相互抄袭现象严重,可通过答道形式进行区别及判定。

4.4闭卷考试形式。这种考试形式有利于考查考生的识记、理解和应用能力,也是对考生多方面基本能力素质的考查,有利于培养学生思维的敏捷性和流畅性。闭卷考试侧重考查的识记、理解、理论应用诸方面的能力水平只能体现在书面表达和文字陈述之中,难以培养学生的创造力,学习的知识容易造成书本化。

5.结语

《虚拟仪器》的课程建设及教学实践、课程的教学方式及考核方法都需要具体分析,机器多学生少时宜采用以上机为主、重点培养学生的实践动手能力的方式;机器少学生多时,宜采用以理论教学为主,上机操作相辅的方式。教学实践证明,考核成绩可以从多方面着手,平时成绩体现学生对课程的学习态度和对基本知识点的掌握程度;实验成绩反映学生的实际操作能力和对知识点的灵活应用设计能力;课程大作业反映学生的综合分析能力和创新能力等。通过教学改革与尝试,都取得了较好的教学效果。

参考文献:

[1]黄松岭,吴静.虚拟仪器设计基础教程.清华大学出版社:2013.

[2]刘萍,曹慧,邱鹏.虚拟仪器的发展过程及应用.山东科学,2009,22(1):80-83.

[3]刘成文,肖兴明,刘初升.虚拟实验在人才培养中的作用.淮海工学院学报,2003,1(2):94-96.

[4]徐明.虚拟仪器在实验教学中的应用研究[D].山东:山东师范大学,2005.

[5]胡乾苗,励金祥,林剑辉.“虚拟仪器”课程“3P”教学方法探讨.中国电力教育,2012,(22):66-67.

[6]姜英秀.关于高校考试方法改革的几点思考.现代教育科学,2009,(1):68-69.

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】

[1]林正盛.浅谈虚拟仪器技术的演化与发展.微计算机信息,1997,(4),(5).

[2]杨乐平,李海涛,肖相生.LABVIEW程序设计与应用.北京:电子工业出版社,2001.

[3]任自中.虚拟技术在内燃机试验研究中的应用.内燃机学报,2001,(1).

[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 电子技术 演示实验

1 电子技术演示实验中虚拟仪器应用现状

1.1 虚拟仪器的概述

近几年以来,计算机技术得到了迅猛的发展。随着计算机的发展,数字信号处理技术也得到了相应的发展,这时在计算机中信号处理的作用被全面实现,软件也彻底替代了硬件。另外,加上计算机自身特有的操控和展示图形的作用,就实现了用计算机软件显示数据显示与仪器控制这两个部分的所有内容,这样最终形成的仪器就是虚拟仪器。这里所说的虚拟就是指仪器面板是虚拟的、通过软件进行数据的测量与记录而不是从实物中直接记下来的等等。因此,通俗地讲,虚拟仪器就是一种以计算机软件为主,拥有自主测试的控制系统的仪器。在进行具体的电子技术实验演示时,虚拟仪器的各种软件都可以得到最大限度的利用。平时在实验室中的传统仪器可以通过软件显示在计算机上,以学生为代表的使用者就可以通过计算机的鼠标、键盘等控制虚拟仪器的具体运行,最终得到实验所需测试的结果。为了更加直观,示波器中的输出、输入波形可以选择不同的颜色显示出来。

1.2 虚拟仪器在电子技术演示实验中的应用

随着虚拟仪器技术在电子技术演示实验中的快速发展与不断完善,现在的虚拟仪器设备已经具备了很多诸如电流表、电压表、示波器以及信号发生器等仪器的全部功能。同时,它完全取代了之前的手动进行测量、记录以及对数据的复杂处理的工作。到目前为止,现在的虚拟仪器技术已经相当成熟,它不仅为高校或者企业节省了资金的投入,而且实用易于操作。

在具体的演示实验中,由演示者把实验设备与该虚拟仪器正确的连接在一起就可以实现实验的全部操作过程,最终得出实验结果。这样,既简单又直观,还可以节省很多时间。因为虚拟仪器技术已经得到了很好的发展,所以,现在学校和企业的很多电子演示实验都是采取了虚拟仪器技术进行演示的。这些实验包括操作比较简单的二极管伏安特性曲线演示实验、共射极单管放大演示实验、低频功率放大器演示实验以及三端稳压器W7805稳压性能演示实验、交流负反馈对放大倍数稳定性演示实验、静态工作点稳定电路频率响应演示实验等等操作比较复杂的演示实验。只要实验中需要使用到相关的测量仪器,基本上都可以采用虚拟仪器技术来完成演示实验。

1.3 虚拟仪器的演示实验系统

所谓虚拟仪器演示实验系统,它是由负责实验部分的电路版块、负责测量部分的数据采集器和扮演着很多角色的计算机组成的。其中的实验电路部分主要是一个类似于面包板的板子,在它上面有着针对不同演示实验的多个不同接口。然而,负责虚拟仪器测量部分的主要是计算机系统与数据采集卡。这里的计算机不是普通、单纯的计算机系统,它必须要安装特定的可以辅助演示实验的虚拟仪器。在演示实验中,计算机扮演着多种角色,它不仅可以充当很多仪器的测量功能,它的显示屏还可以作为很多仪器的显示屏幕。现在大部分学校或者企业采用的都是美国NI公司的教学实验虚拟仪器套件。

此软件现在已经可以完全实现信号分析、数字万用表、信号源、定时以及直流电源等等的功能。所以,这套设备现在已经可以完成电子技术演示实验中绝大部分的实验了。在具体的演示实验中,首先把数据采集卡和该软件的工作台相连。检测无误后,按照具体要求在工作台的板子上构建出所需的电路图。最后,将计算机的投影仪打开,把显示的内容投影到屏幕上,方便老师的操作以及学生的观察。

2 电子技术演示实验

2.1 二极管伏安特性曲线演示实验

二极管伏安特性曲线演示实验中,可以按照图1所示,把虚拟信号发生器、二极管、电阻和虚拟示波器用导线连接。检查无误后,开启计算机以及虚拟仪器。接下来,就是对虚拟仪器的反复调整。这时就可以通过计算机桌面上的虚拟仪器面板对其进行适当地调节。二极管等效为电阻是需要在低频小信号的条件下的,因此,经过调节,使虚拟发生器的频率达到一个恰当的值,就可以输出正确的正弦信号值。根据教程内容可知,交流信号与输出电压可以忽略不计。那么,测量过程中,直流电压表上的读数可以认为是图中电阻R的直流电压值。最终,经过对虚拟示波器的反复调节,使通道值和衰减幅度值等等处于一个最合适的数值,这样就得到了一个稳定的波形,这就是最后需要的二极管伏安特性曲线。

2.2 单级低频放大器演示实验

单极低频放大器演示实验中,根据图2所示,把虚拟信号发生器、5个电阻、2个电容、1个滑动变阻器和虚拟示波器连接在一起。然后,把该实验电路图经过投影仪到大屏幕上,这样可以便于学生的观察。接下来,需要经过调试将单极低频放大器的输入与输出电压的波形通过虚拟仪器显示出来。这个实验中,连接必须要完全正确。所以,根据测量需要,放大器的输入端应该与虚拟示波器的CH2探头相连,其输出端与虚拟示波器的CH1探头连接,而虚拟发生器与放大器的输入端连接。最后一步也是很重要的,按照教程的要求,选择所需的波形与频率,把幅度和时间安置在正确的位置上,这样才可以得到所需的波形。以上就是整个单极低频放大器演示实验的所有过程。

图3是虚拟示波器和计算机上显示的波形。从图4可以看出,输出与出入电压的相位正好相反。通过具体计算,该电压被放大了80倍左右。根据实验的具体要求,如果需要虚拟放大器的两种失真状态,即截止失真和饱和失真,可以适当调整三极管静态工作点的位置。那么,虚拟放大器的饱和失真波形如图7所示。如果要研究单极低频放大器频率特征,可以把虚拟示波器换为虚拟频率特性来测量。

2.3 共射级单管放大电路演示实验

共射级单管放大电路演示实验中,按照图5所示,把虚拟信号发生器,若干电阻、电容以及虚拟示波器用导线连接起来。类比上个实验,将该实验电路图展示在投影仪屏幕上面。接着,在虚拟发生器与虚拟示波器连接正确的条件下,需要设置合适的静态工作点。其一般的要求是:信号幅度较小时,在保证输出信号不失真的情况下,常选择较低的静态工作点,以降低放大器的噪声和减少电源的能量损耗。输入信号较大时,工作点适当提高,直至负载线的中点位置。在共射级单管放大电路演示实验中,对静态工作点的设置要求很是严格。当静态工作点的设置不恰当时,势必会造成饱和失真或者截止失真现象的出现。饱和失真的情况出现在静态工作点太高的时候;截止失真的情况则出现在静态工作点太低的时候。最后,该实验还可以测出放大倍数。通过推断与演算,还可以知道影响静态工作点的主要因素。

3 虚拟仪器在电子技术演示实验中存在的问题

3.1 简便的虚拟仪器导致了实验的盲目性

虚拟仪器技术的引入,带给使用者更多便利的同时,它的弊端也随之而来。因为该项技术可以很方便的使用,在实验过程中,很多本身就缺乏相关的理论知识的实验者会把太多的精力集中在计算机软件的使用或者是对虚拟仪器程序的编写上,而忽略了与实验相关的理论知识,更不会顾忌实验的拓展部分以及实验本身的局限性给实验带来的影响等等方面的问题。如果是这样,那么演示实验就失去了它本身特有的目的与功能,虚拟仪器技术也得不到最合理的使用。

3.2 虚拟仪器本身的局限性

在实验完成后,数据的记录与处理是必不可少的。在电子技术演示实验中,利用计算机记录与处理数据带来不少方便的同时,也产生了很多不利的地方。对于不同的计算机,其本身的性能和实时性都各不相同,这些都会或多或少的影响到最后数据的准确性。而网络本身的不畅通,不仅造成了测量数据的迟缓,而且也使数据的测量变得不再精确。与此同时,负责测量的数据采集卡也有很多不稳定的因素存在,其中的分辨率、响应时间等等都有待进一步的提高。

4 总结

这是一个注重实践与理论相结合的时代,虚拟仪器在电子技术演示实验中的成功应用正迎合了这个时代的需要。作为学校现在教学与科研必不可少的一种手段,虚拟仪器在演示实验中已经成为了一种不可阻挡的趋势,对电子技术的发展有着不可估量的作用。在日后的不断完善与改进下,相信电子技术及其相关领域会得到很大的发展,虚拟仪器技术也一定会有更加重大的突破与创新之处。

参考文献

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[6]刘晓琳.模拟电子技术演示实验数字化教学资源建设[J].中国现代教育装备,2013(01).

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[8]毛鑫锋,杨军.声卡虚拟仪器及其在《电子技术》演示实验中的应用[J].科技致富向导,2012(35).

作者简介

范蕴秋(1977.11-),女,本科,讲师,研究方向:电子技术应用与研究。

第7篇

关键词: 《虚拟仪器原理》 智能仪器 教学探索与实践

上世纪后期出现的虚拟仪器(Virtual Instrument)技术强调在通用的计算机平台上构筑仪表仪器功能,是计算机技术与仪表仪器技术的完美结合,是智能仪器发展的新阶段。该技术最早起源于美国德克萨斯大学James、Truchard和William三位研究人员为美国海军进行的一项研究,随后三人成立了一家公司,致力于虚拟仪器技术的开发,即著名的美国国家仪器公司(NI,National Instruments)。该技术后来逐渐被引入我国,起初在一些科研院所、重点高校的实验室用于特定科学研究用途,从该技术一开始应用便显现了其卓越的无可取代技术优势,后来被一些著名公司、企业(尤其从事高新技术方面)广泛采用,如今已发展成为电子信息领域非常盛行的一个热门技术。针对重要的科研目的和迫切的市场需求,我国教育指导部门及时提出全国高校的电子信息类学科中开设虚拟仪器相关课程的规划并迅速得以实施,《虚拟仪器原理》课程便是一个典型代表。我根据一直以来该课程教学过程中的一些经验体会,提出该课程部分内容的教学探索与实践思路以供同行参考。

1.虚拟仪器概念引入的教学探索与实践思路

在介绍虚拟仪器概念前,首先应明确什么是仪器,仪器的特点是什么,这一概念看似简单,其实并不容易。现实生活中的仪器太多,可以在教师的引导下,让学生举一些例子(注:分别从力、热、光、电等角度引导),然后每举一例,分别讨论其基于的物理原理,比如天平这一仪器是基于物理中的力学原理,温度计这一仪器是基于物理中的热学原理,显微镜这一仪器是基于物理中的光线原理,万用表这一仪器是基于物理中的电磁学原理等,这些仪器的共有特性是具备测量的功能,从而提炼出仪器的本质:仪器一般是基于各种科学原理的,而且具备测量的功能,一般脱离这两点的任一事物,要么不是仪器,要么是不可信的仪器。接下来,让学生明白什么是智能仪器,智能仪器仍然是仪器,应该说是仪器发展的高级阶段,着重于强调其智能性,主要体现在微处理器芯片的引入,并且新增基本的数据处理和通信的功能,进一步引入什么是虚拟仪器,虚拟仪器又是智能仪器发展的新阶段,不仅具备常规仪器和智能仪器的功能,而且新增数据分析、数据共享可编程扩展功能等,强调的是在计算机平台上构筑仪表仪器功能,用户通过操作计算机不仅实现传统仪表仪器的功能,而且能实现传统仪表仪器难以实现的新功能并且不断增加或升级。对于此前的仪表仪器,用户直接操作的是仪表仪器本身,这些其实是其本质区别,可以举例,比如宇航员在飞行器舱内对空间进行科学试验或勘探时,实际上就是采用虚拟仪器技术对舱外的宇宙空间展开的遥控遥测活动。

2.虚拟仪器的定义和组成的教学探索与实践思路

在介绍虚拟仪器的定义和组成时,强调虚拟仪器是把技能教给用户,所以开发虚拟的核心环节是使用者(用户在通用计算机平台上,根据需求定义和设计仪器的测试性能),而非硬件生产商。有些教材把虚拟仪器定义为LabVIEW组建的程序单元,这要辩证地让学生进行分析,客观地或更广义地说,一般的虚拟仪器是由硬件与软件共同组成的,硬件部分主要用于获取真实世界中的被测信号,软件部分用于控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能,并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。但是开发虚拟仪器的核心环节在于软件开发,因为硬件部分其功能是固定的,一般难以进行调整或升级,但是基于LabVIEW的程序单元是可修改的,所以开发的虚拟仪器质量就取决于使用者的编程水平,也就是把技能教给用户,美国NI公司曾提出‘软件即仪器’,实际上这里的‘软件’指的是LabVIEW软件平台及其组建的程序单元,这里的“仪器”就是虚拟仪器,这句话正是把握了其本质,所以把LabVIEW组件的程序单元称为虚拟仪器有其辩证的正确性,要给学生分析清楚。

3.虚拟仪器分类的教学探索与实践思路

虚拟仪器可以按照不同总线接口进行分类,在介绍时可以结合实物,让学生有直接的感性印象,而且按照接口的发展程度介绍,比如由传统的数据采集(DAQ)卡式虚拟仪器发展为现在较流行的通用功能接口总线(GPIB)的虚拟仪器。另外,还有PXI、USB等接口的虚拟仪器,其中着重介绍通用功能接口总线(GPIB)的虚拟仪器,而且说明有时实验中会用到。

4.虚拟仪器发展历程介绍的教学探索与实践思路

介绍虚拟仪器的发展历程时,从其初始发展历程开始说起,按照时间脉络展开,其中强调惠普(HP)公司和美国国家仪器(NI)公司的贡献,为活跃课堂气氛,可举一些学生熟悉的HP公司产品的例子,比如HP笔记本、打印机等,然后纠正一个误区:HP公司并不是单单生产这两类产品的公司,其实其原本是生产仪器的大公司,而且曾一度成为行业的领导者,虚拟仪器的总线雏形实际就是HP公司的重大杰作,NI公司对虚拟仪器的软件核心贡献居功至伟,是该行业的先驱也是权威,并鼓励大家一定要在大学阶段好好学习,将来努力去大公司历练自己,这些方面的介绍可进一步活跃课堂气氛,激发学生的学习热情。

5.结语

虚拟仪器技术是当代高等学校电子信息类专业学生需掌握的重要技术,《虚拟仪器原理》课程系统而深入地阐释了此项技术,高等学校教师在该技术相关课程的教学过程中不断进行思路探索与实践创新,有助于培养出综合素质高、专业能力强的更优秀电子信息类人才。

参考文献:

第8篇

关键词:计算机虚拟仪器;LabVIEW;虚拟示波器;通道

一、问题的提出

随着计算机、通信、微计算机技术的不断发展,以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高,网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势【1】。在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法,也没有一个被测量界广泛接受的定义。其一般特征是将虚拟仪器、被测试点以及数据库等资源纳入网络,共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器,可在任何地点、任意时刻获取数据信息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、报警等。

论文的目的是基于虚拟仪器的概念,使用目前最为流行的虚拟仪器软件开发环境-LabVIEW,进行虚拟实验仪器的开发;搭建虚拟仪器软硬件平台。

二、虚拟仪器开发工具——LabVIEW

第9篇

关键词: 虚拟仪器 LabVIEW 实验教学

1 前言

虚拟仪器(Virtual instrumentation)是二十世纪九十年展起来的一项新技术,其核心思想为“软件即仪器”[1][2]。它是指通过应用程序,将通用计算机与功能化模块硬件结合起来,由用户根据友好界面来操作计算机,自己定义和设计仪器。在测控领域应用越来越广泛,利用NI虚拟仪器技术,用户可快速组建自己的测试系统,从而完成对被测试量的采集、分析、处理、判断及显示等一系列功能。开放式虚拟仪器开发平台(LabVIEW)在教育领域也得到迅速推广与发展,许多高校建立了相关的虚拟仪器的课程。它给传统的教学研究带来了巨大的变化,尤其在实验教学和科研中起着越来越重要的作用,它不仅是大学教学活动的重要实践环节,而且是教育部本科教学评估的一项重要内容。因此,进一步加强实验室建设,不断改革实验教学是十分必要的。

2 虚拟仪器特点及优势

传统仪器的硬件是其关键,功能由厂商定义,因此其扩展性能较低。而虚拟仪器由于其面向应用的系统结构,所以功能可由用户定义,软件是其关键。主要特点如下:

(1)由于其以PC为核心,使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成,而是在软件的支持下,利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成,使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高,可实现自动化、智能化、多任务测量。

(2)可方便地存贮和交换测试数据,测试结果的表达方式更加丰富多样。

(3)虚拟仪器可在较高性价比的条件下,降低系统开发和维护费用,缩短技术更新周期。

(4)近年来,随着网络技术的发展,已经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet的一部分实现现场监控和管理[3]。

虚拟仪器与传统仪器的优势主要体现在以下几个方面[4]:

虚拟仪器技术发展非常迅速,所有测量测试仪器的主要功能可由数据采集、数据测试和分析、结果输出显示等三大部分组成,其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成,因此只要另外提供一定的数据采集硬件,就可构成基于计算机组成的测量测试仪器。基于计算机的数字化测量测试仪器就称之为虚拟仪器。注意:这里所指的虚拟仪器和EDA仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同,它可以完全替代传统台式测量测试仪器。而EDA仿真软件中的虚拟仪器是纯软件的、仿真的。

虚拟仪器在实验教学中的优势主要体现在[5]:

(1)在一些实验条件不具备或不完全具备的高校,能够开设虚拟仪器的实验教学。由于学校的人力、实验设备的数量和时间的限制,导致不可能让每个学生都能单独地完成若干次实验,而虚拟仪器能省时、有效地解决实验设备短缺三方面的问题。

(2)在虚拟的实验平台上,能够方便、具体地进行各种参数的设置和操作,对于虚拟仪器本身不受实验环境、条件及设备精度的影响,测量的数据稳定、可靠。

3 虚拟仪器在大学实验中应用

虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物,代表了现代测试技术和仪器技术发展方向。在大学实验中,主要针对测试技术、机电专业等相关专业。利用LabVIEW功能强大的图形化的开发环境,完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务。在配备数据采集卡的基础上,使用LabVIEW即可在单个环境下提供广泛的采集、分析和显示功能。因此,通过大学实验,与理论更好地结合起来,更好地发挥学生主观能动性和加深对硬件、软件的理解,这样使教学达到事半功倍的效果。对于一般的物理量(速度、位移、力等等)的测试过程都是差不多的。下面举一个综合性测试技术应用实例:利用位移传感器和数据采集卡,通过LabVIEW来完成数据采集、电机的控制、数据处理与显示。

具体的操作步骤如下:

(1)安装:把电感式位移传感器安装在某一结构上,该结构与电机连接,主要是为了能自动的测量某一圆管的直径。

(2)标定:为了保证测量的准确性,对于任何传感器在使用之前,必须先对其进行标定。针对该实验使用的电感式位移传感器的标定方法是如图1所示:通过测量标准圆管两次,即可算出该组传感器的灵敏度。

(3)测量与控制:通过数据采集卡来获取传感器的测试的数据,利用LabVIEW来对这些数据进行处理,然后直接显示在界面上如图2所示。为了能实现自动测量的目的,同样利用LabVIEW来控制脉冲的数量,即可控制电机的速度,如图3所示。

这个应用实例包括了三个基本的实验:传感器数据的采集、数据处理和结果显示。经过这些基本的实验训练,学生能够更好地掌握自动控制的内容和虚拟仪器编程技术;能够在LabVIEW这个功能强大又方便灵活的虚拟仪器开发平台上,创造出比传统的测试仪器具有更高智能、更高性能价格比、更加可靠及便于操作的先进仪器。也有些学生根据课程上学到的知识,自己选择实验内容,或者另行设计实验方案,在LabVIEW环境中,进行自己感兴趣的实验,这样既拓宽了学生的知识面,又增加了学生的积极性。由于我们的实验环境软硬件完全是工业标准的产品,学生在实验中开发的许多虚拟仪器完全可以直接应用到生产实践中去,对于提高他们的工程素质带来极大的好处,使他们在未来工作中能够从容面对测试技术领域的挑战。

4 结论

利用虚拟仪器技术,通过大学实验的方式,学生可以自己开发实验的虚拟仪器,来完成实验,在这个过程中LabVIEW起到了不可替代的作用。这样不仅显著降低了实验设备投资,而且培养了学生的创新精神,提高了学生的工程素质,为高等工程教育实验教学带来了革命性的变化。人机交互的特点尤其适用于个性化教育,是因人施教、因材施教,培养高素质的综合型人才的重要手段。

在LabVIEW这个高效的虚拟仪器开发平台上,学生自己可以用图形语言开发出各种仪器,综合应用所学过的各学科知识,在普通的计算机上构建一个个人实验室[6],从而完成实际测试过程,达到与用实际仪器教学的相同目的。这样教师和学生既可以摆脱功能单一、固定和不易重新配置的现成仪器的束缚,还可以充分发挥自己的积极性和创造性。总之,开发和利用虚拟仪器教学实验系统更快、更新地构建出集成度高、适应性强的实验室虚拟仪器系统,是高校实验教学改革的一个新的发展方向。

参考文献:

[1]汪敏生.LabVIEW基础教程[M].北京:电子工业出版社,2002.

[2]杨乐平,李海涛,肖凯等.虚拟仪器技术概论[M].北京:电子工业出版社,2003.

[3]裘伟延.基于LabVIEW的虚拟仪器和虚拟实验[J].新技术应用,2002,(5):17-20.

[4]叶德云,曹薇.基于LabVIEW的测量与控制系统及其在教学中的应用[J].电子工程师,2005,31(3):3-4.

第10篇

关键词:虚实结合 实验教学模式 自主创新

实验教学是课程教学必不可少的实践环节,理论知识需要通过实验才能加深印象,帮助消化和理解,理论知识才能得以巩固。所谓“纸上谈兵”的教学模式是不可取的,必须通过不断的实验,反复验证,才能达到较好的教学效果。因此,如何开展实验教学也是课程教学中至关重要的一个环节[1]。

任何实验的开展都建立在实验仪器的基础上,实验仪器直接影响到实验教学质量。所以长期以来,不管是高等院校还是科研单位,实验设备的投资都需要重点考虑。

1 现有传感器实验教学存在的弊端

随着现代科技的高速发展,由传感技术、通信技术、处理技术和控制技术组成的信息技术也得到了极大的推进。作为信息技术之首的传感技术在各个领域的作用也日益突显,所以,在电子信息类专业开设关于传感技术的课程必不可少。但由于传感器技术的不断发展,传感器实验也逐渐显现出一些弊端。

1.1 弊端的分析

(1)近几年,由于技术的融合,新传感器大多结构较复杂,通常是多个学科交叉结合的产物,原理较深奥,应用领域广泛,但价格也较昂贵,因此,实验室不可能配备全套产品供学生实验,而仅通过理论研究,不能让学生产生相对直观的印象。

(2)实验室现有设备,不管是单独的传感器,还是传感器模块,大多是密封的,其内部结构、材料等如同黑匣子,我们从外部无法探知,学生缺乏感性认识。

(3)传感器的信号调理复杂多样,不同的传感器应用于不同领域时,可根据不同的技术指标采用不同的转换电路。但从现有设备情况分析,信号调理电路是封装在特定的模块内,不只功能单一,而且具体参数指标都无法得知,不利于学生学习和创新。

(4)现有传感器实验大多只对应几种简单的传感器,而且大部分重心放在信号采集过程,对于传感器的信号特性分析较少。

1.2 改革的需要

鉴于上述弊端,对传感器实验教学模式进行改革是非常必要的。

教育部在《关于全面提高高等职业教育教学质量若干意见》(教高[2006]16号)文件中提出:“要充分利用现代信息技术,开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验等。”因此,我们一直在考虑将传感器实验与虚拟技术相结合。

根据近年的观察与调研,我们发现新的智能化传感器层出不穷,微处理器和网络与传感器的融合技术快速发展,虚拟仪器技术也越来越多地被应用到信号检测领域[2]。

我们提出构建虚实结合的立体化开放实验平台,利用虚拟仪器技术完善实验内容,促进传感器课程的实验教学改革,促进学生知识、能力及素质的全面发展。

2 虚拟仪器技术

虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物,是两门学科最新技术的结晶。

2.1 技术特点

虚拟仪器技术融合测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体[3],它利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件完成各种测试、测量与自动化,具有性能高、扩展性强、开发时间短以及无缝集成等特点。

2.2 应用于传感器实验中的意义

虚拟仪器中最常用的开发工具是Labview软件,目前已广泛应用于工业界、学术界和研究性实验室。Labview软件使用图形化编程语言,采用能编译成机器代码的图形框图编程,在很多场合可以进行多种参量的分析(如温度、压力等),然后根据分析结果控制某一个目标,其与检测信号所用传感器是密不可分的。

3 构建虚实结合的传感器实验教学模式

本着重基础、重应用、重创新的方针,构建虚实结合的开放实验教学模式,促进学生实践能力和创新素质的全面发展[4]。该实验教学模式的具体内容如图1所示。

图1 传感器实验教学模式改革

3.1 实验内容整合,以项目式教学为导向

实验不再围绕具体的传感器开展,而是采用项目式教学的模式执行,验证性的实验内容大幅度减少,综合性和设计性实验所占比例提升到85%以上。如实验项目为:温度测量、转速测量等。实验室提供相关的传感器或信号调理电路模块,学生可依据自己的设计指标选择传感器或具体的信号调理电路。这样做可能在某种程度上提高了教学的难度,但这种模式更有利于学生的发展,更能激发学生的思考能力。

3.2 打破传统“一体”式实验平台,实现模块化的开放实验平台

现在部分实验课程仍采用“一体”式实验平台。所谓“一体”式,即所有的实验项目都在一台实验仪器或实验箱上完成,学生只需根据实验指导书上的说明,用连接线从*号插孔连接到*号插孔即可,有些同学甚至不明白实验原理也能完成实验内容,这样的实验教学形式不仅不能使理论知识得到应用与巩固,而且无法锻炼学生的动手与创新能力。因此,为了加强对学生创新能力的培养,我们不再拘泥于传统的“一机”式实验方式,而是采用模块化的教学方法。

所谓模块化传感器实验教学是指将实验中相关的主体电路做成小型模块,不再有专门、完整的实验电路,学生可以根据需要自行搭配电路。如信号调理电路中常用的差动放大电路、滤波电路等,这些都不再封装于专门的模块上,而是单独设立。如果进行温度测量设计型实验,学生可根据相关的小模块自行设计方案,如方案1:热电偶+差动放大器;方案2:PT100铂热电阻+电桥+差动放大器等。这样大大提高了学生的自主创新能力,也避免了依葫芦画瓢的现象发生。

3.3 引入虚拟仪器技术,构建虚实结合的实验模式

将虚拟仪器技术引入实验教学中,主要可以进行以下三方面的改革:

3.3.1 对传感器采集后的数据进行分析和处理

学生使用传感器检测的数据信号,可在专门的VI测试面板中进行分析和处理,如采样频率、采样长度等。通过对数据的各种分析,使学生更加了解传感器的性能。

3.3.2 自主开发与二次开发

一般情况下,实验室所具备的测试系统比较有限,而且较为常用。如果有学生需要测量一些特殊环境的参量,可根据实际的采集环境,基于Labview图形编辑软件,开发出具体的测试系统。此外,学生也可以在原有的测试系统上增加或删减功能模块,使自主开发和二次开发得以实现。

3.3.3 节约成本

信号检测需较多的测量仪器,通过虚拟仪器技术可以模拟出大多数的测量仪器,这样不仅大大降低实验设备的成本,也可避免实验设备损坏或老化。

4 结束语

目前,越来越多的国内外院校致力于研究基于虚拟仪器技术的实验教学系统。笔者提出的实验教学模式仍有很大的改善空间。今后,可考虑与其他课程结合,形成一个基于完整工程链的学习体系,如传感器+模拟电子线路+单片机+PCB设计+制版焊接+常用测量仪器的使用与系统调试。

参考文献

[1] 张臣文.基于虚拟仪器的数字化实验模式研究[J].襄樊学院学报,2010,31(2):74-78.

[2] 舒筠佳.基于虚拟仪器的高校电子实验平台开发[J].上海电力学报,2009,25(3):253-256.

第11篇

关键词:仿真,建模,图像模型

 

1 引言

虚拟仿真系统的模型结构一般包括数学模型(Mathematical Model)与图像模型(Image Model)两部分,其中,数学模型定义图像模型的特性,建立原理的数学关系,计算数值结果并反映到图像模型中。论文大全。即数学模型是隐藏在图像模型后面的“规则”,这些规则是对真实系统本质的抽象;图像模型采用三维渲染图片或实物照片模拟真实的物理外形及操作,并显示由数学模型计算得到的结果,完成与用户的交互,即提供人机交互的“界面”。不同的虚拟仿真系统具有不同的数学模型,但不同的虚拟仿真系统具有大致相同的图像建模方法,因此讨论图像建模方法具有普遍意义。

2 图像建模技术

图像模型的优劣直接影响虚拟仿真系统的真实感与交互性。论文大全。为了尽量逼真地模拟出场景、仪器和元器件的外形与操作,虚拟仿真系统一般采用三维建模与绘制技术进行图像建模。图像模型包括静态模型和动态模型两部分。

2.1 静态建模

首先确定出虚拟仿真系统中各对象模型的所有三维几何模型,然后使用三维建模和绘制软件制作出符合需要的静态渲染图片,用来模拟场景、仪器和元器件的外观,并设计最接近真实的操作动作,通过图像技术模拟各部分的操作,最后将其组合在一起,完成整个场景、仪器和元器件的图像建模。如虚拟仪器,通常由仪器面板、旋钮、开关、表盘指示等组成,图1所示为虚拟示波器的图像模型。

图1 虚拟示波器的图像模型

2.2 动态建模

在虚拟仿真系统中,经常会出现移动虚拟仪器设备、连接线路、调节仪器设备旋钮等操作,同时仪器设备会有指针偏转、数值或波形显示等变化。这些都需要对其进行动态模拟。一般先要制作出符合需要的三维渲染图片,再采用相应的动态图像编程技术完成动态模拟。在虚拟仿真系统中常用的动态建模技术有以下几种。

2.2.1 画布动态绘制技术

画布(Canvas)是图形绘制和显示的工具。画布上可以使用多种模式绘制各种线条、图案。只要选择合适的事件响应用户操作,并在事件中灵活使用各种绘制模式,完成画布的动态绘制,就能动态模拟用户的操作或仪器的变化。论文大全。

例如在“电路与电子技术虚拟实验系统”中对电路搭接操作的模拟(如图2):用鼠标拖动各种虚拟元器件,在通用实验板上任意搭接电路,将所有接线柱定义为热点,响应鼠标操作事件。在鼠标键按下事件中记录鼠标按下时的坐标,并设置开始连线标志;在鼠标移动事件中,在背景图的画布上使用动态绘制技术不断刷新连线,实现操作部分的动态模拟。

图2在虚拟仿真环境中电路搭接操作

再如仪表指针的模拟(如图3):仪表指针绕着一个旋转点偏转,一定的偏转角度对应一定的表盘读数。仪表指针部件包括旋转点坐标、指针最小角度、最大角度、当前角度、指针长度等属性,根据仪表数值仿真计算结果改变当前角度,并在表盘上动态透明绘制指针,实现自动部分的动态模拟。

图3 某仪器的表盘指针指示情况

2.2.2 帧剪切技术

虚拟仿真系统中大量的动态变化是仪器设备部件发生状态改变,即从一个状态跳变至另一个状态。当模拟这种动态变化时,帧剪切(Frame Clip)技术十分有用。

首先制作出该部件在所有不同状态下的仪器设备的整体图片,采用图像编辑技术将这些仪器设备图片中该部件部分在相同位置、以相同大小剪裁下来,得到不同状态下的图像帧,并按顺序将这些图像帧组成一幅图片序列。程序运行时先拷贝该部件初始状态下的图像帧进行显示,在响应事件时,该部件根据操作类型改变当前状态序数,并将当前状态序数下的图像帧装载显示。

例如对旋钮、按钮、开关等部件的操作即是改变它们的状态。图4是某仪器的一个旋纽在各种状态下的图片,通过在响应鼠标操作的事件中采用帧剪切方法来模拟旋钮旋转操作。

图4 某仪器设备的一个旋纽在各种状态下的图像

2.2.3 掩码透明贴图技术

当虚拟部件移动时,需要动态地将其图片贴在背景图上,由于虚拟部件图片是矩形块而其图形往往不是规则的几何图形,采用透明贴图技术将图片中不属于该部件图形的边缘部分变得透明,仅将其图形贴在背景图上,从而实现虚拟部件与虚拟仿真环境在视觉效果上的无缝拼接和自然融合。

原图(OriginalPicture)与掩码图(MaskedPicture)制作:利用图像处理软件将某部件图片的边缘部分变为黑色(颜色值的二进制码各位均为0)即得到原图,在原图的复本上将图形边缘部分变成白色(颜色值的二进制码各位均为1)、图形部分变为黑色即得到掩码图,如图5为某仪表指针的原图及掩码图。

图5 某仪表指针的原图及掩码图

编程实现方法:在程序代码中,定义部件原图、掩码图、被覆盖背景图的位图对象,在摆放该部件位置处,先将掩码图与背景图(如图6a)进行“与”运算,将背景图上应贴上部件图形部分变为黑色,并保留应被贴上边缘部分的图像(如图6b);再将原图与背景图进行“或”运算,部件图形部分被贴在背景图上,背景图上应被贴上边缘部分的图像仍被保留下来(如图6c),从而完成对某部件的透明贴图。其贴图过程可用如下公式表示:

其中OP、MP、BP分别表示原图、掩码图、背景图。

a) BP b) BP∧MP c)BP∧MP∨OP

图6 某仪表指针透明贴图过程示意图

3 结束语

“军队院校网上虚拟实验室”重点建设项目“电路与电子技术虚拟实验系统”采用上述建模方法与技术,很好地解决了仿真技术与多媒体技术的融合设计问题,使系统具有良好的可设计性、操作的任意性和具有真实感的交互功能。项目成果分别获得军队科技进步二等奖和全国、全军、海军多媒体教育软件评比一等奖。目前,该虚拟实验系统已在20多所军内外高校使用,取得了良好的效果,实现了电路与电子技术基础实验教学方法和手段的创新,为探索现代化实验教学的新路子提供了有益的经验。同时该成果将在36所军队院校推广使用,并由高等教育出版社正式出版发行,具有良好的推广前景。本文是对完成该项目的主要建模方法与技术的初步总结,供从事相关研究和开发的同行参考。

参考文献

1 YangYanming, Gao Yang, Wang Qing. Development and application of an intelligentvirtual system on electronic circuit experiments //Computer Science andTechnology in New Century. Beijing: International Academic Publishers, WorldPublishing Corporation, 2001:1031-1032

2 杨彦明, 吴为团, 于宝良. 网上虚拟实验室的研究与实现. 东北师大学报(自然科学版), 2004, 36(12): 50-54

第12篇

关键词:虚拟仿真;电子类实验教学;应用

TP391.9;TN0-4;G642

一、虚拟仿真技术的概念与优势

虚拟仿真技术在电子类实验教学中的应用主要有两种方面:虚拟仪器技术和仿真。最早虚拟仪器这个概念是由美国仪器公司提出的,其主要含义就是“软件就是仪器”通过对应的软件来实现仪器的主要功能。在使用过程中利用LabvIEW编写虚拟的仪器面板,将各种数据信息采集设备和软件的仿真平台搭建出一个不同的仿真系统。仿真则是利用模型进行实验,对电路环境与电路过程中进行模拟,得到真正实验的全过程。虚拟仿真技术的核心内容就是将虚拟与实际结合,从而达到最佳的实验教学效果。同时,在虚拟仿真技术在使用过程中有以下几种优势

(一)节约成本

在传统的教学模式创新中需要不断的增加各种教学仪器设备,增加教学成本,而且要想进行实验只能在实验室进行。虚拟仿真技术的出现更好的解决了这些问题,在教学过程中只需要具备仿真软件计算机就能在任意地点进行实验,方便教师教学。

(二)理论与实际结合,激发学生兴趣

虚拟仿真技术可以将虚拟与实现结合,学生在接受新知识时还锻炼了学生的动手实践能力。将实验教学内容以更直观的形象展现出来,激发学生的学习兴趣,提高学习效率。

(三)实验平台的统一性和可恢复性

在使用虚拟仿真技术时,可以将多门课程实验进行统一,并为学生提供一个设计、原型、科学、的应用平台,这样不会丢失原有的实验信息,还会完成从原型设计到系统部署之前所有工作,从而将虚拟教学内容与实际教学实验的理论、知识更好的结合起来。

(四)教学内容的灵活性与创新性

虚拟仿真技术不同于其他试验箱数量固定的实验内容,在使用其技术时还会根据不同的需求搭建出一个不同的实验电路,让学生更直观的了解教学内容,同时还有利于教师开展一些综合性与设计性的教学实验,从而培养学生的创新能力。

二、虚拟仿真技术在电子类实验教学中的应用

随着电子技术快速发展以及教学内容不断的更新,传统的实验教学模式已经跟不上社会的发展,其中还存在着一些不足,虚拟仿真技术的出现将实验教学进行全新的完善,激发学生的学习兴趣,提高学生学习效率。电子电路课程是电子类专业必修课程,其中包括了:电路分析、模拟器电子技术、数字电子技术。在这三门课程中虚拟电子技术被学生们认为是一个难度最大,理论性较强的的一门课程。一般来讲,虚拟电子技术是与教学理念同步,有时也会落后于教学课堂。在传统的实验教学过程中,学生对实验的电路理论不够了解,对实验中可能出现的问题还没有特别清楚,因此,对于多数学生来说,在实验过程中一旦出现问题找不到任何的突破点,从而降低学习兴趣。在虚拟仿真技术中以二阶段有源低通滤波器为主的教学实验可以帮助学生加深对知识的了解,锻炼学生的动手动脑能力。

(一)二阶有源滤波器的仿真实验

在虚拟仿真技术中,常用的仿真软件有:Multisim、Pspice、Proteus等。在此,本文对Multisim在虚拟仿真技术中的使用以二阶有源滤波器电路进行了仿真。该技术操作简单容易上手,它在使用过程中具有非常多的元器件、虚拟仪器,它的功能强大,在使用过程中还为学生提供专用的万能表、示波器等常用仪表设备,而且还为学生提供了虚拟仿真技术的网络分析仪、频谱分析仪等仪器设备。二阶有源滤波器在教学过程中具有仿真的电路图,只需要在使用时输入信号频率和幅度,就可以通过滤波器的示波器进行观察,并让学生做出总结。同时,在使用时还可以利用波特图测试仪,设定使用频率的反问,保证学生可以更加直观的观看到二阶有源低通滤波器的频率响应线,学生在上课过程中就可以通过幅频特性曲线找到滤波器的频率。这样,学生就可以搭建出一个更为实际的电路,进行实验,从而总结出自己所得结果,并于教师交流。

(二)二阶有源滤波器的实际电路测试

第13篇

关键词:虚拟实验室;电子技术;多媒体

1 实行虚拟实验的必要性

实验教学是课堂教学的延续,随着计算机及多媒体技术、仿真技术和虚拟技术的迅速发展,传统的教学方式已不能适应现代化的实验教学,用现代新技术来改革传统的教学方式已成为大多数人的共识。虚拟电路实验就是结合电子电路的特点,利用计算机构造一个模拟实验环境,通过电路的建立和对数据与电路功能的分析,达到实验的目的和要求。目前,电路的仿真软件很多,如:常用的虚拟电子实验室软件有CircuitMaker、Multisim及Protel。其中Multisim(又叫ElectronicsWorkbench即EWB)软件是比较常见的电子技能训练工具,这些软件是以电路符号来实现的,与实物实验差别很大,而且软件不具有开放性,仿真只能在这些软件本身的环境下实现,无法在多媒体环境下进行。本文构建的“电子电路虚拟实验系统”,实现了仿真技术和多媒体技术的有机结合,它既不同于以往的原理电路的仿真软件,又不同于一般多媒体软件对于实验现象的模拟演示,而是让学生在逼真的多媒体“虚拟场景”中,利用各种“虚拟元件、仪器仪表”任意搭接电路,即时得到仿真结果,学生可以在计算机上自主进行实验,并自动记录实验结果,最终生成标准的电子基础实验报告。

2 工作流程

由于我们的教学主要是理论传授,不需要去开发和设计电路,所以上述的实验流程并不包括电路设计开发部分。但是EDA软件在极大地满足我们的实验要求的基础上,还有非凡的应用潜力,这无疑是个广阔的天地。在计算机辅助教学实践中,学生上机普遍存在两个问题:一是面对众多的计算机,教师难以准确、全面地掌握学生练习的实际情况,及时进行个别辅导;二是难以做到上机时学生之间、师生之间进行交流,使上机操作变成学生自己的活动,影响教学.因此这就要求建立一种虚拟试验的教学模式,使教学信息交流双向化。

3 虚拟实验室的设计

3.1 虚拟实验室所能实现的功能

(1)虚拟实验室作为一个仪器设备和数据等资源的交互。共享以及可交互控制平台,应具有以下功能:虚拟工作台;基于虚拟仪器的用于测量的控件;智能虚拟仪器驱动;可视化自动测试环境;虚拟实验室平台控制系统;系统平台内部的智能决策系统;各类数据库的信息管理系统;虚拟实验室的监控系统;虚拟仪器的管理操作系统;同时还应考虑到系统的扩展性、兼容性等方面具有良好性能的特征。

(2)虚拟实验室作为电子技术基础实验室应具有以下特点:无论是学生还是教师,都可以自由地、随时随地进入虚拟实验室操作仪器,进行各种实验;操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器动行,完成对被测试量的采集、分析、判断、显示及数据生成;教师可以根据实验的需要设计出各种虚拟仪器来供学习者自行选择;学生可以根据所学的专业知识,设计实验题目及内容,给出实验方案,在虚拟环境中进行自己感兴趣的实验。

3.2 虚拟实验室的基本组成

虚拟实验室的核心部件是虚拟仪器的硬件主要由计算机、传感器和信号采集调理模块组成,完成对被测信号的采集、传送、显示输出结果。信号采集调理模块主要有数据采集卡、VXI仪器模块、GPIB仪器模块。目前应用较多的是数据采集卡和VXI仪器模块。

3.3 虚拟实验的开设步骤

具体的虚拟模拟电子技术基础实验的开设步骤有三个方面:

(1)学生在已建立的虚拟实验环境中完成基本的电子技术基础实验,掌握用虚拟仪器代替传统仪器来进行数据处理,观察分析实验结果,诊断设备故障等。

(2)学生根据实验要求,自行设计各种软件面板,定义仪器的功能,并以各种形式表达输出结果,进行实时分析。

(3)增加综合性实验,让学生自己选题,拟订方案,设计虚拟仪器检测系统,培养学生的创新和科研能力。

4 实验结果

负反馈放大电路图,开关K1、K2上拔,K3闭合,可以形成电压串联负反馈(同相比例运算器)。开关K1下拔、K2上拔,K3闭合,可以形成电压并联,按要求连接好电路,打开直流电源和信号源,调整其数值,就会看到万用表上显示的输出电压的值。把输出电压的值除以信号源的值,就可以得到由虚拟测试得出的闭环电压放大倍数Auf。然后把测试结果与下框中的理论计算相比较,以判断测试的正确性和存在的误差。同理,也可以算出输入、输出电阻的值。该实验可以通过选项菜单设置相应的电阻。通过一系列电路的测试和数据的读取分析与实物实验所得结果进行比较,得出本文设计的基于电子技术的仿真系统的电子线路虚拟实验能完整、准确、快速地达到所有电子线路课程的要求。

5 结语

虚拟实验,通过多媒体技术和仿真技术的有机结合,虚拟出逼真的实验场景,通过相应数学模型的建立,提供与实际实验的操作方法相类似的实践体验。作为实验教学的重要辅助手段,一方面,可以大大提高实验效率和效果,拓宽学生由感性认识上升到理性认识的途径,使学生在愉悦和主动的思维中牢固地掌握知识;另一方面,能更好地完善实验教学的结构,激发学生的创造性思维。模拟电子技术虚拟实验室的建立和实践,明显提高了实验课的教学效果。虚拟实验室不受时间及空间的限制,学生可以自主地完成实验,具有良好的发展前景。但虚拟实验的实现是一项非常复杂的工作,目前仅仅涉及的是简单数学模型的构建,还有许多理论和技术繁杂问题有待仿进一步的探讨。因此,在现有的条件下,虚拟实验是不可能完全代替实物实验的。实物实验在实验操作过程中的元件参数分散性、误差、噪声等现象都是客观存在的,开放性实物实验的立体直观对于培养学生的真切感受和创造性思维是至关重要的。

参考文献:

[1] 朱洁.多媒体技术教程[M].机械工业出版社,2005.

[2] 卜锡滨.电路与模拟电子技术[M].人民邮电出版社,2008.

[3] 尹仁平,刘刚,汪立新,乔云生.虚拟测频仪的设计与实现[J].中国测试技术,2006(05).

[4] 胡晓峰,吴玲达.多媒体技术教程[M].人民邮电出版社,2005.

作者简介:井超(1996―),男,上海人,沈阳理工大学学生。

第14篇

Application Of QTVR In Physics Experiment Teaching&Studying Online

Wenhuan, Douyiyang

Physics Department of NUSC

Abstract

The topic of this text is the application of QTVR in Physics experiment teaching&studying online. At first, the authors analyze the advantages of QTVR in teaching&studying online. Then with the examples of virtual instruments, we introduce how to apply QTVR technology in our teaching&studying online. We emphasize on the uses of Spin PhotoObject (of Picture Works company ) . In our following work, we will use VR Worx (of VR Toolbox company) to make a virtual lab with virtual instruments inside.

Keywords: QTVR technology, panorama, object, scene, virtual lab and instruments

正文:

QTVR是QuickTime Virtual Reality 的简称,是美国苹果公司Quick Time技术的拓展。它是新一代的、基于静态图象处理的初级虚拟现实技术①。它不需要传统虚拟现实技术所要求的特殊硬件和附属设备,在普通的PC机或Macintosh机上就可产生相当程度的虚拟现实的体验。它不需要进行任何几何造型,只需通过图像采集系统采集真实世界的图像、QTVR系统软件处理离散的图像,即可完成三维空间、三维物体的造型;操纵普通鼠标、键盘即可实现对三维造型的全方位观察。

QTVR有三个核心概念:全景图像(Panoramas),对象(Object),场景(Scene)。全景图像:是空间中的一个视点对周围环境的360度视图,用户可在全景图像的360度范围内任意切换视线,也可在一个视线上改变视角,来获得距离远近的视觉效果。对象(物体):是从分布在以一件物体为中心的立体360度的球面上的众多视点来看一件物体,从而生成的对一件物体全方位的图像信息。经QTVR系统软件的处理,形成用户可观察的各个视点。场景:利用热点手段将一个或多个全景图像或对象电影进行连接,从而生成的有序集合体。在场景中,用户可在很多全景图像和对象电影中漫游。

虽然是初级的虚拟现实技术,但是QTVR以其独特的技术特色与独特的优势,开创了多媒体技术与仿真技术相结合的新途径,为虚拟现实技术的大众化铺平了道路。尤其重要的是,它的出现使得建立网络虚拟实验室有了广阔的前景②。

身处网络时代,作为物理教学论实验物理方向的学生,我们所关注的问题是QTVR技术能为物理网络实验教学做些什么? QTVR技术在物理教育领域中已有了广泛的应用,例如虚拟固体物理中的晶格结构、虚拟核物理中的核反应堆等,在这些理论教学中,QTVR技术都有了极为成功的应用范例;但是在网络实验教学方面,国内的QTVR技术应用基本上还处于探索阶段。因此,我们想就这个问题做些探讨。

1978年,在英国牛津召开了一次国际物理教学委员会,讨论的主题是“实验室在物理教育中的作用”。会议认为实验课的作用之一就是学会使用仪器③。可是,传统的物理实验教学存在着不重视仪器使用的问题。有的实验室因为某些实验仪器价格昂贵而无力购买,因此无法开设一些实验;有些仪器不可能拆卸开让学生熟悉内部构造;有些实验因为样品存在危险性,由老师演示学生观摩。以上因素造成学生不能动手实验,这显然是与开展实验的目的相悖的。另外,实验室大多数实验都是采用菜谱式教学方式,也就是给出具体实验步骤,学生依样画葫芦,这就导致学生不重视仪器的构造、功能、和使用方法、参数指标、误差范围等。再者,多数实验的数据采集、数据处理已由计算机系统完成,实验过程比较枯燥,只是机械地重复对几个按钮的操作,学生的兴趣普遍不高。

此外,目前的物理网络教学实验仅提供计算机二维仿真系统,真实感不够强,不能给人以身临其境的感觉。因此,综合以上几个方面的因素,我们考虑在网络实验教学中引入QTVR技术,以期能在一定程度上解决以上问题。

那么,在物理网络实验教学中应用QTVR技术有哪些优势呢?首先,由于QTVR独特的技术特色,使得它在立体空间的展示、立体物体的展示、展品的介绍、虚拟空间的营造与构建、虚拟场景的构造等方面有着独特的优势。教育过程的很重要的一个过程就是呈现知识信息,而QTVR在呈现知识信息方面有着独特的优势④。我们可以为某些仪器创作配以解说词和文字说明的三维旋转体图片,让学生在虚拟的实验室中对虚拟仪器进行随意地旋转和任何视觉角度的观察,以便学生详尽了解仪器的构造、功能和使用方法,同时达到预习实验、复习实验的目的。更重要的是,教师和学生在QTVR创造的虚拟现实环境中,可以沉浸其中,全身心地投入教与学,既生动了课堂教学,又提高了学生的学习效率与积极性。

QTVR制作简单,制作周期较短,制作的可控性也很强,对于物理教师这类非计算机专业人士来说,比较容易掌握其技术;要开发一些简单的实验教学软件应用于网络教学中,也不至于难度太大。

我们初步的工作是制作虚拟仪器,在网上为学生提供真实仪器的各种资料;第二步的工作是构建虚拟实验室,使教师与学生在网上身临其境般地完成教学任务。由于时间有限,目前暂时没能完成第二步的工作,所以在此仅介绍制作虚拟仪器的工作。

接下来要陈述的是我们制作虚拟仪器的工作。

首先,选择实验仪器。我们选择密立根油滴仪、γ能谱仪等仪器。(我们以密立根油滴仪为例,说明制作过程)。

其次,用数字相机获取密立根油滴仪图像。我们使用的是Epson PhotoPC 850Z相机,选择800*600的分辨率,拍下仪器360度自转的照片,总共拍摄二十四张。在拍摄相片的过程中,可为相片配解说词。Epson PhotoPC 850Z相机有在拍摄过程中为相片配录音的功能。

上传图像。用USB电缆(Epson相机自带)连接相机和计算机,使用Epson Photo !3 Ver.1上传图像,并保存。

编辑图象。我们使用Picture Works公司的Spin PhotoObject软件来编辑图像。

Spin PhotoObject的工作界面如下所示:

图一

具体步骤如下:

Browse

将所有图片按顺序编号(一般需三位以上数字)后放在同一目录下,在Browse中选中该目录,此时会将目录中所有文件列出。

Insert

如果需要目录中所有图片,选Insert All,否则选定所需文件后选Insert Selection

Align

观察每一张图片的位置,使之尽量重合。关键是每一张图片的尺寸大小(长和宽)必须一致,如原图片太大需要切割,則每一张图片切割的位置必须完全一致

Crop

调整八个句柄围成的范围大小,其中包含的內容是最后显示的內容

Create

建立输出文档。注意选择播放的尺寸。输出文档可以是QTVR Object Movie(mov)格式、Quicktime(mov)格式、Movie AVI格式、Animated GIF格式等等。其中最常用是mov格式文件,可用Quicktime Player播放器观看(含交互性),若插入页中,则需要Quicktime Player的插件(Plug In)支持。我们把它插入页中,用Microsoft FrontPage制作网页。包含虚拟仪器的HTML文件的地址A:\VRinstruments.files\VirtualInstruments.htm,打开它,可以浏览我们所制作的虚拟仪器。

下图是用Quicktime Player播放器观看的密立根油滴仪。

图二 密立根油滴仪

第15篇

关键词:计算机 虚拟仪器 实验教学

在计算机辅助教学(CAI)广泛应用的今天,基于计算机技术的虚拟仪器系统也随之出现,它是传统仪器与计算机技术高度的结合,随着计算机集成电路技术的发展。对测试技术与测试设备的要求也越来越高,虚拟仪器的普及势在必行。目前虚拟仪器主要有两种,一种是纯软件的虚拟仪器(即仿真技术);另一种是软件硬件相结合的虚拟仪器VI(Virtual Instruction)

1 虚拟仪器的内涵

虚拟仪器又称个人计算机仪器,由个人计算机、仪器硬件和应用软件组成。其基本设计思想是利用当前广泛使用的个人计算机来管理、组织仪器系统,进而逐步代替传统仪器完成某些功能。如数据的采集、分析、显示、存储及波形产生等,最终达到取代传统电子仪器的目的。

1.1 仿真技术。在仿真技术中,根据仿真对象的不同,可分为两类,一类是对电子电路的分析仿真工具-EDA技术;另一类是应用于通信、信号处理和控制方面的仿真工具-MATLAB。

①EDA技术。一套完整的EDA软件是多个设计工具系统集成化的结果,它包含计算机辅助设计CAD、计算机辅助分析CAA和计算机辅助制造CAM等。市场中的EDA软件主要有Pspice、Mutisim、Wewb和Protel四种。它们的仿真功能用的是同一个仿真引擎-伯克利分校的Pspice仿真引擎。②MATLAB软件。主要工具箱有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统识别、最优化、分析与综合、模糊逻辑、小波分析、样条、通信和统计等。

这两种仿真技术都只需要一台计算机和相应的软件,而无需任何硬件的支持,也就是说这种虚拟仪器是纯软件性质的,无论电路、系统本身还是分析工具都是由软件实现的。

1.2 虚拟仪器可分为五种类型。

①PC总线-插卡型虚拟仪器。这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用软件LabVIEW相结合,通过三种编程语言Visual C++、Visual Basic和Labview/cvi构成测试系统。②并行口虚拟仪器。这是最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置。③GPIB总线虚拟仪器。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制,替代传统的人工操作方式。④VXI总线虚拟仪器。VXI总线是高速计算机总线VME在VI领域的扩展,具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步准确、模块可重复利用的特点。⑤PXI总线虚拟仪器。PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了多板发总线、多板同步触发总线的技术规范和要求形成的。

2 虚拟仪器的特点

2.1 建造成本低。科学研究或实验室建设都受到建设费用的限制,这是由于各种测试测量仪器、设备的价格随着其性能的不断改善而增加;而虚拟仪器的一个主要特点就是一机多用,可以作为示波器、频谱分析仪、数据记录仪及各种测量仪表;另一个特点是用户可自己“创造”适合自己使用的的各种仪器、仪表。所以,利用虚拟仪器组建一个实验室比采用传统仪表可减少费用。

2.2 使用效果好。近年来,随着实验设备的不断改善而改进,有些院校已经开始用计算机仿真实验室代替传统的实验。然而,从培养学员动手能力和解决实际问题能力上来讲,放弃对学员开设传统实验也不可行。虚拟仪器可以用来测量实际的电路和系统,且只要在虚拟仪器系统的PC机安装专用的仿真软件,就可以进行仿真实验。

2.3 机动性能高。虚拟仪器提供了功能完备的示波器、函数信号发生器、数字信号频谱分析仪、数字多用表以及其它各种仪表、仪器;并且用户还可以自己“创造”仪器、仪表。虚拟仪器可以直接打印出各种仪表的输出数据及输出波形,并可进行远程数据交换;与传统仪器相比,可以避免生成大量实验数据报表的麻烦。因“看和感觉到”的“虚拟仪器”与实际的普通仪器是如此相似,以致虚拟仪器、仪表可替代学员使用的普通仪器、仪表,还可以大大提高学员的学习兴趣。

3 虚拟仪器的应用

虚拟仪器在实验教学中最基本的应用是替代常规的仪器、仪表,如函数发生器、示波器、电子电压表、万用表等。学员在实验中使用虚拟仪器,可以方便地实现信号发生及波形记录。比如基于虚拟仪器的数字示波器的开发,利用Express VIs可以帮助我们简化一些常用功能的开发过程。

综上所述,通过使用虚拟仪器,学员可以在相同课时内同时学习电子技术和计算机使用技巧。不但掌握了通用电路的测试技巧,加强对电路原理的理解,还同时接触了先进的技术,从一个更高的起点面对明天的世界。由于虚拟仪器数据结构的开放性,在数据的处理或二次开发过程中,可从多方面训练和加强学员综合能力,使他们的动手能力与理论基础同时得到提高,并且虚拟仪器的出现也为现代实验教学开辟了一条崭新的途径。

参考文献:

[1]王莹.迈向网络化的虚拟仪器[J].电子产品世界,2000(9):76.

[2]李月强.虚拟仪器技术在教学上的应用[J].北京机械工业学院院报,2000,15(4):34-38.

[3]王兰省,李振海.虚拟仪器系统开发技术[J].测控技术,1999,18(4):58-60.