基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)

范智平1，宛傳平1，周 榮2

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基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)

范智平，宛傳平，周 榮

(1. 安徽科技學(xué)院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100；2. 成都技師學(xué)院，四川 成都610000)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力非常重要，基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺能夠降低實(shí)驗(yàn)成本并提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性．采用靈活性較好的PCI插卡式數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的硬件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信號發(fā)生等功能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上遠(yuǎn)程教學(xué)，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化．

Lab VIEW；PCI采集卡；信號發(fā)生器；虛擬儀器；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

近年來，高校的擴(kuò)招給實(shí)驗(yàn)室教學(xué)帶來較大壓力．對于理工科學(xué)生來講，具備實(shí)踐動(dòng)手能力既是自身素質(zhì)的發(fā)展，更是為了滿足社會(huì)的需求．而實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)在高校主要是通過實(shí)驗(yàn)課完成，然而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課具有設(shè)備昂貴、教學(xué)手段單一、理論知識與實(shí)踐動(dòng)手操作相分離、學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏主動(dòng)性及創(chuàng)造性等缺點(diǎn)．將虛擬儀器引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，不僅降低了實(shí)驗(yàn)成本，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力．

虛擬儀器起源于20世紀(jì)80年代的美國，指具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器．由通用個(gè)人計(jì)算機(jī)、模塊化功能硬件和控制軟件組成，操作人員通過友好的圖形用戶界面以及圖形化編程語言來控制儀器的運(yùn)行，完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲以及數(shù)據(jù)生成等功能．

通過分析比較，本文采用靈活性較好的PCI插卡式數(shù)據(jù)采集卡（PC-DAQ）硬件體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信號發(fā)生等功能，此類實(shí)驗(yàn)室具有修改和改進(jìn)計(jì)算機(jī)虛擬驅(qū)動(dòng)程序，不需要增加新的硬件設(shè)備，并且具有分析處理數(shù)據(jù)的功能，同時(shí)虛擬儀器具有開展網(wǎng)上遠(yuǎn)程教學(xué)的工程功能．

1 電氣類虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺硬件實(shí)現(xiàn)

電氣類虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺由PCI插卡式數(shù)據(jù)采集卡（PC-DAQ）方式構(gòu)建，硬件部分由傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡組成，圖1給出了基于虛擬儀器的電子類實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)框圖．

圖1 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)框圖

通過傳感器將接收到的信號經(jīng)信號調(diào)理系統(tǒng)調(diào)理后傳遞到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡安裝測試后完成對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，將現(xiàn)場物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，這一轉(zhuǎn)換過程直接影響虛擬儀器測試系統(tǒng)采集功能的速度與精度，數(shù)據(jù)采集板卡將采集與讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳遞給PC機(jī)，并通過虛擬儀器軟件平臺實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．

根據(jù)電氣類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要求精度與準(zhǔn)確度，電氣類虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集卡PCI2013，PCI2013卡是一種基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，具有較高的分辨率與轉(zhuǎn)換精度，可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一PCI插槽中，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)．也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)．

2 電氣類虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺軟件實(shí)現(xiàn)

在Lab VIEW中可以通過外掛式調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)相互兼容．?dāng)?shù)據(jù)采集軟件的實(shí)現(xiàn)可以通過Lab VIEW提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集卡的接口函數(shù)，本實(shí)驗(yàn)平臺采用非空查詢方式獲取A/D數(shù)據(jù)，流程如圖2所示．

圖2 非空查詢方式流程圖

在虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺中數(shù)據(jù)采集使用FIFO非空標(biāo)志讀取AD數(shù)據(jù)，并釋放設(shè)備上的AD控件，完成數(shù)據(jù)的采集．虛擬儀器的核心部件是軟件，通過不斷地修改程序可以實(shí)現(xiàn)功能完全不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目．因此，虛擬儀器并不虛擬，而面對的是真實(shí)的物理系統(tǒng)．也就是“軟件就是儀器’’，只要利用數(shù)據(jù)采集卡，就可以在計(jì)算上構(gòu)造新的儀器系統(tǒng)，由軟件進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)不同的功能．以典型信號發(fā)生器為例說明高校虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的建立．

在電氣實(shí)驗(yàn)室中，信號發(fā)生源必不可少，傳統(tǒng)的信號發(fā)生源功能簡單單一，而且價(jià)格昂貴，利用虛擬儀器技術(shù)可產(chǎn)生參數(shù)隨實(shí)驗(yàn)條件改變的信號源，所產(chǎn)生的信號源具有如下特點(diǎn)：1) 頻率在10 ~ 100 Hz；2) 所產(chǎn)生信號的相位、占空比等參數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微調(diào)與粗調(diào)；3) 使用方便簡單．

虛擬信號發(fā)生器前面板主要設(shè)置以下控件：

1) 信號類型：用來選擇實(shí)驗(yàn)所需的波形．

2) 幅值：在一個(gè)周期內(nèi)，信號出現(xiàn)的最大值．

3) 頻率：信號周期的倒數(shù)．

4) 占空比：高電平在一個(gè)周期之內(nèi)所占的時(shí)間比率．

5) STOP：程序結(jié)束，停止運(yùn)行．

虛擬信號發(fā)生器調(diào)用函數(shù)時(shí)使用歸一化頻率，因此要將輸入的數(shù)字頻率單位轉(zhuǎn)化為歸一化頻率單位，也即將單位統(tǒng)一到周期數(shù)/采樣數(shù)．虛擬典型信號發(fā)生器前面板如圖3所示:

圖3 典型信號發(fā)生器前面板

如上方法可將實(shí)驗(yàn)室所需的實(shí)驗(yàn)條件構(gòu)建到虛擬儀器中，實(shí)現(xiàn)無實(shí)物情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如可建立電子實(shí)驗(yàn)室所需的實(shí)驗(yàn)條件于一個(gè)界面中，實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生、顯示等功能，如圖4所示．

圖4 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺界面

3 結(jié)語

以現(xiàn)有計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，附加儀器硬件與軟件平臺，虛擬儀器既實(shí)現(xiàn)了普通儀器的功能，同時(shí)派生出強(qiáng)大的特殊功能．虛擬儀器為實(shí)驗(yàn)條件不足的高校提供了較好的平臺，同時(shí)也為學(xué)生提供直觀的畫面供學(xué)生學(xué)習(xí)．

隨著虛擬儀器的不斷發(fā)展，在電信、測試、醫(yī)療等行業(yè)都有深刻的影響，同時(shí)虛擬儀器引入高校教學(xué)中，給高校帶來了一場實(shí)驗(yàn)室的革新．

[1] 畢娟.虛擬儀器與多功能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思考[J].丹東紡專學(xué)報(bào),2003,10(2):15-18.

[2] 陳敏,湯曉安.虛擬儀器軟件Lab VIEW與數(shù)據(jù)采集[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2001,22(4):501-503.

[3] 陳錫輝,張銀鴻. LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:204-301.

[4] 侯國屏,王坤,葉齊鑫. LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:229-279.

Experimental Teaching Platform Design Based on Virtual Instrument

FAN Zhi-ping, WAN Chuan-ping, ZHOU Rong

(1. School of Mechanical Electronic and Automatics Engineering, Anhui Science and Technology College, Fengyang, Anhui 233100, China；2. Chengdu Technician College, Chengdu, Sichuan 610000, China)

Experimental teaching is very important in improving the students’ practical ability. Experimental teaching platform of virtual instruments can reduce the cost and improve the enthusiasm of the students’ learning. The hardware system of the experimental teaching platform, based on the good flexibility of PCI plug-in data acquisition card, can achieve the functions such as data signal generation, and can realize the online teaching to optimize the resources.

Lab View; PCI acquisition card; signal generator; virtual Instrument; experimental teaching platform

(責(zé)任編校：李建明 英文校對：李玉玲)

TP317

A

1673-2065(2013)04-0021-03

2013-03-20

安徽科技學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科支持項(xiàng)目(AKXK20102-5); 安徽高校省級自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ20102Z057); 安徽科技學(xué)院青年基金(ZRC2011287)

范智平(1983-),女,內(nèi)蒙古錫林浩特人,安徽科技學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院教師,工學(xué)碩士;宛傳平(1975-),男,安徽廬江人,安徽科技學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院教師,工學(xué)碩士.