虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)建設(shè)與改革

詹惠琴，古 軍

(電子科技大學(xué) 自動化工程學(xué)院，四川 成都 611731)

建設(shè)“虛擬儀器技術(shù)”精品課程，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，建設(shè)目標(biāo)是[1]：(1)具有綜合性、階段性、創(chuàng)新性、開放性的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；(2)具有先進(jìn)性、通用性、多功能、低成本的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺；(3)具有虛擬化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?；默F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)建設(shè)的基本思路是：將計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中，建立先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，建設(shè)有利于學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力培養(yǎng)的實(shí)踐課程。目前電子科技大學(xué)已完成了實(shí)驗(yàn)課程體系的建設(shè)，研制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，開發(fā)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，開設(shè)了“虛擬儀器基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”和“虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)”兩門實(shí)驗(yàn)課程。

1 虛擬儀器技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢

虛擬儀器是一種以通用計(jì)算機(jī)和測試模塊硬件為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)軟件為核心構(gòu)成的計(jì)算機(jī)儀器。虛擬儀器的儀器面板和儀器功能都可由用戶軟件來定義[2]。虛擬儀器技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢是[3-6]：(1)作為一種先進(jìn)的、創(chuàng)新的技術(shù)，適合培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的人才；(2)作為一種綜合的、集成的技術(shù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和實(shí)踐能力；(3)作為一種經(jīng)濟(jì)的、實(shí)用的技術(shù)，有利于教學(xué)實(shí)踐基地的規(guī)?；ㄔO(shè)，能真正把實(shí)踐能力的培養(yǎng)落到實(shí)處。

虛擬儀器實(shí)驗(yàn)課程的優(yōu)勢還體現(xiàn)在“軟件定義儀器”的虛擬性，可給學(xué)生一個(gè)充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力和展示才能的空間，非常適合作為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并按照嶄新的教學(xué)模式進(jìn)行學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[7-8]。

2 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可劃分為硬件和軟件兩大部分[9](見圖1)，其中硬件系統(tǒng)包含個(gè)人計(jì)算機(jī)、測試硬件平臺和多種實(shí)驗(yàn)電路子板3部分。

(1) 通用個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)：它應(yīng)具有運(yùn)行圖形化編程軟件的能力。

(2) 通用測試硬件平臺：它具有數(shù)據(jù)采集、信號產(chǎn)生、定時(shí)計(jì)數(shù)、與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等多種功能。模擬輸入有3路，包括2路8位/100 MHz的高速ADC和1路低速的12位的雙積分ADC。模擬輸出包括2路12位/100 MHz的高速DAC。數(shù)字I/O還包括16路高速數(shù)字信號的輸入通道和輸出通道。此外，在FPGA芯片內(nèi)還有1組計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的邏輯電路。

(3) 多種實(shí)驗(yàn)電路子板。

圖1 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)的基本組成

軟件也包括3部分：(1)虛擬儀器軟件開發(fā)平臺labVIEW和labWindows/CVI；(2)虛擬儀器庫，包含示波器、信號源、電壓表、計(jì)數(shù)器等10余種虛擬儀器驅(qū)動程序；(3)多個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)程序。

虛擬儀器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容包括軟件開發(fā)平臺(LabVIEW)技術(shù)、虛擬儀器基本硬件平臺技術(shù)、測試信號分析與處理技術(shù)、典型虛擬儀器設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)幾大部分。

3 基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括軟件編程實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)3類。

(1) 軟件編程實(shí)驗(yàn)類：①創(chuàng)建和編寫VI程序；②循環(huán)和子VI；③控制結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)和公式結(jié)點(diǎn)；④數(shù)組和圖形；⑤文件操作；⑥仿真信號的產(chǎn)生和分析；⑦虛擬儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

(2) 硬件實(shí)驗(yàn)類：①虛擬多波形信號源的原理和應(yīng)用；②電子計(jì)數(shù)器測頻和測周原理；③雙積分式A/D原理和直流電壓測量；④R、L、C元件參數(shù)測量；⑤信號頻譜分析和測試；⑥邏輯分析儀實(shí)驗(yàn)；⑦數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)；⑧人機(jī)對話接口電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。

(3) 設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)類：①數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)；②直流電壓表設(shè)計(jì)；③虛擬數(shù)字交流電壓表設(shè)計(jì)；④數(shù)字存儲示波器的設(shè)計(jì)；⑤實(shí)用信號源設(shè)計(jì)；⑥頻率特性測試儀的設(shè)計(jì)和調(diào)試；⑦溫度檢測與控制的設(shè)計(jì)與調(diào)試；⑧應(yīng)用邏輯分析儀的CPLD設(shè)計(jì)及功能測試。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)性、綜合性強(qiáng)，涉及的課程有：電子測量原理、模擬與數(shù)字電路、虛擬儀器、微機(jī)原理及接口技術(shù)、電子設(shè)計(jì)自動化(CPLD技術(shù))、傳感器原理、信號與系統(tǒng)、軟件程序設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括測試技術(shù)及儀器、模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)、微機(jī)接口及系統(tǒng)、軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試、軟硬件聯(lián)調(diào)和測試。

4 基于虛擬儀器技術(shù)的學(xué)生綜合能力培養(yǎng)

用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行學(xué)生綜合能力培養(yǎng)，采取分段、分級進(jìn)行[10]。學(xué)生從基本功練起，由易到難、由局部到整體，以“虛擬儀器技術(shù)”課程為基礎(chǔ)和起點(diǎn)，逐步學(xué)習(xí)虛擬儀器原理、圖形化軟件編程、標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)、數(shù)字信號處理的應(yīng)用、硬件模塊的開發(fā)與系統(tǒng)集成等，最后達(dá)到提高綜合能力的目的[11]。

綜合能力培養(yǎng)可劃分成4個(gè)階段。

(1) 熟悉階段。本科教學(xué)計(jì)劃中的“虛擬儀器技術(shù)”，以學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)習(xí)虛擬儀器的原理及使用，掌握圖形化編程的虛擬儀器開發(fā)平臺。學(xué)生在學(xué)完本課程后，應(yīng)熟悉虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，具有初步應(yīng)用LabVIEW開發(fā)虛擬儀器的能力。

(2) 掌握階段。學(xué)生可選用某種現(xiàn)成的虛擬儀器硬件平臺(SJ-8002B綜合實(shí)驗(yàn)平臺等)，利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺[12]和數(shù)字信號處理技術(shù)，獨(dú)立開發(fā)幾種典型的虛擬儀器——數(shù)字多用表、示波器、計(jì)數(shù)器、信號發(fā)生器等，并使之達(dá)到實(shí)用化。這一層次主要是軟件開發(fā)，不需要深入了解硬件接口。

(3) 設(shè)計(jì)階段。學(xué)生在學(xué)完微機(jī)原理及接口技術(shù)、C語言、模擬與數(shù)字電路、電子測量等課程后，可利用課外科技活動或課程設(shè)計(jì)，開發(fā)虛擬儀器及系統(tǒng)，掌握軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù)，接受較全面的訓(xùn)練。硬件平臺除PC機(jī)外，還有傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號調(diào)理、各種模入/模出或數(shù)入/數(shù)出功能的接口板；軟件平臺為LabVIEW或LabWindows/CVI。學(xué)生除了設(shè)計(jì)制作少量外圍電路外，基本上不需制作硬件模板，但需分析、掌握所選用模板的工作原理和接口電路。

(4) 應(yīng)用階段。學(xué)生自主開發(fā)一個(gè)虛擬儀器或測控系統(tǒng)。系統(tǒng)要完成什么功能、采用什么體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)總線、如何設(shè)計(jì)制作硬件接口板、采用什么軟件平臺等均由學(xué)生自己決定。把虛擬儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)平臺上開展數(shù)據(jù)采集、過程控制的綜合實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括硬件接口技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)、儀器驅(qū)動技術(shù)和用戶界面的設(shè)計(jì)、各種測量和控制算法研究、DSP技術(shù)在虛擬儀器中的應(yīng)用等。

5 典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡介

(1) 電路板頻域特性測試。用實(shí)驗(yàn)平臺提供的DDS產(chǎn)生掃頻正弦信號，作為被測濾波器電路板的激勵信號源，用實(shí)驗(yàn)平臺的高速采集通道采集被測濾波器的輸出信號，計(jì)算出不同頻率點(diǎn)下的輸出信號與輸入信號的幅值比，即為濾波器的幅頻特性(見圖2)。

(2) 溫度檢測與控制實(shí)驗(yàn)。溫度實(shí)驗(yàn)電路板上包括溫度傳感器、加熱燈泡和控制電路。將實(shí)驗(yàn)電路板連接測試平臺的62芯插座，溫度傳感器把溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，送入測試平臺的信號調(diào)理電路，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后以數(shù)字溫度計(jì)和曲線形式顯示在屏幕上，再根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)溫度和控制方式控制加熱器的通斷。實(shí)驗(yàn)界面如圖3所示。

(3) 信號的頻譜分析。學(xué)生使用本實(shí)驗(yàn)平臺提供的正弦波、三角波和方波等常用信號進(jìn)行頻譜分析，還可對自己設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生的任意組合波形進(jìn)行頻譜分析。圖4是對包含三次諧波的組合波形進(jìn)行頻譜測試的結(jié)果。

圖2 濾波器頻率特性測試(掃頻)實(shí)驗(yàn)界面

圖3 溫度檢測與控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面

圖4 組合波形的產(chǎn)生和頻譜分析

6 結(jié)束語

基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，把計(jì)算機(jī)技術(shù)、測試技術(shù)與電子技術(shù)緊密融合在一起，實(shí)現(xiàn)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法的革新。由于自行研制的虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺多功能、多用途、低成本，因此能在投資省的情況下實(shí)現(xiàn)本科實(shí)驗(yàn)規(guī)?；慕ㄔO(shè)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化，具有鮮明的時(shí)代特征。這些建設(shè)成果，已在我校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用多年，培養(yǎng)了大量人才，取得了良好的效果。該虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺還在國內(nèi)多所高校中推廣應(yīng)用，具有地域輻射和廣泛的示范作用。

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