虛擬儀器在自動化檢測技術(shù)實驗中的應(yīng)用

林科業(yè)

（韓山師范學(xué)院物理與電子工程系 廣東潮州 521041）

虛擬儀器在自動化檢測技術(shù)實驗中的應(yīng)用

林科業(yè)

（韓山師范學(xué)院物理與電子工程系 廣東潮州 521041）

虛擬儀器是在大規(guī)模自動化、智能化電子測控系統(tǒng)需求與日俱增的形式下，計算機技術(shù)，儀器技術(shù)和通訊技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生的新型技術(shù)。本文主要是結(jié)合虛擬儀器的特點，如何應(yīng)用到自動化檢測技術(shù)中，使自動化教學(xué)的課堂能夠更加的豐富，讓學(xué)生更好的掌握自動化檢測技術(shù)這門課程。

虛擬儀器 自動化 技術(shù)教育

虛擬儀器當(dāng)前的研究情況

虛擬儀器技術(shù)是在大規(guī)模自動化、智能化電子測控系統(tǒng)需求與日俱增的形式下，計算機技術(shù)，儀器技術(shù)和通訊技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生的新型技術(shù)［1］。美國Virginia大學(xué)的William Wulf教授在1989年提出了虛擬實驗室的概念。虛擬儀器就是在計算機的顯示屏上虛擬了傳統(tǒng)儀器面板的計算機化儀器，它盡可能多的將原來由硬件電路完成的信號調(diào)理和信號處理的功能，代替為計算機的程序來完成，提供對數(shù)據(jù)的分析和處理功能。虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件，軟件即儀器，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的軟硬件具有更大的開放性，模塊化，可重復(fù)性、互換性等特點。Labview是美國國家儀器公司提供的實驗室虛擬儀器工程平臺，圖形化的程序語言，使用流程圖編程，具有虛擬儀器的全部優(yōu)點。

目前，國外對虛擬實驗室系統(tǒng)的創(chuàng)建研究已經(jīng)逐漸成熟，世界許多著名大學(xué)都進行了虛擬實驗室的研究。作為首先提出虛擬實驗室概念，并具有雄厚的科研實力和強大財力的美國，從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發(fā)，在該領(lǐng)

域的研究和應(yīng)用已處于領(lǐng)先地位，在大學(xué)的普及程度也相當(dāng)廣泛，其中麻省理工學(xué)院的WebLab遠程實驗室于1998年開發(fā)并投入使用。它提供了用于進行微電子學(xué)和電路設(shè)計課程的實驗教學(xué)，它允許學(xué)生在自己的電腦上設(shè)計并修改電路模型，然后通過一個用Java激活的web瀏覽器使用在遠程實驗室里的昂貴的測試設(shè)備來獲取測試數(shù)據(jù)，驗證自己的設(shè)計，最近還實現(xiàn)了通過手機遠程控制實驗的功能［2］。

在國內(nèi)，虛擬實驗室的建設(shè)也得到了應(yīng)有的重視。由于虛擬實驗技術(shù)的特點，它的實際應(yīng)用在理工教學(xué)中大有作為，尤其在電工電子、醫(yī)學(xué)、建筑、生化等學(xué)科有重要作用［3］。據(jù)了解，目前國內(nèi)的多數(shù)高校都根據(jù)自身教學(xué)需求建立了虛擬實驗室：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大學(xué)物理虛擬實驗室把虛擬實驗用在教學(xué)演示與物理實驗方面，是全國第一套真正意義上的虛擬實驗教學(xué)軟件。南京大學(xué)建立的分析化學(xué)大型儀器虛擬實驗室，可以在虛擬實驗室中對實驗儀器虛擬操作。此外，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等大學(xué)也建立了虛擬實驗室，方便學(xué)生學(xué)習(xí)或者用于科學(xué)研究［4］。

一、傳統(tǒng)的自動化檢測實驗存在的不足

實驗教學(xué)是在教師指導(dǎo)下學(xué)生運用一定的儀器設(shè)備進行獨立作業(yè)，觀察事物和過程的發(fā)生和變化，探求事物的規(guī)律，以獲得知識和技能的一種教學(xué)方法。實驗環(huán)節(jié)在大學(xué)理工科的教學(xué)中占據(jù)非常重要的地位，是提高學(xué)生動手能力、培養(yǎng)創(chuàng)造能力和綜合素質(zhì)的一個有效的手段，很多學(xué)科都是以實驗課程為基礎(chǔ)的，缺少了實驗的支持，工科學(xué)科的教學(xué)和科研活動就無法進行［5］。

“自動化檢測技術(shù)及應(yīng)用”是電子、電氣以及自動化等專業(yè)的必修課程。課程內(nèi)容豐富，理論性、實用性和綜合性強，必須通過實驗教學(xué)，才能掌握和運用課本的理論知識。這門課涉及的器件設(shè)備較多，儀器的更新?lián)Q代較快。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)存在以下弊端：許多學(xué)校傳感器實驗室和自動化實驗室，現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)備有的已經(jīng)老化，有的技術(shù)上相對落后，有的儀器設(shè)備在教學(xué)中只用了其中的部分功能，還有許多功能派不上用場；另一方面，某些需要的功能又不具備，需購置新的設(shè)備。在實驗教學(xué)時，實驗內(nèi)容的更新又會形成對儀器新的需求，也造成一些儀器的閑置。以至于滯后的實驗設(shè)備和死板的實驗?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，從而在很大程度上制約了實驗教學(xué)的發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

二、虛擬儀器在自動化檢測技術(shù)實驗中的優(yōu)點

利用虛擬儀器有效的解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端。與傳統(tǒng)的實驗室相比，虛擬儀器實驗室具有以下優(yōu)勢：

（l）減少實驗設(shè)備資金的投入。首先，在一臺計算機上就可以實現(xiàn)諸如示波器、函數(shù)發(fā)生器、電壓表、頻譜分析儀等多種儀器的功能，大大節(jié)約了儀器成本。其次，傳統(tǒng)儀器維護費用高，需要耗費大量的人力物力。虛擬儀器基于軟件的體系結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開發(fā)和維護費用。

（2）便于開放式管理，擴大教學(xué)規(guī)模。虛擬儀器實驗室系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳送，指導(dǎo)老師通過計算機監(jiān)控實驗過程，可以同時管理幾十甚至上百個學(xué)生做實驗。

通過虛擬實驗室，可以隨時將傳感器實驗和自動化實驗搬到課堂上進行演示，理論聯(lián)系實踐，實現(xiàn)“實驗室’走進課堂，“儀器”搬上講臺，現(xiàn)場操作儀器，動態(tài)顯示測試原理，強化了教學(xué)效果。在課下，還可以使每個學(xué)生立刻進入“虛擬實驗室”，“實地”反復(fù)操作儀器，復(fù)現(xiàn)實驗內(nèi)容，對實現(xiàn)過程的細節(jié)放大，加深實驗的感受，為實驗者提供大量的實驗機會，這樣可以大大提高學(xué)生們在實際操作中的動手能力，提高實驗教學(xué)的效果。

三、虛擬儀器在自動化檢測技術(shù)實驗中的應(yīng)用

在自動檢測技術(shù)實驗中，可以利用虛擬儀器制作上位機系統(tǒng)。通過上位機系統(tǒng)采集下位機系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理，進行顯示或反饋控制下位機的運行狀態(tài)。工作運用如圖1所示。通過各類傳感器采集相應(yīng)的物理量（如質(zhì)量、直徑、液位、交通情況、轉(zhuǎn)速、溫度等），經(jīng)過處理電路進行處理，再傳輸給單片機控制器，共同組成下位機系統(tǒng)。單片機控制器再通過串口線將處理結(jié)果傳輸給上位機labview控制界面進行相應(yīng)的處理。

圖1 虛擬儀器控制系統(tǒng)示意圖

下面以溫度控制系統(tǒng)和計價系統(tǒng)為例，介紹虛擬儀器在自動化檢測技術(shù)中的應(yīng)用。

如圖2所示，該溫度自動檢測控制系統(tǒng)是采用虛擬儀器軟件設(shè)置控制界面，該系統(tǒng)可以同時控制8路溫度信號，隨時監(jiān)控任意一路溫度信號。圖中①是串口端口，主要設(shè)置串口的通訊信息。圖②是控制選擇界面，可以選擇顯示那一路控制端口的溫度；如圖所示，在進行控制時，控制開關(guān)要打開，A、B、C這三個按鍵按下010，選擇第3路控制端口的溫度，同時通過指示燈進行顯示。圖③是溫度顯示窗口，顯示采集到的溫度信息，如圖所示，在數(shù)據(jù)采集端口打開時，采集到的第3路端口的溫度是72℃。圖④是該系統(tǒng)的總開關(guān)。

圖2 溫度采集系統(tǒng)控制界面

通過圖2的控制界面，只需要間下位機采集的溫度信號傳輸過來，就可以進行溫度的檢測和控制。節(jié)省大量的控制儀器設(shè)別，是要操作簡單已掌握。

如圖3所示，該計價系統(tǒng)，主要是通過下位機系統(tǒng)采集質(zhì)量、電量或水量，再通過利用上位機系統(tǒng)設(shè)計的的計算器輸入單價，就能計算出相應(yīng)的總價。圖3中（a）是物價計算系統(tǒng)，接收下位機傳輸過來的的質(zhì)量，計算總物價。圖3中（b）是電費計算系統(tǒng)，接收下位機傳輸過來的的電量，計算電費。圖3中（c）是水費系統(tǒng)，接收下位機傳輸過來的的水量，計算水費。

圖3 計價系統(tǒng)控制界面

通過圖3接收下位機傳輸過來的物理量，就能輕易的對數(shù)據(jù)進行顯示處理。具有一定的實驗性和可操作性。

自動化檢測技術(shù)實驗是一門綜合性的實驗，通過引進虛擬儀器，能夠使實驗內(nèi)容可更豐富，更精彩。與傳統(tǒng)實驗相比，其具有更加鮮明的可操作性，經(jīng)濟性和研究性。

四、結(jié)束語

隨著信息時代的發(fā)展，電子技術(shù)和自動技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)作為測控技術(shù)的主要發(fā)展方向也必將在該領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著越來越重要的作用，自動測試系統(tǒng)也因虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展而完善。將虛擬儀器引入到自動化檢測實驗的課程，能夠這一門課程更精彩。

［1］.陳小紅.虛擬實驗室的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］，北京：中國現(xiàn)代裝備，2010.

［2］.黃幕雄.高校教學(xué)型虛擬實驗室建設(shè)的現(xiàn)狀與建議［J］，蘭州：電化教育研究，2005.

［3］.陳志超.基于LabView的液位預(yù)測控制系統(tǒng)的設(shè)計［d］，合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

［4］.彭偉.單片機C語言程序設(shè)計100例［M］，北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［5］.童剛.虛擬儀器實用編程技術(shù)［M］，北京：機械工業(yè)出版社，2008，58-70.

林科業(yè)，1985.10，男，碩士研究生，電路與系統(tǒng)：主要從事本科教學(xué)工作。

the Application of Virtual Instrument in the Automated Testing Technology Experiment

LIN Ke-ye
（Hanshan Normal University，Chaozhou，521041，China）

Virtual instrument，by growing in large-scale automation，intelligent electronic measurement and control system，is a computer technology，the combination of instrument technology and communication technology to produce a new type of technology.This paper is combined with the characteristics of virtual instrument，how to apply to the automatic detection technology，and make automation teaching classroom can be more rich.let the students better grasp automated detection technology for this course.

sVirtual instrument；Automation；Technical education