基于虛擬儀器的電子實(shí)驗(yàn)室的研究

張雪俠，付安英，商 瑩

（陜西國際商貿(mào)學(xué)院 陜西 西安 712046）

基于虛擬儀器的電子實(shí)驗(yàn)室的研究

張雪俠，付安英，商 瑩

（陜西國際商貿(mào)學(xué)院 陜西 西安 712046）

本課題是基于虛擬儀器的電子實(shí)驗(yàn)室的研究，通過對(duì)傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行分析，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到電子實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)中，解決電子實(shí)驗(yàn)室存在的問題。文中對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，其組成包括基本硬件電路和軟件程序編寫的面板。硬件電路的核心部分是數(shù)據(jù)信號(hào)的處理和數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)，通過PCI總線實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)各種電路的設(shè)計(jì)和仿真，以及電子測(cè)量中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)學(xué)生可以通過虛擬環(huán)境進(jìn)行自主設(shè)計(jì)電路，進(jìn)行綜合電路的設(shè)計(jì)和分析，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

虛擬儀器；虛擬電子實(shí)驗(yàn)室；電路設(shè)計(jì)和分析；虛擬環(huán)境

實(shí)驗(yàn)室是工科類高等學(xué)校教學(xué)和課題項(xiàng)目研究的主要場(chǎng)所，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)對(duì)于科研項(xiàng)目的研究顯得更尤為重要。 隨著虛擬技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬儀器、虛擬電子實(shí)驗(yàn)室等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已迅速在電子實(shí)驗(yàn)、電子測(cè)量和電子設(shè)計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用[1]。目前，虛擬電子實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)基本的電路測(cè)試和設(shè)計(jì)，但技術(shù)還不夠成熟，其在教育教學(xué)等技術(shù)上的應(yīng)用還需進(jìn)一步深入研究。

1 目前現(xiàn)實(shí)電子實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀及特點(diǎn)

目前我國高校電子類實(shí)驗(yàn)室中，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器和設(shè)備基本比較陳舊、老化，元器件的參數(shù)發(fā)生變化比較嚴(yán)重，并且不能及時(shí)進(jìn)行更新，不能滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，學(xué)生的綜合素質(zhì)，特別是自主實(shí)踐學(xué)習(xí)能力急需提高[2]。

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受教學(xué)方式、內(nèi)容和儀器質(zhì)量的影響，使學(xué)生接受的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不夠充分，一定程度上影響了學(xué)生綜合實(shí)踐能力[3]，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和綜合能力的提高。

電路分析是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，讓學(xué)生利用已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)合教師的教學(xué)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，驗(yàn)證所學(xué)到的電路原理[4]。但實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題有:1）由于學(xué)生電路接線錯(cuò)誤或其他原因?qū)е略骷龎模绊憣?shí)驗(yàn)；2）學(xué)生實(shí)驗(yàn)的大部分時(shí)間都是在連接電路，對(duì)電路認(rèn)真分析的時(shí)間很少，僅僅是為了得到數(shù)據(jù)而進(jìn)行操作；3）實(shí)驗(yàn)的元件參數(shù)離散型比較大，儀器測(cè)量準(zhǔn)確度不夠，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大，無法得到相應(yīng)的結(jié)論。

針對(duì)電子實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀和問題，要對(duì)實(shí)驗(yàn)室的存在形式和學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行分析，利用虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合電子實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)虛擬電子實(shí)驗(yàn)室，滿足課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和自主電路設(shè)計(jì)的要求。

2 虛擬儀器與虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的技術(shù)，虛擬儀器就是利用計(jì)算機(jī)，結(jié)合相應(yīng)的硬件和專用軟件，實(shí)現(xiàn)既具有傳統(tǒng)儀器的基本功能，又有一定特殊功能的靈活方便的新型儀器[5-6]。

虛擬儀器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件電路模塊實(shí)現(xiàn)的功能為：利用傳感器檢測(cè)外部模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，利用信號(hào)檢測(cè)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，得到處理后的電信號(hào)。之后對(duì)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換和采集、處理。

圖1 虛擬儀器的基本組成結(jié)構(gòu)

軟件部分由計(jì)算機(jī)來完成，它主要完成硬件電路的驅(qū)動(dòng)程序9和虛擬示波器的設(shè)計(jì)。采集信號(hào)驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖2所示。電路的統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序硬件模塊與PC機(jī)通過PCI總線的接口電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。

圖2 驅(qū)動(dòng)程序流程圖

利用虛擬軟件的圖形環(huán)境，建立友好的虛擬面板界面，操作人員通過簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置和圖形化編程語言實(shí)現(xiàn)儀器的控制，完成數(shù)據(jù)的測(cè)試和處理。由于軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，對(duì)于基本的硬件電路，只要通過不同的軟件操作和控制就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能[7-10]。另外虛擬儀器軟件可以通過各種虛擬集成子塊的組合，就可以代替部分或整個(gè)傳統(tǒng)儀器的測(cè)試功能。在利用虛擬軟件進(jìn)行編寫數(shù)據(jù)測(cè)試的過程中，數(shù)據(jù)的變化及處理過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)的處理過程

因此利用虛擬儀器建立虛擬的實(shí)驗(yàn)室是非常有意義的，利用虛擬儀器完成信號(hào)發(fā)生器、示波器等基本設(shè)備，減少儀器的精度不夠帶來的誤差，以及調(diào)試儀器的繁瑣步驟，同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本。

3 虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

虛擬電子實(shí)驗(yàn)室可以作為傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)室的補(bǔ)充，在學(xué)生掌握實(shí)物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，初步掌握仿真軟件技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論緊密聯(lián)系起來，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行具體分析，將課堂內(nèi)容具體化。同時(shí)利用虛擬環(huán)境，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，建立一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，進(jìn)而進(jìn)一步提高實(shí)踐教學(xué)效率和質(zhì)量[11-14]。

虛擬電子實(shí)驗(yàn)室是以PC機(jī)為平臺(tái)，運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的測(cè)量?jī)x器，實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試系統(tǒng)。通過此虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以很靈活的對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行操作，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以解決傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)室設(shè)備存在的各種問題，將在高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮極大的作用。

虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。整體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括3個(gè)部分，EDA系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、輔助教學(xué)系統(tǒng)、電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)。EDA系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)又分為模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)和電路分析實(shí)驗(yàn)，此部分主要利用仿真軟件完成硬件電路設(shè)計(jì)，并通過系統(tǒng)的仿真完成測(cè)試過程。電子測(cè)量試驗(yàn)需要利用外圍的硬件電路搭建結(jié)合計(jì)算機(jī)的虛擬儀器界面，完成數(shù)據(jù)的采集和測(cè)量，并通過虛擬示波器得到具體的分析數(shù)據(jù)和波形。輔助教學(xué)系統(tǒng)主要是學(xué)生可以根據(jù)虛擬環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，通過局域網(wǎng)中的電子極域教室提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師可以接收并修改實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4 虛擬儀器在電路分析實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

電路分析課程理論性較強(qiáng)，對(duì)于初接觸電路的學(xué)生來數(shù)，很多的定理和電路分析方法和概念很難理解，所以就需要通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行解決。在了解了理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，搭建電路并通過測(cè)量?jī)x器得到所需的數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析結(jié)果。但由于電路分析實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備的老化，使測(cè)量數(shù)據(jù)存在很大的誤差，對(duì)結(jié)論的分析存在很大的影響。并且在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生對(duì)電路的搭建過程較長(zhǎng)，僅僅為了數(shù)據(jù)而進(jìn)行測(cè)量，而不關(guān)心電路的結(jié)構(gòu)或問題的分析，改變了做實(shí)驗(yàn)的初衷。

圖4 虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

利用虛擬儀器技術(shù)完成電路分析實(shí)驗(yàn)可以避免出現(xiàn)以上的問題，使用計(jì)算機(jī)虛擬電子實(shí)驗(yàn)室，不僅可以很方便、直觀地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)與演示各種電子電路的工作原理，提高實(shí)驗(yàn)的效率，同時(shí)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)電路的興趣，并且能夠更深入的去研究電路的結(jié)構(gòu)和工作原理并且進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。電路分析實(shí)驗(yàn)的完成過程如圖5所示。在電路分析實(shí)驗(yàn)室配備相應(yīng)的計(jì)算機(jī)，并安裝相應(yīng)的虛擬仿真軟件，如Multisim，通過組裝電路，結(jié)合虛擬示波器和數(shù)字萬用表實(shí)現(xiàn)電路的測(cè)試過程，掌握實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程的操作。并將仿真的結(jié)果與物理硬件電路的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，分析數(shù)據(jù)誤差出現(xiàn)的原因和問題所在。

圖5 電路分析實(shí)驗(yàn)完成過程

另外利用虛擬環(huán)境也可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)電路深入的理解，并根據(jù)個(gè)人興趣進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)以及仿真。利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，同時(shí)教師可以通過軟件設(shè)置電路故障，使學(xué)生通過所學(xué)知識(shí)和實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行故障排查，提高實(shí)踐操作能力。

5 結(jié)束語

虛擬電子實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了良好的環(huán)境，同時(shí)對(duì)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和構(gòu)建以學(xué)生為主體的教學(xué)模式提供了有利的條件[15-16]。如果將虛擬電子實(shí)驗(yàn)室利用網(wǎng)絡(luò)，建立遠(yuǎn)程控制或開放性實(shí)驗(yàn)室，可以方便學(xué)生自由的進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和電路的設(shè)計(jì)，并且結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和綜合設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行深入的研究，提高學(xué)生的科研和動(dòng)手能力。

在今后的研究中，嘗試著將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)和在線實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，同時(shí)應(yīng)用到其他的領(lǐng)域中。

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Research of electronic laboratory based on virtual instrument

ZHANG Xue-xia，F(xiàn)U An-ying，SHANG Ying
（Shaanxi International Business College，Xi'an 712046，China）

This paper is based on virtual instrument electronics laboratory research，through the current situation and problems of the traditional electronic laboratory analysis，the design of virtual instrument technology is applied to the electronic laboratory，solve problems of lab of electronic.In this paper，the overall design of the virtual laboratory structure is analyzed，including the basic hardware circuit and software program written in the panel.The core part of the hardware circuit design of the data signal processing and data acquisition，through PCI bus to achieve the connection with the computer，to achieve a variety of circuit design and simulation， and electronic measurement in the related experiments.At the same time，students can design and analyze the integrated circuit through the virtual environment，which can improve the students'practical ability.

virtualinstrument；virtualelectroniclaboratory；circuitdesignandanalysis；virtualenvironment

TN99

：A

：1674－6236（2017）06-0170-03

2016-03-28稿件編號(hào)：201603365

陜西國際商貿(mào)學(xué)院校級(jí)科研課題資助（201405）

張雪俠（1978-），女，安徽宿州人，碩士，講師。研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。