基于虛擬儀器的綜合實驗室平臺探索

劉文靜

摘 要：基于虛擬儀器的綜合實驗室平臺的探索，能夠構(gòu)建一個完善的能完成多學(xué)科實驗的綜合實驗會平臺，更好地完成校園實驗室資源共享，使得學(xué)生可以遠(yuǎn)程操作實驗，也能促進(jìn)教師與學(xué)生在實驗上的溝通交流。本文通過研究綜合實驗平臺的結(jié)構(gòu)與模式，了解其的軟件構(gòu)建以及實現(xiàn)過程，探索基于虛擬儀器的綜合實驗室平臺，以供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 綜合實驗 平臺探索 資源整合

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-9082（2019）05-0-01

一、綜合實驗平臺的結(jié)構(gòu)與模式

目前我國已有的虛擬儀器實驗室主要是針對某一課程的實驗內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，以保證最后的研究內(nèi)容，是以數(shù)據(jù)采集卡與虛擬儀器試驗箱為基礎(chǔ)完成的結(jié)構(gòu)模式的建設(shè)。還有部分的綜合實驗平臺會向著網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的方向不斷地發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷提高，基于虛擬儀器的綜合實驗室建設(shè)能夠最大程度的完成資源共享。筆者在文中所研究的綜合實驗室便是以虛擬儀器為基礎(chǔ)，以本?，F(xiàn)有的電子信息課程實驗硬件為輔助的能夠完成多種實驗的虛擬儀器綜合實驗平臺，主要是以校園網(wǎng)完成實驗儀器的資源共享，以遠(yuǎn)程操作的技術(shù)讓學(xué)生完成實踐。研究綜合實驗室平臺的目的，是為了保證以學(xué)?，F(xiàn)有的資源為基礎(chǔ)，讓學(xué)生盡可能的接觸實驗內(nèi)容，保證最大程度的利用學(xué)校的資源。

二、綜合實驗平臺的軟件構(gòu)建以及實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集通信板塊、信號處理板塊、實驗選擇板塊等內(nèi)容組合成為了綜合實驗室的平臺軟件。

1.數(shù)據(jù)采集與通信板塊

綜合實驗室平臺中所包含的硬件一起較多，使得平臺需要大量的數(shù)據(jù)接口。為了保證平臺的主機(jī)能夠與多個硬件一起通信，可以選擇一些硬件采集設(shè)備做種中介完成數(shù)據(jù)的連接與通信。由此可知，本平臺軟件的數(shù)據(jù)采集模塊有各種不同的數(shù)據(jù)通信方式，學(xué)生可以選擇不同的控件來完成對于數(shù)據(jù)的采集與通信。

2.信號處理板塊

部分實驗硬件儀器的時間較久，存在一定的老化現(xiàn)象，也會使得信號噪音的影響越來越嚴(yán)重，阻礙了學(xué)生對于信號數(shù)據(jù)的采集。因此，必須要及時的對于實驗信號進(jìn)行濾波降噪工作，才能更好地完成信號數(shù)據(jù)的采集。對于上機(jī)位輸出的信號，則是要根據(jù)輸出信號的性質(zhì)進(jìn)行處理，結(jié)合通信接口的協(xié)議，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)包，完成數(shù)據(jù)的采集與輸出。

3.實驗板塊

虛擬儀器課程實驗、微機(jī)實驗、自控實驗等內(nèi)容都是實驗板塊重視的內(nèi)容。綜合實驗平臺以虛擬儀器課程的實驗為主要內(nèi)容，以AD-300實驗儀為基礎(chǔ)完成十多個主要的實驗。而微機(jī)實驗、自控實驗等則是通過虛擬儀器Labview完成硬件儀器的軟件化，使得虛擬儀器界面化，有利于學(xué)生更為便捷的完成實驗操作。試驗箱的實驗任務(wù)還是以原本的實驗內(nèi)容為基礎(chǔ)，與之前存在差異的步驟是信號分析和控制變成虛擬儀器平臺的工作。

4.網(wǎng)絡(luò)發(fā)布板塊

為了保證保證綜合實驗室能夠面向全校學(xué)生開放，該實驗室必須以校園網(wǎng)為平臺，以虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)通信板塊等功能為輔助完成實驗室平臺的網(wǎng)絡(luò)化。實現(xiàn)實驗室平臺的網(wǎng)絡(luò)化，能夠讓學(xué)生在日常閑暇時通過校園網(wǎng)的端口進(jìn)入實驗室平臺，完成實驗的學(xué)習(xí)、操作與復(fù)習(xí)，教師也可以通過校園網(wǎng)為學(xué)生安排下一屆實驗課的內(nèi)容，便于學(xué)生更好地掌握實驗內(nèi)容。

Labview Web Server功能比較適合操作，同時能兼顧其他技術(shù)能實現(xiàn)的大部分功能。根據(jù)調(diào)查可知，DataSocket技術(shù)在數(shù)據(jù)共享以及實時數(shù)據(jù)發(fā)布的范圍內(nèi)使用頻率較高，但是由于其安全隱患較多，通用性較差，所以本校在研究探索實驗平臺的過程中，是采用Labview Web Server功能試驗網(wǎng)絡(luò)發(fā)布板塊功能的。試驗創(chuàng)建之后，學(xué)生可以在Labview的Tools選項中選擇Webpublishing tool內(nèi)容，還需要設(shè)置相關(guān)的功能選項才可以進(jìn)行使用。學(xué)生可以通過自己的電腦完成HTML文件的瀏覽，其優(yōu)點(diǎn)在于學(xué)生可以不安裝Labview，只需要安裝運(yùn)行引擎。

5.設(shè)計性實驗板塊

設(shè)計性實驗時在學(xué)生理解實驗原理知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗?zāi)康牡膬?nèi)容，靈活的應(yīng)用自身所學(xué)習(xí)的知識與技能，創(chuàng)造性的完成思維與實驗活動。因此，設(shè)計性實驗板塊需要通過預(yù)留的數(shù)據(jù)傳輸端口，為學(xué)生提供自主創(chuàng)新設(shè)計實驗的機(jī)會。在設(shè)計性實驗板塊中，主要是通過具有引導(dǎo)性的方式設(shè)置上下機(jī)位，借此完成數(shù)據(jù)采集與控制例如聲卡、USB接口等。這些都在學(xué)生的電腦終端設(shè)置有硬件接口。學(xué)生通過聲卡采集從耳麥中傳來的聲音，以自身能力與需求為基礎(chǔ)，創(chuàng)新設(shè)計虛擬的示波器與聲音分析儀，也可以設(shè)計信號源來完成音樂的播放。學(xué)生也可以通過以太網(wǎng)卡，創(chuàng)新實驗設(shè)計以局域網(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸方式或是聊天對話方式，除此之外，學(xué)生還可以以USB接口設(shè)備為基礎(chǔ)設(shè)計傳輸文件的虛擬接口程序，便于電腦文件的傳輸?shù)取?/p>

三、實驗過程

學(xué)生在平臺軟件主界面的菜單功能鍵進(jìn)行選擇，利用已有的功能板塊完成相對應(yīng)的課程實驗，保證學(xué)生的完整操作。筆者以虛擬儀器技術(shù)課程實驗為例，完成綜合實驗室額系統(tǒng)測試工作，整個工作的完成氛圍以下三個步驟：

第一，將實驗儀器（如Labjack u12、AD-300實驗儀等）鏈接到主機(jī)上，接好每一個實驗板塊所需要的信號線。

第二，單擊虛擬儀器實驗按鈕，就可以成功的進(jìn)入到所選課程的實驗主界面，學(xué)生可以根據(jù)自身的實驗需求選擇相對應(yīng)的功能按鍵。

第三，筆者以交通燈的實驗為例，奠基主界面的交通燈選項，進(jìn)入交通燈板塊控制實驗，學(xué)生需要設(shè)置相關(guān)的參數(shù)（如紅綠燈倒計時等）。根據(jù)相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)顯示，實驗程序與實驗儀器鏈接通信過程正常，實驗?zāi)M控制過程正常，由此可以得出結(jié)論，筆者在文中所構(gòu)建的以虛擬儀器為基礎(chǔ)的綜合實驗室平臺能夠為學(xué)生的學(xué)習(xí)與教師的教學(xué)帶來有效的、可靠的、便捷的幫助。

結(jié)語

根據(jù)文中內(nèi)容可知，綜合實驗平臺軟件對于本校的多種實驗教學(xué)都產(chǎn)生積極的作用，學(xué)校與教師應(yīng)當(dāng)重視以虛擬儀器為基礎(chǔ)的綜合實驗平臺的開發(fā)與利用，合理科學(xué)的設(shè)計各個板塊的內(nèi)容，為學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)造更好地條件。

參考文獻(xiàn)

[1]羅劉敏，王明霞，郭艷花，劉曉青.基于虛擬儀器技術(shù)的傳感器實驗教學(xué)系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（20）：231-233.

[2]陳晴，陳林，張志.基于虛擬儀器的開放式虛擬實驗室系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2007，（04）：109-112.

[3]張炯，方湘陵，許巍，孫超倫，熊永紅.基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程實驗室[J].實驗室研究與探索，2007，（09）：12-13+22.

[4]何恒靖，趙偉，黃松嶺.云計算環(huán)境下儀器虛擬化研究[J].電測與儀表，2014，51（16）：11-16.