基于虛擬儀器的教學實驗設(shè)計與實現(xiàn)

杜恩祥+常雷

摘要：本文通過介紹基于虛擬儀器的實驗教學環(huán)境特點、構(gòu)建方法及實驗設(shè)計實例，為該類教學實驗推廣提供依據(jù)。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建實驗教學環(huán)境不僅解決了傳統(tǒng)教學實驗的費用高問題，而且教學模式更加靈活、高效。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；教學實驗；振動測試

傳統(tǒng)的測試技術(shù)實驗教學通常需要傳感器、放大器、信號處理設(shè)備等多種多套器材和儀器，常常因為經(jīng)費投入不足或后續(xù)維護費用問題，不能滿足實驗條件要求，難以保證正常的實驗教學。

一、基于虛擬儀器的教學實驗環(huán)境特點1節(jié)省實驗費用，提高設(shè)備利用率

通過更換軟件就可實現(xiàn)電壓表、電流表、波形顯示、參數(shù)計算等多種功能，避免了大量硬件設(shè)備的使用維護，同時在一套設(shè)備上可以完成多種功能，大大提供了設(shè)備利用率。

2交互性好，技術(shù)更新快

通過軟件界面操作實現(xiàn)各種實驗，既可隨時顯示操作步驟、故障提示、也可設(shè)置不同模式為學生提供不同測試數(shù)據(jù)，供學生分析、查找原因。同時可根據(jù)技術(shù)發(fā)展特點、教學要求變化，更新軟件滿足實驗要求，避免了硬件設(shè)備陳舊，技術(shù)更新周期長，不能及時跟上新技術(shù)、新設(shè)備、新標準的步伐等問題。

3便于網(wǎng)絡(luò)教學，資源共享

該類儀器的核心是一臺計算機，聯(lián)網(wǎng)后能實現(xiàn)多種儀器的資源共享，避免硬件設(shè)備的重復購買。甚至像頻譜儀、邏輯分析儀、大型測試裝置等昂貴的設(shè)備，學生也能夠通過網(wǎng)絡(luò)進行學習和使用。

二、構(gòu)建基于虛擬儀器教學實驗環(huán)境的方法以計算機為核心，配上各種功能卡和軟件系統(tǒng)，即構(gòu)成了基本的虛擬儀器，既可以完成普通儀器的功能，又可以實現(xiàn)信號處理和分析的功能。

1虛擬儀器硬件平臺構(gòu)建

虛擬儀器典型的主機系統(tǒng)有普通PC機和PXI控制器。以普通PC機為主機的虛擬儀器，需配置PCI接口模式的數(shù)字量輸入輸出采集卡、模擬量輸入輸出卡、視頻采集卡、1394等各種功能采集卡，系統(tǒng)特點是價格便宜；以PXI控制器為核心的虛擬儀器，需配置PXI接口相應的功能采集卡，系統(tǒng)特點是性能穩(wěn)定、可靠，但價格昂貴。

虛擬儀器的主機系統(tǒng)完成信號波形顯示、掃頻、頻率變化、濾波等信號分析、處理、顯示、存儲等功能。配置的功能卡完成信號采集和控制、激勵信號輸出的功能。其中輸入模式：通過傳感器采集的信號經(jīng)信號調(diào)理、信號變換、隔離放大等處理后轉(zhuǎn)變成相應功能卡能夠接收的信號，通過功能卡輸入主機；輸出模式：主機系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過信號變換、調(diào)理、放大后轉(zhuǎn)換成被測設(shè)備需要的控制信號或其他激勵信號。

2軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

根據(jù)不同實驗要求實現(xiàn)虛擬儀器的軟件系統(tǒng)方式不同，對于常用的測試儀器系統(tǒng)的功能，比如萬用表、頻率計、示波器等，優(yōu)質(zhì)的功能卡供應商，在銷售板卡時，就帶相應的軟件系統(tǒng)，對于特殊需要的軟件功能，需要自己開發(fā)，通常有幾種開發(fā)工具，如LabWindows/CVI、LabVIEW、C/C++等。其中，圖形化編程技術(shù)被專家看好，例如National Instruments公司的LabVIEW圖形化開發(fā)系統(tǒng)，具有開放的軟件體系，提供一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的儀器模塊。在一套虛擬儀器硬件平臺下，可以配置多種不同軟件系統(tǒng)，完成不同的實驗教學系統(tǒng)環(huán)境，改變軟件，就可改變儀器功能，即一套硬件系統(tǒng)可實現(xiàn)多種傳統(tǒng)儀器的功能。

三、基于虛擬儀器的教學實驗設(shè)計實例下面以大學理工專業(yè)常開的一項振動測試實驗內(nèi)容為例。

1實驗目的

①了解虛擬儀器的組成概念，掌握基于虛擬儀器的振動測試實驗方法。②熟悉振動信號的波形特點。③熟悉信號處理的流程。④分析不同振動信號的信號處理前后的特點。

2實驗內(nèi)容

①構(gòu)建振動實驗環(huán)境。②振動信號采集。③振動信號處理與分析。

3實驗總結(jié)

通過實驗內(nèi)容和過程的實現(xiàn)，撰寫實驗報告。

基于虛擬儀器的教學實驗系統(tǒng)不僅降低了實驗成本，提高了使用效率，同時在測試實驗中還增強了數(shù)據(jù)處理能力和測試精確度。

參考文獻：

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