基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯?/h1>
2010-12-08 09:05:26張臣文李文聯(lián)胡坤鵬
湖北文理學(xué)院學(xué)報(bào) 2010年2期
張臣文，李文聯(lián)，胡坤鵬
(1.襄樊學(xué)院 教育學(xué)院，湖北 襄樊 441053; 2.襄樊學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄樊 441053)
基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯?/p>
張臣文1，李文聯(lián)2，胡坤鵬2
(1.襄樊學(xué)院 教育學(xué)院，湖北 襄樊 441053; 2.襄樊學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄樊 441053)
提出一種基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑⒁园咐皵?shù)字化RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”示之；經(jīng)實(shí)踐證明通過該模式開展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、分析處理速度快，存諸、顯示精度高，表達(dá)效果好；見長(zhǎng)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、探索創(chuàng)新能力.
虛擬儀器；數(shù)字化；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>
實(shí)驗(yàn)在理科教學(xué)中占有十分重要的地位，是教學(xué)活動(dòng)中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié). 實(shí)驗(yàn)可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手技能、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技能，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力及創(chuàng)新探索能力和協(xié)作精神. 但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒e弊諸多：設(shè)備一次性投資巨大，更新周期偏長(zhǎng)，維護(hù)工作艱巨；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器功能固定，可操作性、可擴(kuò)展性差，見長(zhǎng)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，開展設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)難度大，無法真正實(shí)現(xiàn)分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織方式和管理模式落后；現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)缺失或理論與實(shí)踐脫節(jié)現(xiàn)象普遍. 因此，開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)手段和方式，不斷改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其關(guān)鍵. 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)手段不斷介入到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改造與革新之中，其中虛擬儀器技術(shù)是最值得關(guān)注的. 虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外在信息技術(shù)領(lǐng)域中重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)之一，它推動(dòng)著實(shí)驗(yàn)方式方法朝著多元化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展.
1 虛擬儀器技術(shù)
1.1 虛擬儀器概念
虛擬儀器(Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱 VI)，是利用計(jì)算機(jī)顯示器替代傳統(tǒng)儀器的功能面板，利用鼠標(biāo)和鍵盤控制驅(qū)動(dòng)各種功能按鈕，由I/O接口設(shè)備完成數(shù)據(jù)(信號(hào))的采集和調(diào)理，利用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)(信號(hào))的分析處理、表達(dá)與儲(chǔ)存，從而實(shí)現(xiàn)各種儀器功能的一種基于計(jì)算機(jī)的儀器系統(tǒng)[1,2]. 圖1是虛擬儀器的一般實(shí)現(xiàn)方案.
圖1 虛擬儀器實(shí)現(xiàn)方案
1.2 虛擬儀器的構(gòu)成
圖2 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成圖
虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口設(shè)備等，圖2為虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖. 其中，硬件接口模塊包括數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、IEEE488接口(GPIB)卡、PXI控制器、VXI控制器等接口卡[3]，硬件僅僅是為了解決數(shù)據(jù)(信號(hào))的輸入輸出、信號(hào)調(diào)理；當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)各種不同的儀器功能，虛擬儀器軟件集成了儀器的信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)、分析、運(yùn)算、表達(dá)、儲(chǔ)存、輸出等功能，傳統(tǒng)儀器的部分乃至整個(gè)功能都被軟件所代替，軟件是整個(gè)虛擬儀器系的核心，所以說：“軟件就是儀器”.
根據(jù)接口方式不同，虛擬儀器的構(gòu)成方式有：箱內(nèi)插卡式DAQ的VI；GPIB總線方式的VI；PXI總線方式的VI[4]；VXI總線方式的VI；USB接口方式的VI[5]等. 無論哪種VI系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、PC機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上并加上相應(yīng)虛擬儀器軟件而構(gòu)成的.
由于USB的接口方式安裝和配置容易(外接、熱插拔、即插即用)、數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸模式靈活多樣、總線供電、性價(jià)比優(yōu)、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，非常適合學(xué)校教學(xué)科研采用，因而本課題采用USB2.0接口卡.
1.3 虛擬儀器的特點(diǎn)
一臺(tái)性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在下面4個(gè)方面：
1) 用戶可以根據(jù)自己的需要靈活的設(shè)計(jì)自己的虛擬儀器，利用通用的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)不同功能的軟件構(gòu)成功能各異的儀器系統(tǒng).
2) 將信號(hào)的分析處理、表達(dá)與儲(chǔ)存等操作集中交由電腦來處理，由于充分利用電腦強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與表達(dá)儲(chǔ)存功能，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)人為操作的失誤，提高了數(shù)據(jù)的傳輸、變換的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度、存儲(chǔ)精度.
3) 虛擬儀器技術(shù)與Web技術(shù)無縫融合，遠(yuǎn)程控制操作實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn).
4) 虛擬儀器是基于軟件系統(tǒng)的，其交互性好，可操作性強(qiáng)，開發(fā)維護(hù)費(fèi)用低廉，可復(fù)用，可擴(kuò)展.
1.4 虛擬儀器的軟件開發(fā)工具選擇
研發(fā)虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件，對(duì)虛擬儀器開發(fā)軟件，主要有兩種選擇.
1) 采用通用的編程軟件，主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic，Sybase公司的
PowerBuilder，Borland公司的Delphi等通用開發(fā)平臺(tái).
2) 用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行虛擬儀器研發(fā)，目前主要是采用美國(guó)NI公司的LabVIEW和
LabWindows/CVI等.
LabVIEW是專業(yè)化虛擬儀器開發(fā)語言，其運(yùn)行速度與C的目標(biāo)程序相當(dāng)，開發(fā)周期短，編程簡(jiǎn)單易學(xué)，因此相比之下，本課題案例選擇使用圖形化編程軟件LabVIEW作為虛擬儀器研發(fā)平臺(tái)[6].
2 基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h2>
2.1 模式結(jié)構(gòu)與工作原理
圖3 基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇傮w結(jié)構(gòu)圖
基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，是以虛擬儀器為媒介，通過計(jì)算機(jī)完成信號(hào)控制、數(shù)據(jù)采集調(diào)理、分析處理、表達(dá)儲(chǔ)存等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的一種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ? 一般，實(shí)驗(yàn)儀器由信號(hào)的采集與控制、信號(hào)的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出三部分組成[7]. 傳統(tǒng)儀器，這三部分是集成在一起的，由于這些功能模塊全部以硬件的形式存在(就是有軟件部分，功能也是出廠前設(shè)置好了的)，這種框架式的結(jié)構(gòu)，決定了傳統(tǒng)儀器只能由儀器廠家來定義、制造，單臺(tái)儀器的功能固定、單一，用戶無法根據(jù)實(shí)際需要改變或擴(kuò)展儀器功能. 而虛擬儀器則把信號(hào)的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)，信號(hào)的采集與控制用硬件接口電路來實(shí)現(xiàn)，所以說基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞翘搶?shí)結(jié)合的、基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ? 這里的“虛”有兩層含義：1)虛擬的儀器面板：傳統(tǒng)儀器物理的開關(guān)、按鈕等器件，都由與物理外觀很相似的圖形控件來替代，學(xué)生通過鼠標(biāo)和鍵盤來操作軟件界面中的控件，完成對(duì)儀器的操控；2)由軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器功能：虛擬儀器是在以計(jì)算機(jī)為核心組成的硬件平臺(tái)支撐下，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)儀器功能的；在虛擬儀器系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集由軟件開關(guān)來驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)儲(chǔ)存等功能主要是通過軟件算法編程來實(shí)現(xiàn). 這里的“實(shí)”也有二層含義：1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于硬件的、是實(shí)的，采集的數(shù)據(jù)是實(shí)的；2)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是虛擬仿真的，是實(shí)的. 所以虛擬儀器表面上看是虛的，本質(zhì)是實(shí)的.
2.2 模式特點(diǎn)
傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)諸多弊端，使得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、探索創(chuàng)新能力培養(yǎng)是缺失的亦或是不足的.而對(duì)這些高級(jí)心智能力的培養(yǎng)，由于虛擬儀器的開放性、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)化、虛實(shí)結(jié)合等特性，基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提供了更多的條件、更多的可能、更多的機(jī)會(huì).
相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑谔摂M儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的虛擬儀器是開放的. 學(xué)生只要掌握一門G語言如 LabVIEW，就可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)虛擬儀器，就是不是自己設(shè)計(jì)的，學(xué)生也很容易對(duì)別人的虛擬儀器進(jìn)行改造，虛擬儀器開放、可擴(kuò)展特性使得基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭m合開展設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn). 筆者所在的大學(xué)物電學(xué)院的學(xué)生在近二年用LabVIEW設(shè)計(jì)、開發(fā)數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)46項(xiàng)之多，并且很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是以小組的形式完成的，很好的培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、探索創(chuàng)新能力和團(tuán)體協(xié)作精神.
相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)直接利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、表達(dá)和存儲(chǔ)等操作，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)人為的失誤，提高了數(shù)據(jù)的傳輸、變換的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度及存儲(chǔ)、顯示精度，節(jié)省了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)上浪費(fèi)消耗的時(shí)間. 如此，學(xué)生可以把主要精力放在與實(shí)驗(yàn)任務(wù)密切相關(guān)的設(shè)計(jì)、探索、創(chuàng)新性問題上來.
相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的虛擬儀器可以網(wǎng)絡(luò)化. 信號(hào)的采集與控制部分放在異地計(jì)算機(jī)上，信號(hào)的分析與處理和結(jié)果的表達(dá)與輸出這二部分通過G語言編程，集成在本地計(jì)算機(jī)上，異地計(jì)算機(jī)與本地計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)驗(yàn)儀器的功能. 這種方式是目前實(shí)驗(yàn)儀器共享、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)的最佳方案：學(xué)生通過本地計(jì)算機(jī)端口遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控異地實(shí)驗(yàn)室真實(shí)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過實(shí)時(shí)傳回來的遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)影像了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也會(huì)不斷的回傳到本地計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析、處理、表達(dá)、儲(chǔ)存. 學(xué)生可以通過這種模式進(jìn)行校內(nèi)、校際之間的協(xié)作實(shí)驗(yàn)，互通有無，共同探索，共同進(jìn)步.
3 案例：數(shù)字化RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
數(shù)字化RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由LabVIEW開發(fā)的程序加多路選擇開關(guān)CD4052配合USB2.0多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，將需要手動(dòng)充放電的硬件開關(guān)移植到LabVIEW開發(fā)的前面板上，在計(jì)算機(jī)上通過軟開關(guān)控制RC電路的充放實(shí)驗(yàn)過程. 具體工作過程是：數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集實(shí)驗(yàn)電路中電容兩端的電壓大小，多功能USB2.0數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和RC充放電回路之間的信號(hào)控制和數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW開發(fā)的程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，處理采集的數(shù)據(jù)和顯示所測(cè)物理量并實(shí)時(shí)顯示RC充放電曲線.
3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
數(shù)字化RC暫態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集模塊，控制和傳輸模塊，數(shù)據(jù)處理及顯示模塊三個(gè)部分.
3.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊
實(shí)驗(yàn)電路效果圖如圖4, 數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)如圖5，其中標(biāo)號(hào)相同的表示物理上連接在一起，A接到USB2.0多功能采集卡的數(shù)字輸出端口上.
圖4 RC實(shí)驗(yàn)電路效果圖
圖5 數(shù)字化RC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件連接圖
3.1.2 控制和傳輸模塊
多功能USB2.0數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)LabVIEW和RC回路之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸及充放電電路控制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸用J1處的CH2(通道2) 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；充放電電路控制用J6處的數(shù)字輸出端口DO1接CD4052的A端，控制RC回路接通或斷開. 板卡如圖6.
圖6 USB2.0多功能數(shù)據(jù)采集卡
3.1.3 數(shù)據(jù)處理及表達(dá)模塊
數(shù)據(jù)處理模塊采用LabVIEW軟件后面板(對(duì)應(yīng)于真實(shí)儀器的儀器內(nèi)部線路)編程實(shí)現(xiàn)，具體程序框圖如圖7所示：
圖7 RC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)程序框圖
數(shù)據(jù)表達(dá)模塊采用LabVIEW軟件前面板(對(duì)應(yīng)與真實(shí)儀器的顯示面板)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)顯示面板如圖8所示.
圖8 RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前軟面板
4 結(jié)語
數(shù)字化RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，開發(fā)成本低，實(shí)驗(yàn)參與性強(qiáng)，能滿足此實(shí)驗(yàn)所有條件要求.
虛擬儀器技術(shù)是國(guó)內(nèi)外在信息技術(shù)領(lǐng)域中重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)之一，隨著教學(xué)儀器的發(fā)展和高校新時(shí)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的新要求，將虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)將成為學(xué)校教學(xué)科研的重要方法和手段. 基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭m合開展設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?適合開展驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)) 相結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，全面培養(yǎng)學(xué)生能力.
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(責(zé)任編輯：饒 超)
Research on Digitized Experiment Pattern Based on Virtual Instrument
ZHANG Chen-wen1, LI Wen-lian2, HU Kun-peng2
(1.College of Education, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China；2.Physics and Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China）
It put forward one experiment pattern based on virtual instrument and demonstrate it with “digitized RC transient experiment system”. The findings show that the experimental data’s gathering and analysis processing are quick, the precision of storing and showing is high, and it can develop student's high-level mental ability such as experimental design ability and innovation ability.
Virtual instrument; Digitalization; Experiment pattern
G424.31
A
1009-2854(2010)02-0074-05
2009-09-27
湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(2009298)
張臣文(1975— ), 男, 湖北十堰人, 襄樊學(xué)院教育學(xué)院講師.
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張臣文，李文聯(lián)，胡坤鵬
(1.襄樊學(xué)院 教育學(xué)院，湖北 襄樊 441053; 2.襄樊學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄樊 441053)
基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯?/p>
張臣文1，李文聯(lián)2，胡坤鵬2
(1.襄樊學(xué)院 教育學(xué)院，湖北 襄樊 441053; 2.襄樊學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄樊 441053)
提出一種基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑⒁园咐皵?shù)字化RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”示之；經(jīng)實(shí)踐證明通過該模式開展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、分析處理速度快，存諸、顯示精度高，表達(dá)效果好；見長(zhǎng)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、探索創(chuàng)新能力.
虛擬儀器；數(shù)字化；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>
實(shí)驗(yàn)在理科教學(xué)中占有十分重要的地位，是教學(xué)活動(dòng)中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié). 實(shí)驗(yàn)可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手技能、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技能，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力及創(chuàng)新探索能力和協(xié)作精神. 但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒e弊諸多：設(shè)備一次性投資巨大，更新周期偏長(zhǎng)，維護(hù)工作艱巨；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器功能固定，可操作性、可擴(kuò)展性差，見長(zhǎng)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，開展設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)難度大，無法真正實(shí)現(xiàn)分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織方式和管理模式落后；現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)缺失或理論與實(shí)踐脫節(jié)現(xiàn)象普遍. 因此，開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)手段和方式，不斷改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其關(guān)鍵. 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)手段不斷介入到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改造與革新之中，其中虛擬儀器技術(shù)是最值得關(guān)注的. 虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外在信息技術(shù)領(lǐng)域中重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)之一，它推動(dòng)著實(shí)驗(yàn)方式方法朝著多元化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展.
1 虛擬儀器技術(shù)
1.1 虛擬儀器概念
虛擬儀器(Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱 VI)，是利用計(jì)算機(jī)顯示器替代傳統(tǒng)儀器的功能面板，利用鼠標(biāo)和鍵盤控制驅(qū)動(dòng)各種功能按鈕，由I/O接口設(shè)備完成數(shù)據(jù)(信號(hào))的采集和調(diào)理，利用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)(信號(hào))的分析處理、表達(dá)與儲(chǔ)存，從而實(shí)現(xiàn)各種儀器功能的一種基于計(jì)算機(jī)的儀器系統(tǒng)[1,2]. 圖1是虛擬儀器的一般實(shí)現(xiàn)方案.
圖1 虛擬儀器實(shí)現(xiàn)方案
1.2 虛擬儀器的構(gòu)成
圖2 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成圖
虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口設(shè)備等，圖2為虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖. 其中，硬件接口模塊包括數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、IEEE488接口(GPIB)卡、PXI控制器、VXI控制器等接口卡[3]，硬件僅僅是為了解決數(shù)據(jù)(信號(hào))的輸入輸出、信號(hào)調(diào)理；當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)各種不同的儀器功能，虛擬儀器軟件集成了儀器的信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)、分析、運(yùn)算、表達(dá)、儲(chǔ)存、輸出等功能，傳統(tǒng)儀器的部分乃至整個(gè)功能都被軟件所代替，軟件是整個(gè)虛擬儀器系的核心，所以說：“軟件就是儀器”.
根據(jù)接口方式不同，虛擬儀器的構(gòu)成方式有：箱內(nèi)插卡式DAQ的VI；GPIB總線方式的VI；PXI總線方式的VI[4]；VXI總線方式的VI；USB接口方式的VI[5]等. 無論哪種VI系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、PC機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上并加上相應(yīng)虛擬儀器軟件而構(gòu)成的.
由于USB的接口方式安裝和配置容易(外接、熱插拔、即插即用)、數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸模式靈活多樣、總線供電、性價(jià)比優(yōu)、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，非常適合學(xué)校教學(xué)科研采用，因而本課題采用USB2.0接口卡.
1.3 虛擬儀器的特點(diǎn)
一臺(tái)性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在下面4個(gè)方面：
1) 用戶可以根據(jù)自己的需要靈活的設(shè)計(jì)自己的虛擬儀器，利用通用的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)不同功能的軟件構(gòu)成功能各異的儀器系統(tǒng).
2) 將信號(hào)的分析處理、表達(dá)與儲(chǔ)存等操作集中交由電腦來處理，由于充分利用電腦強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與表達(dá)儲(chǔ)存功能，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)人為操作的失誤，提高了數(shù)據(jù)的傳輸、變換的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度、存儲(chǔ)精度.
3) 虛擬儀器技術(shù)與Web技術(shù)無縫融合，遠(yuǎn)程控制操作實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn).
4) 虛擬儀器是基于軟件系統(tǒng)的，其交互性好，可操作性強(qiáng)，開發(fā)維護(hù)費(fèi)用低廉，可復(fù)用，可擴(kuò)展.
1.4 虛擬儀器的軟件開發(fā)工具選擇
研發(fā)虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件，對(duì)虛擬儀器開發(fā)軟件，主要有兩種選擇.
1) 采用通用的編程軟件，主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic，Sybase公司的
PowerBuilder，Borland公司的Delphi等通用開發(fā)平臺(tái).
2) 用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行虛擬儀器研發(fā)，目前主要是采用美國(guó)NI公司的LabVIEW和
LabWindows/CVI等.
LabVIEW是專業(yè)化虛擬儀器開發(fā)語言，其運(yùn)行速度與C的目標(biāo)程序相當(dāng)，開發(fā)周期短，編程簡(jiǎn)單易學(xué)，因此相比之下，本課題案例選擇使用圖形化編程軟件LabVIEW作為虛擬儀器研發(fā)平臺(tái)[6].
2 基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h2>
2.1 模式結(jié)構(gòu)與工作原理
圖3 基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇傮w結(jié)構(gòu)圖
基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，是以虛擬儀器為媒介，通過計(jì)算機(jī)完成信號(hào)控制、數(shù)據(jù)采集調(diào)理、分析處理、表達(dá)儲(chǔ)存等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的一種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ? 一般，實(shí)驗(yàn)儀器由信號(hào)的采集與控制、信號(hào)的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出三部分組成[7]. 傳統(tǒng)儀器，這三部分是集成在一起的，由于這些功能模塊全部以硬件的形式存在(就是有軟件部分，功能也是出廠前設(shè)置好了的)，這種框架式的結(jié)構(gòu)，決定了傳統(tǒng)儀器只能由儀器廠家來定義、制造，單臺(tái)儀器的功能固定、單一，用戶無法根據(jù)實(shí)際需要改變或擴(kuò)展儀器功能. 而虛擬儀器則把信號(hào)的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)，信號(hào)的采集與控制用硬件接口電路來實(shí)現(xiàn)，所以說基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞翘搶?shí)結(jié)合的、基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ? 這里的“虛”有兩層含義：1)虛擬的儀器面板：傳統(tǒng)儀器物理的開關(guān)、按鈕等器件，都由與物理外觀很相似的圖形控件來替代，學(xué)生通過鼠標(biāo)和鍵盤來操作軟件界面中的控件，完成對(duì)儀器的操控；2)由軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器功能：虛擬儀器是在以計(jì)算機(jī)為核心組成的硬件平臺(tái)支撐下，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)儀器功能的；在虛擬儀器系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集由軟件開關(guān)來驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)儲(chǔ)存等功能主要是通過軟件算法編程來實(shí)現(xiàn). 這里的“實(shí)”也有二層含義：1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于硬件的、是實(shí)的，采集的數(shù)據(jù)是實(shí)的；2)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是虛擬仿真的，是實(shí)的. 所以虛擬儀器表面上看是虛的，本質(zhì)是實(shí)的.
2.2 模式特點(diǎn)
傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)諸多弊端，使得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、探索創(chuàng)新能力培養(yǎng)是缺失的亦或是不足的.而對(duì)這些高級(jí)心智能力的培養(yǎng)，由于虛擬儀器的開放性、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)化、虛實(shí)結(jié)合等特性，基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提供了更多的條件、更多的可能、更多的機(jī)會(huì).
相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑谔摂M儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的虛擬儀器是開放的. 學(xué)生只要掌握一門G語言如 LabVIEW，就可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)虛擬儀器，就是不是自己設(shè)計(jì)的，學(xué)生也很容易對(duì)別人的虛擬儀器進(jìn)行改造，虛擬儀器開放、可擴(kuò)展特性使得基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭m合開展設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn). 筆者所在的大學(xué)物電學(xué)院的學(xué)生在近二年用LabVIEW設(shè)計(jì)、開發(fā)數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)46項(xiàng)之多，并且很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是以小組的形式完成的，很好的培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、探索創(chuàng)新能力和團(tuán)體協(xié)作精神.
相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)直接利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、表達(dá)和存儲(chǔ)等操作，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)人為的失誤，提高了數(shù)據(jù)的傳輸、變換的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度及存儲(chǔ)、顯示精度，節(jié)省了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)上浪費(fèi)消耗的時(shí)間. 如此，學(xué)生可以把主要精力放在與實(shí)驗(yàn)任務(wù)密切相關(guān)的設(shè)計(jì)、探索、創(chuàng)新性問題上來.
相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的虛擬儀器可以網(wǎng)絡(luò)化. 信號(hào)的采集與控制部分放在異地計(jì)算機(jī)上，信號(hào)的分析與處理和結(jié)果的表達(dá)與輸出這二部分通過G語言編程，集成在本地計(jì)算機(jī)上，異地計(jì)算機(jī)與本地計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)驗(yàn)儀器的功能. 這種方式是目前實(shí)驗(yàn)儀器共享、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)的最佳方案：學(xué)生通過本地計(jì)算機(jī)端口遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控異地實(shí)驗(yàn)室真實(shí)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過實(shí)時(shí)傳回來的遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)影像了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也會(huì)不斷的回傳到本地計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析、處理、表達(dá)、儲(chǔ)存. 學(xué)生可以通過這種模式進(jìn)行校內(nèi)、校際之間的協(xié)作實(shí)驗(yàn)，互通有無，共同探索，共同進(jìn)步.
3 案例：數(shù)字化RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
數(shù)字化RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由LabVIEW開發(fā)的程序加多路選擇開關(guān)CD4052配合USB2.0多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，將需要手動(dòng)充放電的硬件開關(guān)移植到LabVIEW開發(fā)的前面板上，在計(jì)算機(jī)上通過軟開關(guān)控制RC電路的充放實(shí)驗(yàn)過程. 具體工作過程是：數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集實(shí)驗(yàn)電路中電容兩端的電壓大小，多功能USB2.0數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和RC充放電回路之間的信號(hào)控制和數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW開發(fā)的程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，處理采集的數(shù)據(jù)和顯示所測(cè)物理量并實(shí)時(shí)顯示RC充放電曲線.
3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
數(shù)字化RC暫態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集模塊，控制和傳輸模塊，數(shù)據(jù)處理及顯示模塊三個(gè)部分.
3.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊
實(shí)驗(yàn)電路效果圖如圖4, 數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)如圖5，其中標(biāo)號(hào)相同的表示物理上連接在一起，A接到USB2.0多功能采集卡的數(shù)字輸出端口上.
圖4 RC實(shí)驗(yàn)電路效果圖
圖5 數(shù)字化RC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件連接圖
3.1.2 控制和傳輸模塊
多功能USB2.0數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)LabVIEW和RC回路之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸及充放電電路控制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸用J1處的CH2(通道2) 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；充放電電路控制用J6處的數(shù)字輸出端口DO1接CD4052的A端，控制RC回路接通或斷開. 板卡如圖6.
圖6 USB2.0多功能數(shù)據(jù)采集卡
3.1.3 數(shù)據(jù)處理及表達(dá)模塊
數(shù)據(jù)處理模塊采用LabVIEW軟件后面板(對(duì)應(yīng)于真實(shí)儀器的儀器內(nèi)部線路)編程實(shí)現(xiàn)，具體程序框圖如圖7所示：
圖7 RC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)程序框圖
數(shù)據(jù)表達(dá)模塊采用LabVIEW軟件前面板(對(duì)應(yīng)與真實(shí)儀器的顯示面板)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)顯示面板如圖8所示.
圖8 RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前軟面板
4 結(jié)語
數(shù)字化RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，開發(fā)成本低，實(shí)驗(yàn)參與性強(qiáng)，能滿足此實(shí)驗(yàn)所有條件要求.
虛擬儀器技術(shù)是國(guó)內(nèi)外在信息技術(shù)領(lǐng)域中重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)之一，隨著教學(xué)儀器的發(fā)展和高校新時(shí)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的新要求，將虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)將成為學(xué)校教學(xué)科研的重要方法和手段. 基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭m合開展設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?適合開展驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)) 相結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，全面培養(yǎng)學(xué)生能力.
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(責(zé)任編輯：饒 超)
Research on Digitized Experiment Pattern Based on Virtual Instrument
ZHANG Chen-wen1, LI Wen-lian2, HU Kun-peng2
(1.College of Education, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China；2.Physics and Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China）
It put forward one experiment pattern based on virtual instrument and demonstrate it with “digitized RC transient experiment system”. The findings show that the experimental data’s gathering and analysis processing are quick, the precision of storing and showing is high, and it can develop student's high-level mental ability such as experimental design ability and innovation ability.
Virtual instrument; Digitalization; Experiment pattern
G424.31
A
1009-2854(2010)02-0074-05
2009-09-27
湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(2009298)
張臣文(1975— ), 男, 湖北十堰人, 襄樊學(xué)院教育學(xué)院講師.
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