虛擬儀器技術在實驗室建設中的應用

鄒志斌

摘 要： 本文介紹了虛擬儀器技術的概念，分析了在實驗室建設中應用此技術的優(yōu)點，探討了將虛擬儀器技術與仿真技術、網(wǎng)絡技術相結合進行實驗教學的具體應用。

關鍵詞： 虛擬儀器 實驗室建設 實驗教學

一、虛擬儀器技術簡介

計算機技術和現(xiàn)代微電子技術的發(fā)展與普及，促進了電子測量儀器的快速發(fā)展，在儀器領域發(fā)生了巨大的變化。1986年美商國家儀器公司（National Instruments）提出了虛擬儀器的概念，代表了今后測量儀器發(fā)展的新方向。

所謂的虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面（GUI）的控制軟件組成，在軟件控制下，由模塊化儀器硬件進行測量信號的數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集完畢后，傳輸給計算機，軟件再進行數(shù)據(jù)的分析處理，通過圖形用戶界面等方式將結果顯示給用戶。數(shù)據(jù)分析這一方面，若使用智能儀器，則可由其完成一定程度上的分析。虛擬儀器框架結構圖參見圖1。

與傳統(tǒng)儀器相比，雖然虛擬儀器需要硬件支持，但硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出問題，軟件才是整個系統(tǒng)的核心，所以當基本硬件確定以后，可以通過不同的軟件（如NI公司的Labwindows/CVI）實現(xiàn)不同的功能。利用虛擬儀器技術，用戶可以在計算機屏幕上虛擬出儀器的面板，通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關和按鍵，設置各種工作參數(shù)，啟動或停止儀器，測量結果可以從虛擬儀器面板上讀出。所以用戶可以根據(jù)自己的需要，設計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應用需求。另外，利用計算機豐富的軟、硬件資源，不僅可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的處理、表達、傳遞、儲存等方面的限制，達到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果，而且可以為數(shù)據(jù)的快速共享提供可能。

二、實驗室建設中運用虛擬儀器技術的優(yōu)點

虛擬儀器是全新的儀器概念，將其應用于實驗室建設中，可構造出一個全新的教學平臺，使學生利用最先進的技術積極主動地學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，提高教學質(zhì)量，主要有如下優(yōu)點。

1.降低實驗室建設費用

由于各種測試、測量儀器、設備的價格隨著其性能的不斷提高而增加，實驗室建設經(jīng)常會受到建設費用升高的困擾。

如果運用虛擬儀器技術，以計算機為基礎，并添加少量硬件（如數(shù)據(jù)采集卡等），構建一個虛擬儀器平臺。一方面，可替代常規(guī)測量儀器、儀表，可以滿足一般電子、電工實驗教學的需要。另一方面，虛擬儀器平臺具有替代性高的特點，它既可以作為示波器，又可以作為函數(shù)發(fā)生器、頻譜分析儀及各種測量儀表等，還可以降低購置這些儀器的費用。

2.大大降低設備的使用、維護費用

在實驗室建設中，我們可用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺開出發(fā)各種由計算機軟件模擬的不帶相關功能硬件的“虛擬設備”，該方法不但簡單易行，而且交互性、可操作性和真實感與實際的設備基本相同。由它們完成教學任務，不但可以讓學生快速掌握這些設備的操作、使用方法，而且可以減少設備的損壞，降低維護費用。

3.教學效果好

目前國內(nèi)很多院校的實驗教學中普遍存在技術落后、靈活性低、實驗設計合理性差、內(nèi)容死板的問題，因此大大地降低了學生對實驗教學的學習興趣。為此可將虛擬儀器引入實驗教學，一方面利用虛擬儀器軟件在計算機屏幕上虛擬出的儀器的面板，形象、直觀、可操作性強，測量的數(shù)據(jù)還可利用計算機來分析、處理，方便、快捷。另一個方面虛擬儀器技術可拓展傳統(tǒng)儀器的功能，讓學生根據(jù)自己的要求，設計和制造出適合自己使用的各種儀器系統(tǒng)，滿足不同的應用需求。因此可大大提高學生的學習興趣，同時培養(yǎng)學生的動手能力和解決實際問題的能力。

三、虛擬儀器技術在教學中的具體應用

1.虛擬儀器作為測量分析儀器在實驗教學中的運用

實驗教學需要大量的測量分析儀器，然而在傳統(tǒng)模式的實驗教學中，由于經(jīng)費的原因，普遍存在儀器設備缺乏和過時陳舊等現(xiàn)象，嚴重影響教學、實驗的質(zhì)量與效率。

將虛擬儀器技術引入實驗教學為我們提供了新的思路。我們可以充分利用現(xiàn)有的計算機資源，開發(fā)屬于自己、適用于各種教學實驗目的和內(nèi)容的虛擬儀器及教學、實驗軟件。圖2是利用虛擬儀器開發(fā)軟件LabWindows/CVI制作的《虛擬頻譜分析儀》的實驗教學課件。

2.虛擬儀器技術結合仿真技術在設備教學中的運用

為讓學生掌握設備的操作、使用方法，傳統(tǒng)教學方法是讓學生在教員的指導下進行實際的操作使用，教學效果不好且容易造成設備的損壞。

利用虛擬儀器技術，結合計算機仿真技術，可模擬出部分設備的操作使用。學生可以通過虛擬儀器開發(fā)軟件制作的面板進行操作從而掌握該設備的使用方法。由此可見，在實際教學中，用虛擬儀器開發(fā)平臺結合計算機仿真技術開發(fā)出各種虛擬的設備，不但簡單易行，而且交互性、可操作性和真實感與實際的設備基本相同，既可降低教員的勞動強度，減少設備的損壞，又可提高教學質(zhì)量與效果。

3.虛擬儀器技術與網(wǎng)絡技術結合在遠程教育中的運用

將網(wǎng)絡與虛擬儀器結合起來，可為遠程實驗教學提供新的模式。利用網(wǎng)絡與虛擬仿真實驗室組成一個基于Web的虛擬實驗室，使遠端的學生不受時空的限制，通過網(wǎng)絡利用瀏覽器在自己的計算機上進行各種基礎學科的虛擬實驗，或?qū)W習掌握各種設備的操作使用方法，從而為遠程教育解決實驗教學難的問題提供新的解決方案。

四、結語

虛擬儀器技術是未來儀器技術領域的主導技術，將其引入實驗室建設及教學，可促進相關實驗儀器設備的更新?lián)Q代，為教學、實驗儀器設備現(xiàn)代化提供強有力的手段。同時通過基于虛擬儀器的教學、實驗，可以讓學生了解先進的測試、測量技術，全面提高工程素質(zhì)。

參考文獻：

[1]劉剛，蔡十華.虛擬儀器技術及其在電工電子實驗中的應用[J].江西教育學院學報（綜合），2007，6（3）：15-18.