基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗?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 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)字化實驗?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)字化實驗?zāi)Ｊ?，并以案例“?shù)字化RC暫態(tài)實驗系統(tǒng)”示之；經(jīng)實踐證明通過該模式開展的實驗教學(xué)，實驗數(shù)據(jù)采集、分析處理速度快，存諸、顯示精度高，表達效果好；見長于培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力、探索創(chuàng)新能力.
虛擬儀器；數(shù)字化；實驗?zāi)Ｊ?/p>
實驗在理科教學(xué)中占有十分重要的地位，是教學(xué)活動中一個必不可少的環(huán)節(jié). 實驗可以增強學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加深對理論知識的理解，培養(yǎng)實踐動手技能、實驗設(shè)計技能，在實踐中發(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)實驗?zāi)Ｊ椒e弊諸多：設(shè)備一次性投資巨大，更新周期偏長，維護工作艱巨；傳統(tǒng)實驗儀器功能固定，可操作性、可擴展性差，見長于驗證性實驗，開展設(shè)計性和綜合性實驗難度大，無法真正實現(xiàn)分層次實驗教學(xué)；實驗教學(xué)組織方式和管理模式落后；現(xiàn)代遠程教育中實驗教學(xué)環(huán)節(jié)缺失或理論與實踐脫節(jié)現(xiàn)象普遍. 因此，開發(fā)實驗儀器，創(chuàng)新實驗手段和方式，不斷改革實驗教學(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)實驗的改造與革新之中，其中虛擬儀器技術(shù)是最值得關(guān)注的. 虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)，是國內(nèi)外在信息技術(shù)領(lǐng)域中重點發(fā)展的高新技術(shù)之一，它推動著實驗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，簡稱 VI)，是利用計算機顯示器替代傳統(tǒng)儀器的功能面板，利用鼠標(biāo)和鍵盤控制驅(qū)動各種功能按鈕，由I/O接口設(shè)備完成數(shù)據(jù)(信號)的采集和調(diào)理，利用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)(信號)的分析處理、表達與儲存，從而實現(xiàn)各種儀器功能的一種基于計算機的儀器系統(tǒng)[1,2]. 圖1是虛擬儀器的一般實現(xiàn)方案.
圖1 虛擬儀器實現(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)成包括計算機、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)的輸入輸出、信號調(diào)理；當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過軟件編程實現(xiàn)各種不同的儀器功能，虛擬儀器軟件集成了儀器的信號采集驅(qū)動、分析、運算、表達、儲存、輸出等功能，傳統(tǒng)儀器的部分乃至整個功能都被軟件所代替，軟件是整個虛擬儀器系的核心，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機或工作站等各種計算機平臺上并加上相應(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、性價比優(yōu)、工作穩(wěn)定等特點，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
一臺性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實現(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，主要體現(xiàn)在下面4個方面：
1) 用戶可以根據(jù)自己的需要靈活的設(shè)計自己的虛擬儀器，利用通用的計算機硬件平臺，設(shè)計不同功能的軟件構(gòu)成功能各異的儀器系統(tǒng).
2) 將信號的分析處理、表達與儲存等操作集中交由電腦來處理，由于充分利用電腦強大的數(shù)據(jù)處理與表達儲存功能，避免了傳統(tǒng)實驗人為操作的失誤，提高了數(shù)據(jù)的傳輸、變換的質(zhì)量和實驗數(shù)據(jù)運算的速度、存儲精度.
3) 虛擬儀器技術(shù)與Web技術(shù)無縫融合，遠程控制操作實驗得以實現(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，開發(fā)維護費用低廉，可復(fù)用，可擴展.
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.
2) 用專業(yè)圖形化編程軟件進行虛擬儀器研發(fā)，目前主要是采用美國NI公司的LabVIEW和
LabWindows/CVI等.
LabVIEW是專業(yè)化虛擬儀器開發(fā)語言，其運行速度與C的目標(biāo)程序相當(dāng)，開發(fā)周期短，編程簡單易學(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[6].
2 基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗?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)字化實驗?zāi)Ｊ娇傮w結(jié)構(gòu)圖
基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗?zāi)Ｊ?，是以虛擬儀器為媒介，通過計算機完成信號控制、數(shù)據(jù)采集調(diào)理、分析處理、表達儲存等實驗環(huán)節(jié)的一種數(shù)字化實驗?zāi)Ｊ? 一般，實驗儀器由信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出三部分組成[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，單臺儀器的功能固定、單一，用戶無法根據(jù)實際需要改變或擴展儀器功能. 而虛擬儀器則把信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出用計算機軟件來實現(xiàn)，信號的采集與控制用硬件接口電路來實現(xiàn)，所以說基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗?zāi)Ｊ绞翘搶嵔Y(jié)合的、基于計算機的數(shù)字化實驗?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，完成對儀器的操控；2)由軟件實現(xiàn)實驗儀器功能：虛擬儀器是在以計算機為核心組成的硬件平臺支撐下，通過軟件編程來實現(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，數(shù)據(jù)的分析處理、表達儲存等功能主要是通過軟件算法編程來實現(xiàn). 這里的“實”也有二層含義：1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于硬件的、是實的，采集的數(shù)據(jù)是實的；2)實驗原理、實驗過程、實驗結(jié)果不是虛擬仿真的，是實的. 所以虛擬儀器表面上看是虛的，本質(zhì)是實的.
2.2 模式特點
傳統(tǒng)實驗諸多弊端，使得傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ綄τ趯嶒炘O(shè)計能力、探索創(chuàng)新能力培養(yǎng)是缺失的亦或是不足的.而對這些高級心智能力的培養(yǎng)，由于虛擬儀器的開放性、網(wǎng)絡(luò)化、實驗數(shù)據(jù)處理計算機化、虛實結(jié)合等特性，基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗提供了更多的條件、更多的可能、更多的機會.
相對于傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ剑谔摂M儀器的數(shù)字化實驗中的虛擬儀器是開放的. 學(xué)生只要掌握一門G語言如 LabVIEW，就可以自己動手設(shè)計虛擬儀器，就是不是自己設(shè)計的，學(xué)生也很容易對別人的虛擬儀器進行改造，虛擬儀器開放、可擴展特性使得基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗?zāi)Ｊ竭m合開展設(shè)計性和綜合性實驗. 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、開發(fā)數(shù)字化物理實驗46項之多，并且很多實驗項目是以小組的形式完成的，很好的培養(yǎng)了學(xué)生的實驗設(shè)計能力、探索創(chuàng)新能力和團體協(xié)作精神.
相對于傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗直接利用計算機對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理、表達和存儲等操作，避免了傳統(tǒng)實驗人為的失誤，提高了數(shù)據(jù)的傳輸、變換的質(zhì)量和實驗數(shù)據(jù)運算的速度及存儲、顯示精度，節(jié)省了傳統(tǒng)實驗在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)上浪費消耗的時間. 如此，學(xué)生可以把主要精力放在與實驗任務(wù)密切相關(guān)的設(shè)計、探索、創(chuàng)新性問題上來.
相對于傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗中的虛擬儀器可以網(wǎng)絡(luò)化. 信號的采集與控制部分放在異地計算機上，信號的分析與處理和結(jié)果的表達與輸出這二部分通過G語言編程，集成在本地計算機上，異地計算機與本地計算機通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是實驗儀器的功能. 這種方式是目前實驗儀器共享、遠程控制實驗的最佳方案：學(xué)生通過本地計算機端口遠程實時操控異地實驗室真實設(shè)備進行實驗，實驗過程中，可以通過實時傳回來的遠端現(xiàn)場影像了解實驗現(xiàn)場情況，而實驗數(shù)據(jù)也會不斷的回傳到本地計算機上進行分析、處理、表達、儲存. 學(xué)生可以通過這種模式進行校內(nèi)、校際之間的協(xié)作實驗，互通有無，共同探索，共同進步.
3 案例：數(shù)字化RC暫態(tài)實驗系統(tǒng)
數(shù)字化RC暫態(tài)實驗系統(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)采集卡實現(xiàn)，將需要手動充放電的硬件開關(guān)移植到LabVIEW開發(fā)的前面板上，在計算機上通過軟開關(guān)控制RC電路的充放實驗過程. 具體工作過程是：數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)采集實驗電路中電容兩端的電壓大小，多功能USB2.0數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)計算機和RC充放電回路之間的信號控制和數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW開發(fā)的程序在計算機上運行，處理采集的數(shù)據(jù)和顯示所測物理量并實時顯示RC充放電曲線.
3.1 系統(tǒng)的設(shè)計
數(shù)字化RC暫態(tài)遠程實驗系統(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部分.
3.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊
實驗電路效果圖如圖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實驗電路效果圖
圖5 數(shù)字化RC實驗系統(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)處理及表達模塊
數(shù)據(jù)處理模塊采用LabVIEW軟件后面板(對應(yīng)于真實儀器的儀器內(nèi)部線路)編程實現(xiàn)，具體程序框圖如圖7所示：
圖7 RC實驗系統(tǒng)程序框圖
數(shù)據(jù)表達模塊采用LabVIEW軟件前面板(對應(yīng)與真實儀器的顯示面板)實現(xiàn)，數(shù)據(jù)顯示面板如圖8所示.
圖8 RC暫態(tài)實驗系統(tǒng)前軟面板
4 結(jié)語
數(shù)字化RC暫態(tài)實驗系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實時性好，開發(fā)成本低，實驗參與性強，能滿足此實驗所有條件要求.
虛擬儀器技術(shù)是國內(nèi)外在信息技術(shù)領(lǐng)域中重點發(fā)展的高新技術(shù)之一，隨著教學(xué)儀器的發(fā)展和高校新時期實驗教學(xué)所面臨的新要求，將虛擬儀器引入實驗教學(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)字化實驗?zāi)Ｊ竭m合開展設(shè)計型實驗和綜合型實驗，與傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?適合開展驗證型實驗) 相結(jié)合，真正實現(xiàn)分層次實驗教學(xué)，全面培養(yǎng)學(xué)生能力.
[1] 劉君華, 賈惠芹. 虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2001: 2-4.
[2] 王美剛. 基于聲卡的虛擬示波器[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2006.
[3] 禹柳飛. 虛擬儀器在館藏室溫濕度監(jiān)控中的應(yīng)用[J]. 微計算機信息, 2008, 24(51): 158.
[4] 陳 園. 基于PXI總線的虛擬儀器系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2007.
[5] 何干輝. 基于USB總線的虛擬示波器的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2007: 10.
[6] 張陳榮. 基于LabVIEW的虛擬實驗儀器的研究與開發(fā)[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2007: 11-17.
[7] 姜忠愛, 張曉輝, 秦軍偉. 虛擬儀器的組建方法及應(yīng)用[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2007, 38(3): 465-468.
(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)校省級教學(xué)研究項目(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)字化實驗?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)字化實驗?zāi)Ｊ?，并以案例“?shù)字化RC暫態(tài)實驗系統(tǒng)”示之；經(jīng)實踐證明通過該模式開展的實驗教學(xué)，實驗數(shù)據(jù)采集、分析處理速度快，存諸、顯示精度高，表達效果好；見長于培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力、探索創(chuàng)新能力.
虛擬儀器；數(shù)字化；實驗?zāi)Ｊ?/p>
實驗在理科教學(xué)中占有十分重要的地位，是教學(xué)活動中一個必不可少的環(huán)節(jié). 實驗可以增強學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加深對理論知識的理解，培養(yǎng)實踐動手技能、實驗設(shè)計技能，在實踐中發(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)實驗?zāi)Ｊ椒e弊諸多：設(shè)備一次性投資巨大，更新周期偏長，維護工作艱巨；傳統(tǒng)實驗儀器功能固定，可操作性、可擴展性差，見長于驗證性實驗，開展設(shè)計性和綜合性實驗難度大，無法真正實現(xiàn)分層次實驗教學(xué)；實驗教學(xué)組織方式和管理模式落后；現(xiàn)代遠程教育中實驗教學(xué)環(huán)節(jié)缺失或理論與實踐脫節(jié)現(xiàn)象普遍. 因此，開發(fā)實驗儀器，創(chuàng)新實驗手段和方式，不斷改革實驗教學(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)實驗的改造與革新之中，其中虛擬儀器技術(shù)是最值得關(guān)注的. 虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)，是國內(nèi)外在信息技術(shù)領(lǐng)域中重點發(fā)展的高新技術(shù)之一，它推動著實驗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，簡稱 VI)，是利用計算機顯示器替代傳統(tǒng)儀器的功能面板，利用鼠標(biāo)和鍵盤控制驅(qū)動各種功能按鈕，由I/O接口設(shè)備完成數(shù)據(jù)(信號)的采集和調(diào)理，利用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)(信號)的分析處理、表達與儲存，從而實現(xiàn)各種儀器功能的一種基于計算機的儀器系統(tǒng)[1,2]. 圖1是虛擬儀器的一般實現(xiàn)方案.
圖1 虛擬儀器實現(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)成包括計算機、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)的輸入輸出、信號調(diào)理；當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過軟件編程實現(xiàn)各種不同的儀器功能，虛擬儀器軟件集成了儀器的信號采集驅(qū)動、分析、運算、表達、儲存、輸出等功能，傳統(tǒng)儀器的部分乃至整個功能都被軟件所代替，軟件是整個虛擬儀器系的核心，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機或工作站等各種計算機平臺上并加上相應(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、性價比優(yōu)、工作穩(wěn)定等特點，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
一臺性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實現(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，主要體現(xiàn)在下面4個方面：
1) 用戶可以根據(jù)自己的需要靈活的設(shè)計自己的虛擬儀器，利用通用的計算機硬件平臺，設(shè)計不同功能的軟件構(gòu)成功能各異的儀器系統(tǒng).
2) 將信號的分析處理、表達與儲存等操作集中交由電腦來處理，由于充分利用電腦強大的數(shù)據(jù)處理與表達儲存功能，避免了傳統(tǒng)實驗人為操作的失誤，提高了數(shù)據(jù)的傳輸、變換的質(zhì)量和實驗數(shù)據(jù)運算的速度、存儲精度.
3) 虛擬儀器技術(shù)與Web技術(shù)無縫融合，遠程控制操作實驗得以實現(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，開發(fā)維護費用低廉，可復(fù)用，可擴展.
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.
2) 用專業(yè)圖形化編程軟件進行虛擬儀器研發(fā)，目前主要是采用美國NI公司的LabVIEW和
LabWindows/CVI等.
LabVIEW是專業(yè)化虛擬儀器開發(fā)語言，其運行速度與C的目標(biāo)程序相當(dāng)，開發(fā)周期短，編程簡單易學(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[6].
2 基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗?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)字化實驗?zāi)Ｊ娇傮w結(jié)構(gòu)圖
基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗?zāi)Ｊ?，是以虛擬儀器為媒介，通過計算機完成信號控制、數(shù)據(jù)采集調(diào)理、分析處理、表達儲存等實驗環(huán)節(jié)的一種數(shù)字化實驗?zāi)Ｊ? 一般，實驗儀器由信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出三部分組成[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，單臺儀器的功能固定、單一，用戶無法根據(jù)實際需要改變或擴展儀器功能. 而虛擬儀器則把信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出用計算機軟件來實現(xiàn)，信號的采集與控制用硬件接口電路來實現(xiàn)，所以說基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗?zāi)Ｊ绞翘搶嵔Y(jié)合的、基于計算機的數(shù)字化實驗?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，完成對儀器的操控；2)由軟件實現(xiàn)實驗儀器功能：虛擬儀器是在以計算機為核心組成的硬件平臺支撐下，通過軟件編程來實現(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，數(shù)據(jù)的分析處理、表達儲存等功能主要是通過軟件算法編程來實現(xiàn). 這里的“實”也有二層含義：1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于硬件的、是實的，采集的數(shù)據(jù)是實的；2)實驗原理、實驗過程、實驗結(jié)果不是虛擬仿真的，是實的. 所以虛擬儀器表面上看是虛的，本質(zhì)是實的.
2.2 模式特點
傳統(tǒng)實驗諸多弊端，使得傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ綄τ趯嶒炘O(shè)計能力、探索創(chuàng)新能力培養(yǎng)是缺失的亦或是不足的.而對這些高級心智能力的培養(yǎng)，由于虛擬儀器的開放性、網(wǎng)絡(luò)化、實驗數(shù)據(jù)處理計算機化、虛實結(jié)合等特性，基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗提供了更多的條件、更多的可能、更多的機會.
相對于傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ剑谔摂M儀器的數(shù)字化實驗中的虛擬儀器是開放的. 學(xué)生只要掌握一門G語言如 LabVIEW，就可以自己動手設(shè)計虛擬儀器，就是不是自己設(shè)計的，學(xué)生也很容易對別人的虛擬儀器進行改造，虛擬儀器開放、可擴展特性使得基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗?zāi)Ｊ竭m合開展設(shè)計性和綜合性實驗. 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、開發(fā)數(shù)字化物理實驗46項之多，并且很多實驗項目是以小組的形式完成的，很好的培養(yǎng)了學(xué)生的實驗設(shè)計能力、探索創(chuàng)新能力和團體協(xié)作精神.
相對于傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗直接利用計算機對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理、表達和存儲等操作，避免了傳統(tǒng)實驗人為的失誤，提高了數(shù)據(jù)的傳輸、變換的質(zhì)量和實驗數(shù)據(jù)運算的速度及存儲、顯示精度，節(jié)省了傳統(tǒng)實驗在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)上浪費消耗的時間. 如此，學(xué)生可以把主要精力放在與實驗任務(wù)密切相關(guān)的設(shè)計、探索、創(chuàng)新性問題上來.
相對于傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗中的虛擬儀器可以網(wǎng)絡(luò)化. 信號的采集與控制部分放在異地計算機上，信號的分析與處理和結(jié)果的表達與輸出這二部分通過G語言編程，集成在本地計算機上，異地計算機與本地計算機通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是實驗儀器的功能. 這種方式是目前實驗儀器共享、遠程控制實驗的最佳方案：學(xué)生通過本地計算機端口遠程實時操控異地實驗室真實設(shè)備進行實驗，實驗過程中，可以通過實時傳回來的遠端現(xiàn)場影像了解實驗現(xiàn)場情況，而實驗數(shù)據(jù)也會不斷的回傳到本地計算機上進行分析、處理、表達、儲存. 學(xué)生可以通過這種模式進行校內(nèi)、校際之間的協(xié)作實驗，互通有無，共同探索，共同進步.
3 案例：數(shù)字化RC暫態(tài)實驗系統(tǒng)
數(shù)字化RC暫態(tài)實驗系統(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)采集卡實現(xiàn)，將需要手動充放電的硬件開關(guān)移植到LabVIEW開發(fā)的前面板上，在計算機上通過軟開關(guān)控制RC電路的充放實驗過程. 具體工作過程是：數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)采集實驗電路中電容兩端的電壓大小，多功能USB2.0數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)計算機和RC充放電回路之間的信號控制和數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW開發(fā)的程序在計算機上運行，處理采集的數(shù)據(jù)和顯示所測物理量并實時顯示RC充放電曲線.
3.1 系統(tǒng)的設(shè)計
數(shù)字化RC暫態(tài)遠程實驗系統(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部分.
3.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊
實驗電路效果圖如圖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實驗電路效果圖
圖5 數(shù)字化RC實驗系統(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)處理及表達模塊
數(shù)據(jù)處理模塊采用LabVIEW軟件后面板(對應(yīng)于真實儀器的儀器內(nèi)部線路)編程實現(xiàn)，具體程序框圖如圖7所示：
圖7 RC實驗系統(tǒng)程序框圖
數(shù)據(jù)表達模塊采用LabVIEW軟件前面板(對應(yīng)與真實儀器的顯示面板)實現(xiàn)，數(shù)據(jù)顯示面板如圖8所示.
圖8 RC暫態(tài)實驗系統(tǒng)前軟面板
4 結(jié)語
數(shù)字化RC暫態(tài)實驗系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實時性好，開發(fā)成本低，實驗參與性強，能滿足此實驗所有條件要求.
虛擬儀器技術(shù)是國內(nèi)外在信息技術(shù)領(lǐng)域中重點發(fā)展的高新技術(shù)之一，隨著教學(xué)儀器的發(fā)展和高校新時期實驗教學(xué)所面臨的新要求，將虛擬儀器引入實驗教學(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)字化實驗?zāi)Ｊ竭m合開展設(shè)計型實驗和綜合型實驗，與傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?適合開展驗證型實驗) 相結(jié)合，真正實現(xiàn)分層次實驗教學(xué)，全面培養(yǎng)學(xué)生能力.
[1] 劉君華, 賈惠芹. 虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2001: 2-4.
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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)校省級教學(xué)研究項目(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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