榮雅君，王偉，袁計委，孫玉恒

（燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，秦皇島 066004）

在現(xiàn)代教育中，實驗教學(xué)占有非常重要的地位。目前，國內(nèi)各高校對實驗課的教學(xué)，大都存在著實驗形式、內(nèi)容、要求越來越高與實驗設(shè)備、器材、場地、經(jīng)費的保障相對滯后的矛盾，實驗保障條件的制約在一定程度上影響了實驗教學(xué)的開展和學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實驗是教學(xué)的實踐環(huán)節(jié)，是檢驗理論學(xué)習(xí)的手段，是鞏固和拓展理論知識的最佳方式，是培養(yǎng)工程實踐能力的一種有效途徑。虛擬實驗不僅是虛擬教學(xué)的重要組成部分，即使是傳統(tǒng)教學(xué)，虛擬實驗也為其實踐環(huán)節(jié)注入了新鮮血液，增加了實踐的形式。

1 傳統(tǒng)實驗存在的問題

電氣類課程比較抽象并且技術(shù)發(fā)展比較迅速，技術(shù)更新很快，因此需要通過實驗才能更好地掌握課本上學(xué)到的理論知識。學(xué)生運用傳統(tǒng)電子儀器、設(shè)備獲取知識。通過人人動手掌握常用電子儀器、測量儀器和測試設(shè)備的使用方法，掌握用電子儀器測量常用電子元器件的檢測手段和基本技能，使學(xué)生快捷、直觀地學(xué)習(xí)所應(yīng)掌握的電子基本知識和技能。采用傳統(tǒng)電子儀器實施電子實驗教學(xué)可完成驗證性實驗、少許提高性實驗，且只能獨立使用、功能單一、精確度低、無法改變模式［1］。這樣不僅給教師增加了工作量而且教師很難對學(xué)生進(jìn)行一對一指導(dǎo)；同時傳統(tǒng)儀器陳舊易出現(xiàn)故障，存在安全隱患，不能完成比較復(fù)雜的綜合性電子實驗，嚴(yán)重影響教學(xué)。

因此開發(fā)研制虛擬實驗室可以緩解實驗儀器設(shè)備不足等問題，為進(jìn)一步加強實驗教學(xué)，提升實驗教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)的力度，同時降低實驗教學(xué)對客觀物質(zhì)條件的依賴都有積極的促進(jìn)作用。

2 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)是綜合運用計算機軟件技術(shù)、智能測試技術(shù)、模板及總線的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)及高速專用集成電路制造等技術(shù)，建立在標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、積木化的硬件與軟件平臺上的一個完全開放的系統(tǒng)。

目前代表虛擬儀器技術(shù)最高水平的是美國National Instrument Corporation生產(chǎn)的一系列產(chǎn)品，主要有及Lab Windows／CVI軟件。

2.1 虛擬儀器的構(gòu)成

總的來說，虛擬儀器可分成兩大部分。一部分是完成數(shù)據(jù)輸入與輸出的硬件模塊，另一部分是實現(xiàn)測量任務(wù)的核心部分——軟件模塊。

2.1.1 虛擬儀器的硬件構(gòu)成

虛擬儀器按其構(gòu)成方式不同，分為如下5種：

①基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)；

②基于通用接口總線的儀器系統(tǒng)；

③基于串行口或其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)；

④利用總線儀器實現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)；VXI總線即VME總線在儀器領(lǐng)域的擴展，其技術(shù)具有優(yōu)良的互操作性、數(shù)據(jù)吞吐量大、模塊化結(jié)構(gòu)、更精確的定時和同步、開放性好、模塊可重復(fù)利用及即插即用等顯著的特點；

⑤基于PXI總線的儀器系統(tǒng)。PXI即面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展，是一種基于PC技術(shù)的平臺，為測量和自動化系統(tǒng)提供了高性能、高堅固性、低成本的配置方案。

2.1.2 虛擬儀器的軟件構(gòu)成

軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。沒有軟件，也就無從談起虛擬儀器了。而且，一個性能不良的軟件可以使整個虛擬儀器系統(tǒng)崩潰。

Lab VIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，是美國國家儀器公司的創(chuàng)新產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境［2］。所有的Lab VIEW程序都由前面板、程序框圖、圖標(biāo)和接線端口3部分組成。前面板是交互式用戶接口，而框圖是程序代碼的圖形表示。通過節(jié)點和端子之間的連線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

2.2 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的主要特點如表1所示［3］。

表1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較Tab.1 Comparison between virtual instrument and traditional instrument

通過以表1可以看出：虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點。采用虛擬儀器不僅可提高實驗設(shè)備檔次、降低更新實驗設(shè)備所需投資，而且還能提高實驗效率，有助于學(xué)生將更多精力集中于對原理的關(guān)注和綜合運用所學(xué)知識。

3 虛擬實驗室的構(gòu)建

在虛擬實驗室中，實驗項目必須通過用戶界面顯示，供實驗者進(jìn)行瀏覽，實驗室必須通過用戶界面與虛擬實驗室系統(tǒng)進(jìn)行交互作用［4］。因此構(gòu)建界面友好、操作便捷的人機界面是虛擬實驗室要解決的首要問題。本設(shè)計的用戶登錄界面如圖1所示。

3.1 虛擬儀器在數(shù)字電路中的應(yīng)用

在Lab VIEW功能模板的布爾運算子模板中，包含著功能齊全的邏輯運算功能。因此可很容易地利用其制作數(shù)字電路仿真演示實驗。在制作中，為了提高制作效率，先將實驗中用到的各種集成電路分別編制成子程序，然后制作仿真實驗的通用平臺，在不同的仿真中只要調(diào)用不同集成電路的子程序并對連線作相應(yīng)的修改即可。

以74LS148芯片程序的編寫來說明虛擬儀器在數(shù)字電路中的應(yīng)用。芯片74LS148的管腳功能如

圖1 用戶登陸界面Fig.1 User login surface

此處用戶名分為管理員和訪客兩種，分別對應(yīng)不同的密碼，在輸入密碼與原設(shè)置相同時即可進(jìn)入虛擬實驗室。進(jìn)入虛擬實驗室即可看到圖2所示的實驗科目。

點擊前面板上相應(yīng)按鈕便可進(jìn)行相關(guān)科目的虛擬實驗的設(shè)計。調(diào)用程序的程序框如圖3所示。圖4所示。

圖2 虛擬實驗科目前面板Fig.2 Front panel of virtual experiment subjects

圖3 調(diào)用子程序程序框Fig.3 Diagram of calling subroutine block

圖4 74LS148管腳功能Fig.4 74LS148 base pin functional diagram

74LS148為16腳的集成芯片。其中管腳16為電源端VCC，管腳8為接地端GND，管腳0～7分別對應(yīng)著D0～D7輸入信號，A2、A1、A0為三位二進(jìn)制編碼輸出信號，EI為使能輸入端，EO為使能輸出端，GS為片優(yōu)先編碼輸出端。其虛擬設(shè)計前面板如圖5所示。

圖5 74LS148芯片的虛擬設(shè)計Fig.5 74LS148 chip virtual design

編寫完成后，在前面板上點擊運行按鈕，開關(guān)和指示燈的狀態(tài)都和數(shù)字電路實驗的各個功能完全相同，就可在前面板上進(jìn)行實驗代替實驗室的真實實驗。如果不能按照真值表的功能實現(xiàn)，說明程序在編寫過程中出現(xiàn)問題，通過進(jìn)行程序流程修改和每個子程序檢測來排除故障，使芯片功能正常實現(xiàn)。數(shù)字電路驗證實驗前面板設(shè)計如圖6所示。

圖6 數(shù)字電路實驗前面板Fig.6 Front panel of digital circuit experiments

3.2 虛擬儀器在電路中的應(yīng)用

Lab VIEW的功能模板中還提供了數(shù)學(xué)和信號處理功能模塊，能對電路中的等式進(jìn)行計算。以電路的分析方法為例設(shè)計前面板如圖7所示。

圖7 電路分析方法前面板Fig.7 Front panel of circuit analysis method

3.3 虛擬儀器在信號處理中的應(yīng)用

在實驗過程中，由于輸入信號中經(jīng)常夾雜著噪聲等干擾信號，噪聲的能量有時甚至?xí)^信號的能量，因此接收端收到信號后通常會對信號進(jìn)行一定的處理。圖8以信號濾波為例來說明虛擬儀器在信號處理中的應(yīng)用。其中，圖中左上方波形圖為原始信號，左下圖則為濾波之后的波形圖，而右側(cè)兩圖則分別對應(yīng)濾波后信號的幅頻和相頻特性。

圖8 信號處理相關(guān)實驗前面板Fig.8 Front panel of signal processing related experiments

3.4 虛擬儀器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

繼電保護快速可靠準(zhǔn)確動作才能保證電力系統(tǒng)的可靠持續(xù)供電。微機保護的主要部分是計算機主體，整套保護裝置由測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分組成。用來分析計算電力系統(tǒng)的有關(guān)電量和判斷系統(tǒng)是否故障，然后決定是否發(fā)出跳閘信號［5］。

同時，電能是一種經(jīng)濟實用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源形式。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟的發(fā)展，對電能質(zhì)量的要求越來越高，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國民經(jīng)濟的總體效益。因此，建立和實施電能質(zhì)量的監(jiān)測與分析是提高電能質(zhì)量的一個重要技術(shù)手段。

電能質(zhì)量指標(biāo)是電能質(zhì)量各個方面的具體描述，不同指標(biāo)有不同的定義和規(guī)定。電能質(zhì)量從供電電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、諧波和電壓波動和閃變等幾個指標(biāo)來表示電能質(zhì)量優(yōu)劣［6］。

將虛擬儀器引入電力系統(tǒng)中，除了為電力、電子等工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極的作用外，還能克服傳統(tǒng)儀器的弊端，令學(xué)生更好地掌握電力方面的理論知識。虛擬儀器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前面板如圖9所示。此面板從繼電保護和電能質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)兩個方面進(jìn)行設(shè)計。以繼電保護為例，通過左側(cè)的按鈕設(shè)置故障類型，虛擬保護裝置即可顯示各相的電流或電壓波形，并經(jīng)過程序框圖設(shè)計的選相和邏輯判斷結(jié)果發(fā)出跳閘信號。

圖9 電力系統(tǒng)相關(guān)實驗前面板Fig.9 Front panel of power system related experiments

3.5 綜合實驗的設(shè)計

傳統(tǒng)儀器由于其設(shè)備陳舊，更新周期長等因素，在實驗教學(xué)中從一定程度上限制了學(xué)生的思路，另外電氣類實驗設(shè)備易老化存在著一定的安全隱患。因此對于部分綜合設(shè)計類實驗無法仿真。

虛擬儀器是以軟件為核心的圖形化編程語言，它可以不受時間地點的限制，能完全滿足學(xué)生實驗的需要。綜合實驗虛擬設(shè)計如圖10所示。

圖10 綜合實驗前面板Fig.10 Front panel of synthesis experiment

以圖10所示紅綠燈的控制為例來說明虛擬儀器在綜合實驗中的應(yīng)用。本設(shè)計以狀態(tài)機來演示紅綠燈的工作過程。

所謂狀態(tài)機是對系統(tǒng)的一種描述，該類系統(tǒng)包含了有限的狀態(tài)，并且在各個狀態(tài)之間可以通過一定的條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以執(zhí)行各種不同的操作。狀態(tài)機的基本結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 狀態(tài)機的基本結(jié)構(gòu)Fig.11 State machine＇s basic structure

在Lab VIEW中，任何一個狀態(tài)機都是由3個基本部分構(gòu)成的，首先外層是一個While循環(huán)，同時在While循環(huán)中包含有一個條件結(jié)構(gòu)，While循環(huán)用于維持狀態(tài)機的運行，條件結(jié)構(gòu)用以對各個不同的狀態(tài)進(jìn)行判斷。第三個基本部分是移位寄存器，用以將下一個狀態(tài)傳遞到下一次循環(huán)狀態(tài)判斷中。另外在一個完整的狀態(tài)機中，一般還會包括初始狀態(tài)，每一個狀態(tài)的執(zhí)行步驟以及下一個狀態(tài)切換代碼等等。紅綠燈程序框圖如圖12所示。

圖12 紅綠燈程序框圖Fig.12 Block diagram of traffic lights

4 結(jié)語

本文介紹了虛擬儀器及其與傳統(tǒng)儀器的優(yōu)缺點，通過虛擬儀器提供的函數(shù)庫和工具箱構(gòu)建虛擬實驗室平臺，該平臺不僅可用于學(xué)生的實驗，同時也適用于教師的教學(xué)，提高了教學(xué)實驗水平及學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效率。另外虛擬實驗室的構(gòu)建減少了實驗室資金的投入，便于開放式管理。

［1］ 胡纓（Hu Ying）.虛擬儀器在電子實驗教學(xué)中的運用探討（Inquiry into the application of virtual instrument used in electronic experimental teaching）［J］.時代教育（Time Education），2010，（3）：274－274.

［2］ 雷振山，趙晨光，魏麗，等.Lab VIEW8.2基礎(chǔ)教程［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［3］ 楊軍平（Yang Junping）.基于虛擬儀器技術(shù)的虛擬電子實驗室的研究——電子電路的設(shè)計與仿真（Study on the Virtual Electronic Laboratory Based on Virtual Instrument Technology－Electronic Circuit Design and Simulation）［D］.新鄉(xiāng)：河南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院（Xinxiang：College of Physics and Information Engineering，Henan Normal University），2007.

［4］ 高金輝，楊軍平，邱愛中（Gao Jinhui，Yang Junping，Qiu Aizhong）.虛擬儀器技術(shù)及虛擬實驗室的構(gòu)建（Design of virtual electronic laboratory based on virtual instrument technic）［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版（Journal of Henan Normal University：Natural Science），2008，36（2）：63－66.

［5］ 高亮.電力系統(tǒng)微機繼電保護［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［6］ 肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制［M］.北京：中國電力出版社，2004.