賈佳

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710089）

高職《虛擬儀器技術(shù)》課程教學(xué)實(shí)踐探索

賈佳

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710089）

虛擬儀器設(shè)計(jì)已經(jīng)成為測(cè)試和儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，是一門具有較強(qiáng)實(shí)用性的專業(yè)課。文章從增強(qiáng)學(xué)生對(duì)該課程的實(shí)踐能力、提高學(xué)習(xí)興趣入手，通過(guò)教學(xué)實(shí)例介紹自行開(kāi)發(fā)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)設(shè)備及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的方法及意義。

高職；虛擬儀器技術(shù)；教學(xué)實(shí)踐

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，儀器技術(shù)由模擬儀器、數(shù)字儀器、智能儀器逐步發(fā)展到了虛擬儀器。虛擬儀器越來(lái)越受眾多科研及技術(shù)人員的關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及教育、通訊、工業(yè)等各個(gè)行業(yè)。在此背景下，越來(lái)越多的高職院校組建虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)設(shè)相關(guān)課程，培養(yǎng)虛擬儀器技術(shù)類科研與應(yīng)用人才。然而，在虛擬儀器技術(shù)重要特點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集處理方面，多數(shù)高職院校限于使用現(xiàn)有的儀器設(shè)備完成固定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，阻礙了學(xué)生創(chuàng)新能力和可持續(xù)發(fā)展能力的發(fā)展。我院通過(guò)將虛擬儀器技術(shù)與Proteus仿真技術(shù)相結(jié)合，在虛擬串口軟件的支持下實(shí)現(xiàn)了單機(jī)硬件通信仿真，不但培養(yǎng)了學(xué)生虛擬儀器技術(shù)的基本理論知識(shí)、實(shí)踐技能、工程應(yīng)用能力，還加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)課程間相互聯(lián)系的理解，取得了較好的效果。

虛擬儀器概念及特點(diǎn)

虛擬儀器的概念 虛擬儀器主要由通用的計(jì)算機(jī)資源、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成。使用者利用應(yīng)用軟件將計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件結(jié)合起來(lái)，通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作計(jì)算機(jī)，完成對(duì)測(cè)試信號(hào)的采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)處理等功能。虛擬儀器中的硬件主要用于解決信號(hào)的調(diào)理以及輸入、輸出問(wèn)題。而軟件主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取、分析、處理、顯示以及對(duì)硬件的控制等功能，這些功能在傳統(tǒng)電子儀器中往往通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的虛擬儀器組建方案如圖1所示。

圖1 典型的虛擬儀器結(jié)構(gòu)圖

虛擬儀器的特點(diǎn) 虛擬儀器技術(shù)是目前測(cè)控領(lǐng)域中最為流行的技術(shù)之一，它的硬件部分往往具有很大程度上的通用性，軟件是系統(tǒng)的核心，這樣使其實(shí)現(xiàn)不是強(qiáng)調(diào)物理形式。它利用接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，利用I/O計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，利用顯示器豐富的顯示功能來(lái)多形式地表達(dá)和輸出檢測(cè)結(jié)果。虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器的基本功能，同時(shí)又能根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求隨時(shí)進(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)多種多樣的應(yīng)用需求，具有擴(kuò)展靈活、界面友好、操作簡(jiǎn)便、性價(jià)比高等特點(diǎn)，特別適合于高校的教學(xué)實(shí)踐。因此，虛擬儀器相對(duì)于傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，如表1所示。

表1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器區(qū)別表

虛擬儀器課程教學(xué)實(shí)踐探索

本實(shí)例通過(guò)使用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)開(kāi)發(fā)，下位機(jī)使用Proteus硬件仿真軟件開(kāi)發(fā)，完成虛擬儀器與單片機(jī)的通信，控制LED有序工作。

LabVIEW簡(jiǎn)介 LabVIEW是NI公司開(kāi)發(fā)的虛擬儀器應(yīng)用程序編程環(huán)境，是一種圖形化的編程語(yǔ)言，特別適合測(cè)控應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。它具有所有通用編程環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)功能，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和事件處理。其內(nèi)置的各種專業(yè)工具軟件包可滿足工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)的需要。因此，LabVIEW不僅僅是一門編程語(yǔ)言。

Proteus簡(jiǎn)介 Proteus是由英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的一款可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路、微控制器系統(tǒng)仿真以及PCB設(shè)計(jì)等功能的EDA軟件。通過(guò)Proteus軟件的虛擬仿真技術(shù)（VSM），用戶可以對(duì)基于微控制器的系統(tǒng)包括外圍接口電子器件一起仿真，可在原理圖設(shè)計(jì)階段對(duì)所設(shè)計(jì)電路和編寫程序進(jìn)行驗(yàn)證、評(píng)估，避免了傳統(tǒng)電子電路設(shè)計(jì)中修改方案帶來(lái)的重復(fù)工作。

基于虛擬儀器的單片機(jī)LED控制器 現(xiàn)以應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明基于虛擬儀器的單片機(jī)LED控制器的設(shè)計(jì)方法。

圖2 LabVIEW前面板圖

圖3 LabVIEW程序框圖

1.虛擬儀器控制面板。圖2和圖3分別是使用LabVIEW編寫的上位機(jī)通信程序的前面板和程序框圖。可以看到，以0x39為握手信號(hào)，結(jié)合 LabVIEW前面板上的8位LED信號(hào)，組成2個(gè)字節(jié)的控制信號(hào)，共同輸出到VISA串口控制器，即PC機(jī)的RS232串口，傳送至單片機(jī)串行接口。其中，8位的LED控制器，0、1、2、3號(hào)LED控制器表示選擇單片機(jī)控制的LED燈燈號(hào)，如0001表示選擇1號(hào)燈，0101表示選擇5號(hào)燈；4號(hào)LED控制器表示選擇的燈是亮還是滅；5號(hào)LED控制器表示單片機(jī)控制的LED燈以流水燈形式亮起，且循環(huán)兩遍；6號(hào)LED控制器表示單片機(jī)控制的LED燈全滅；7號(hào)LED控制器表示單片機(jī)控制的LED燈全亮。優(yōu)先級(jí)由7號(hào)LED控制器依次降低。另外，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先完成串口數(shù)據(jù)配置，設(shè)置波特率為9600b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。這樣，一個(gè)基于LabVIEW環(huán)境下的單片機(jī)串口通信系統(tǒng)就建立起來(lái)了，在前面板中輸入相應(yīng)的控制值，就可以看到單片機(jī)做出響應(yīng)。

2.基于Proteus的單片機(jī)仿真界面。圖4為使用Proteus軟件編寫的單片機(jī)LED控制器，通過(guò)P2口接8個(gè)LED燈，使用上位機(jī)發(fā)送來(lái)的控制數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)亮滅控制。由于PC機(jī)的串口和單片機(jī)的串口電平不同，需要使用MAX232芯片做電平轉(zhuǎn)換，但是這里使用Proteus軟件進(jìn)行模擬，不需要加芯片，同樣可以正常運(yùn)行。對(duì)圖5COMPIM控件進(jìn)行配置，完成與上位機(jī)相同波特率等參數(shù)的設(shè)置。在完成了電路仿真設(shè)計(jì)后，可以將在Proteus軟件上設(shè)計(jì)的單片機(jī)硬件電路實(shí)物化，從而大大提高學(xué)習(xí)效率。

圖4 Proteus仿真界面圖

圖5 Proteus COM通訊端口配置圖

3.虛擬串口軟件Virtual Serial Ports Driver XP（VSDP XP）。在完成基于虛擬儀器和Proteus軟件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)后，需要使用兩臺(tái)PC機(jī)進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器與Proteus軟件編寫的單片機(jī)應(yīng)用程序的上下位機(jī)通信。VSDP XP是一款虛擬串口仿真軟件，可以和Proteus、LabVIEW結(jié)合使用，通過(guò)虛擬非調(diào)試解調(diào)器電纜模擬RS232串口連接，可使虛擬串口看起來(lái)就像標(biāo)準(zhǔn)的硬件串口一樣。這樣，就可以使用一臺(tái)PC機(jī)，在安裝虛擬串口軟件VSDP XP下，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器上位機(jī)與單片機(jī)下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，不僅提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率，也為學(xué)生進(jìn)行虛擬儀器數(shù)據(jù)采集設(shè)備開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了便利的條件。

以上一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用示例幫助學(xué)生更加了解虛擬儀器的特點(diǎn)，打破了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限，提高了學(xué)生對(duì)虛擬儀器課程的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生自主開(kāi)發(fā)基于虛擬儀器應(yīng)用系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力。學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，開(kāi)發(fā)出更加復(fù)雜的虛擬儀器控制系統(tǒng)，通過(guò)已經(jīng)學(xué)習(xí)的單片機(jī)課程完成數(shù)據(jù)采集設(shè)備開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)D/A、A/D、電路控制等多種功能。

虛擬儀器是當(dāng)前測(cè)量?jī)x器發(fā)展的一個(gè)重要方向，它為各行業(yè)、各學(xué)科提供了一個(gè)通用的設(shè)計(jì)、研究、實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)它也是學(xué)生多門理論課程融合、理論與實(shí)踐結(jié)合的一個(gè)很好的環(huán)節(jié)。對(duì)虛擬儀器課程教學(xué)的實(shí)踐探索，不僅讓學(xué)生在實(shí)踐中深化對(duì)理論的認(rèn)識(shí)，也提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力，自己設(shè)計(jì)虛擬器件激發(fā)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，取得了較好的教學(xué)效果。

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G712

A

1672-5727（2012）05-0173-03

賈佳（1980—），女，陜西西安人，碩士，西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事電子電路、虛擬儀器以及FPGA的教學(xué)和研究。

（本欄責(zé)任編輯：謝良才）