浅谈虚拟仪器实验室的建设

浅谈虚拟仪器实验室的建设内容摘要：现代教育技术和计算机技术的不断发展，使得虚拟实验室技术蓬勃发展起来。虚拟实验室具有传统实验室无可比拟的优点。本文介绍了虚拟仪器系统引入实验教学的必要性和可行性，并以工程力学虚拟实验室的建设为例给出了建立虚拟实验室的方法。关键字：实验；虚拟仪器；虚拟实验室实验是教学活动中一个必不可少的过程，尤其是对于理工类的一些学科，例如物理、化学、机电、计算机等实践性很强的学科，实验教学环节对学好这些课程更是至关重要。学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，才能获得一定的实验能力，并初步具有处理实际问题的能力。因此，充实实验内容，增开综合性实验项目，进一步加强实验室建设，不断改革实验教学是十分必要的。随着人类对自然规律探索的深入，现代文明的不断发展，建设现代化的实验室面临着越来越多的挑战。对于以培养面向２１世纪的现代化人才为宗旨的大学教育来说，如何使学生能够掌握现代技术，如何设计和建设能够兼容过去、立足现代、面向未来的实验室更是值得深入探索和实践。一、虚拟仪器系统引入实验教学的必要性众所周知，仪器是实验的基础，要保证综合性实验的开设质量，就要同时购置多套先进而昂贵的仪器。一个传统的实验要使用多种仪器，而且不同实验所用的仪器也不尽相同，如果开设综合性实验所需仪器就更多，这么多的仪器不仅价值昂贵、体积大、占用空间多，而且相互连接也十分麻烦。如何更合理地配置教育资源，解决好资金投入与人才培养之间的矛盾，是学校开展实验教育经常需要考虑而又伤脑筋的问题。由于条件的限制，我国大学的实验室建设一直落后于先进国家，这在一定程度上影响了高素质人才的培养，制约了我国科研和工业生产的快速发展。以往的实验室建设，通常是根据实验室的实验目标和方向，选择相应的专用仪器设备。为了进行必要的数据处理，有时也会选择一些仪器与计算机系统的接口设备，使仪器系统与计算机系统之间具备通信的能力，达到数据共享的目的。不可否认，这样的实验室在科学实验及教学活动中发挥了极为重要的作用。然而，这种建设方法所忽视的是实验室系统的灵活性和开放性，也没有充分利用当前迅速发展着的相关领域的技术和设备。因此，在实验环境和对象不断变化的今天，传统的实验室建设方法已经难以适应，加速大学现代化实验室的建设已经成为当务之急。实验手段和技术的进步，必然促进相关技术的发展。以虚拟仪器设备及技术为基础的现代化实验设备正是这种进步的具体体现。建设以虚拟仪器设备及技术为基础的现代化实验室并不意味着对传统设备和环境的否定。虚拟仪器系统可以将已有的实验设备中的绝大多数融入新的系统当中，并且充分利用当今流行的现代技术和手段，保证实验系统在相当长的一段时间内不会落后。事实上，建立以虚拟仪器设备及技术为基础的现代化实验室系统，更为关注的应该是它的内在意义，是它的技术思路。设备本身总有过时的时候，包括虚拟仪器本身在内，而正确的技术发展思路可以使我们的实验室始终处于现代化的行列，为科研和教学提供适应发展的实验手段。二、虚拟仪器系统引入实验教学的可行性（一）虚拟仪器系统的基本构成虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类，在虚拟仪器中，计算机处于核心地位，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化。从构成上来说，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价新型仪器。从使用上来说，虚拟仪器利用ＰＣ计算机强大的图形环境，建立界面友好的虚拟仪器面板（即软面板），操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。在这里，硬件仅仅是解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。正因为如此，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件（如用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件）实现不同的功能。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。因此从某种意义上可以说：软件就是仪器。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。（二）虚拟仪器在实验教学中的应用高等院校特别是理工科院校，实验教学仪器设备所需投资巨大，一般学校很难满足，造成许多学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研。使用虚拟仪器不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高教学科研的质量与效率。由于虚拟仪器的硬件是以通用微型计算机为基础的，我国普通高校的实验室一般都拥有相当数量的通用计算机，因此，只要购买一定的仪器模板以及相应的软件就可以构成足够数量的虚拟仪器供学生使用。另一方面，在同一台计算机上，通过操作者的不同定义，可以虚拟出不同的仪器，各仪器之间还可以通过不同的窗口进行切换，因此实验室无需配备各种传统仪器，可以通过软件设计使虚拟仪器和实验室设备不断更新。学生在计算机上操纵各种虚拟仪器进行试验，就如同是在操作传统仪器一样有效，与在真实实验室的现场试验做出的实验结果是一样的。这样，使用基于虚拟仪器系统的虚拟实验来代替实际现场试验，能很好地解决现有实验教学中的矛盾，又符合现代实验技术的发展方向。三、工程力学虚拟实验室---衰减振动实验（一）实验原理振动台由台面、支撑弹簧片及电磁阻尼器组成，在瞬时或持续的干扰力作用下，台面沿水平面纵轴方向振动。铝质台面在电磁阻尼器的磁隙中运动时，产生与运动速度成正比的电涡流阻尼，调节电磁铁的励磁电流可改变阻尼的大小。试验装置如下图所示（二）实验装置序号名称数量主要技术指标参考类型生产厂家1水平振动台1固有频率：约10HZ阻尼比：0.01-0.20可变自制2电子示波器1通用型3阻尼器电源1DC输出：0-30V，2APAB32-2AKIKUSUI（日本）（三）实验步骤通过链接控制面板或在窗口中直接单击各实验仪器设备，打开各实验仪器设备的控制面板，并开通电源。（可以使用缩放按钮功能，方便操作）1、打开如右图所示的“阻尼器电源”控制面板。确定按下了“A”和“OUTPUT”按钮，调整“输出电压或电流微调”旋钮，如下图所示，将电流输出值大致调为0.5A（同强迫振动实验）。2、在“水平振动台”上输入振动台的初始位移，点击“OK”，这时，在“电子示波器”上将计入下振动台的衰减波形。3、使用控制面板上的“衰减曲线”功能按钮，系统将自动绘出当前振动状态下的衰减曲线。通过这个衰减曲线，试验者可取得衰减曲线上任意点的数据。4、为增加对本实验的了解，试验者可调整阻尼器电源的输出电流，以观察不同阻尼状。5、测试完毕时，将阻尼器电源的输出调至零。然后关闭所有仪器的电源。（四）实验演示（五）虚拟示波器的设计与实现方案1、虚拟示波器的结构与组成本虚拟数字示波器主要由一块PCI总线的多功能数据采集卡和相应的软件组成。将它们安装在一台运行Windows95/98/NT的PC机上（建议配置在PENTIUMⅡ／233以上），即构成一个功能强大的可存储数字示波器。该数字示波器操作与显示主面板如图1所示。1.1数据采集卡PCI总线传输速率高数据吞吐量大是今后数据采集板卡设计的主流。本设计采用的PCI－1200数据采集卡是一块性价比较好的产品，支持DMA方式和双缓冲区模式，保证了实时信号不间断采集与存储。它支持单极和双极性模拟信号输入，信号输入范围分别为－5～＋5V和0～10V。提供16路单端／8路差动模拟输入通道、2路独立的DA输出通道、24线的TTL型数字I／O、3个16位的定时计数器等多种功能。这些功能使得我们不仅可以用该卡设计虚拟示波器，也可以设计虚拟函数发生器或虚拟计数器，做到一卡多用。当然，限于经费条件，我们选择的PCI－1200卡的采样速率只能达到100kS／s，对实际示波器而言，这远不能满足信号带宽的要求。目前市场上采样速率达200MS／s的PCI数据采集卡已有成熟产品，技术上实现高带宽的虚拟示波器不存在问题。实际测量时输入信号通过BNC接头从输入端子进入数据采集卡进行采集。1.2仪器功能本虚拟数字示波器设计参考了HP公司的双通道台式数字存储示波器HP54603B的功能，并在仪器分析和处理功能上有所扩展。仪器主要功能包括：双通道信号输入、触发控制、通道控制、时基控制、波形显示、参数自动测量、频谱分析、波形存储和回放等。本虚拟数字示波器还提供网络接口，允许通过TCP／IP协议实现网络仪器共享或远程控制。表1是本虚拟数字示波器与HP54603B的功能对照表。由表1可以看出，除了由于经费原因使得所选数据采集卡采样速率低于HP54603B外，本虚拟示波器在显示、测量、分析、存储和外部连接等方面的功能都不低于甚至高于HP54603B。2、软件的设计与实现2.1软件开发环境虚拟数字示波器软件设计采用了先进的图形化编程语言工具LabVIEW5.1forWindows98／NT。LabVIEW编程的主要特点就是将虚拟仪器分解为若干基本的功能模块（相当于硬件设计中的集成电路），模块的引脚代表输入／输出接口。编程者可以通过交互式手段，采用图形化框图设计的方法，完成虚拟仪器的逻辑和测量分析功能设计。图2是虚拟数字示波器频谱分析模块程序。由图2可以看出，LabVIEW程序设计过程与人们设计仪器的思维过程十分相近，程序框图就实现了程序代码功能，避免了一般程序设计从框图构思到程序表示的繁琐。LabVIEW编程的另一个优点是将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机交互界面无需对整个程序进行调试，这对设计像仪器操作面板这样复杂的人机界面而言是十分方便的。LabVIEW还为用户提供了函数扩展功能，利用LabVIEW中的CodeInterfaceNode（CIN），可以调用用C等传统编程语言写的程序代码；利用LabVIEW中的CallLibraryFunction可以调用标准动态链接库（.DLL）。总之，LabVIEW作为图形化编程语言环境，为虚拟仪器开发提供了一种快捷、方便和功能强大的软件工具。2.2主要功能模块概括地讲，虚拟示波器主要由软件控制完成信号的采集、处理和显示。系统软件总体上包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析及波形存储和回放等五大模块，其功能结构框图如图3所示。2.2.1数据采集模块数据采集模块主要完成数据采集的控制，包括触发控制、通道选择控制、时基控制等。其中：·触发控制包括触发模式、触发斜坡、触发电平控制；·通道选择主要控制单通道或双通道测量；·时基控制主要控制采集卡扫描率、每一通道扫描次数（取样数）。2.2.2波形显示模块软件提供了三种波形显示模式：·ABA＆B模式：通过显示通道选择按键摚翑和摚聰，可以任意显示某一通道或两通道输入信号的波形；·XY模式：当两通道都处于选通状态时，使用此模式来显示李沙育（Lissajous）图形、测量相位差或频率；·A＋BA－B模式：当两通道都处于选通状态时，使用此模式来显示两通道信号代数相加、相减后的波形。2.2.3参数测量模块参数测量模块主要模拟HP54603B的参数测量功能，完成包括Vrms等12个电压参数和频率、周期等7个时间参数的测量并显示其测量结果。2.2.4频谱分析模块频谱分析模块采用快速FFT算法，完成频域信号分析。可实现的频谱分析控制包括：·Windows选择，提供了9种频谱分析窗口；·Log／Linear选择，提供了2种坐标显示模式；·DisplayUnit选择，提供了8种单位。2.2.5数据存储和回放模块按键撔磁虜控制是否进行数据存储按键摱僚虜控制是否从数据文件中读取数据。主面板提供了两个文件名输