虚拟仪器技术论文大全11篇

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挑战：

中国的手机市场发展迅猛，世界各大手机厂商竞相争夺手机用户。在如此激烈的竞争中，手机的功能日趋丰富，比如摄像头、MP3、FM调频收音机等等。同时，手机通讯协议也层出不穷，GSM、CDMA、GPRS、CDMA2000、EDGE、WCDMA等等。为了应对产品的不断变化，工程师面临着提高效率并缩短产品市场化时间的挑战，他们需要一个灵活而强大的通用测试平台。我们先来看一个通用测试平台针对手机通讯协议的变化而表现出来的优势。大家知道，2G的协议比如GSM和CDMA都已被成功地运用于市场了，而3G的协议比如WCDMA，CDMA2000等等是未来的必然趋势。在从2G到3G的转变中，面临客户群、设备置换、技术的成熟度风险等等问题。运营商希望能够进行平滑的过渡，在不丢失已有手机用户的情况下，首先升级交换网络部分，这使得用户可以使用过渡期的2.5G产品，然后等时机成熟时再升级无线网络部分达到3G的标准。2G的测试仪器已经比较成熟，3G的测试产品正在加紧开发，2.5G的专用测试设备却由于传统仪器制造商考虑到研发成本和市场前景的问题而匮乏。

一家著名的手机制造商制造了支持EDGE(EnhancedDataratesforGSMEvolution)协议的2.5G手机产品，需要针对这一产品的测试方案。EDGE是一个专业协议，由于它的出现时间比较短，了解它的人也比较少，要在短期内构建一个EDGE测试系统是一个巨大的挑战。为了在市场上与同行竞争，需要在一个月内能够使用这套测试设备。

应用方案：

利用TestStand模块化，兼容性强，可自定义的特点，根据生产测试的需要对其进行修改与完善，并结合LabVIEW，GPIB卡，以及相应的测试仪器，创建百分之百符合自己需要的CDMA基站测试系统。

使用的产品：

硬件上整个系统包含了一个PXI机箱，其中有：

NIPXI-8186

2.2GHzIntel奔腾4处理器的嵌入式PC，预装WindowsXP操作系统

NIPXI-5660

2.7GHzRF信号分析仪，9kHz到2.7GHz，20MHz实时带宽，80dB真实动态范围

NIPXI-5670

RF信号源，250kHz到2.7GHz，16位，100MS/s任意波形发生，22MHz实时带宽

NIPXI-5122

14位数字化仪，100MS/s实时采样，2GS/s随机间隔采样，100MHz带宽

NIPXI-4070

6位半数字万用表，6ppm精度

其中，NIPXI-5660被用作矢量信号分析仪，NIPXI-5670被用作射频信号源，NIPXI-5122被用作示波器，NIPXI-4070被用作数字万用表。

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一、问题的提出

随着计算机、通信、微计算机技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势【1】。在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。其一般特征是将虚拟仪器、被测试点以及数据库等资源纳入网络，共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器，可在任何地点、任意时刻获取数据信息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、报警等。

论文的目的是基于虚拟仪器的概念，使用目前最为流行的虚拟仪器软件开发环境－LabVIEW，进行虚拟实验仪器的开发；搭建虚拟仪器软硬件平台。

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1.引言

传统示波器是电子工业、科学研究和教学实验领域中一种必备的仪器，并且都在这些领域中占有重要的地位。在高速发展的现代科技技术下，对传统测控仪器提出了新的技术要求，主要包括智能化、自动化、多样化等等[1]。传统仪器跟其他传统测控仪器一样，越来越不能满足这些新技术的要求，与此同时，新仪器的开发对开发商与用户都带来了更大的挑战。基于上述原因，新型的测控仪器设备的出现是当务之急，虚拟仪器这个概念变得不再陌生。

虚拟仪器的开发基于强大的计算机软件和硬件，把传感器技术，自动化控制技术等有效的融合在一起[2]。软件设计平台的灵活性，依据用户不同的特殊需求创建出人机友好操作界面，实现并取代各类特殊、昂贵的测试仪器的功能。

实现用户友好操作界面的软件操作平台有很多，例如，Labview软件，MATLAB软件，Visual Basic软件，JAVA软件等，本文将对实现虚拟示波器用户操作界面的开发性软件进行比较。

2.虚拟仪器的发展

2.1 国外发展状况

近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少的虚拟仪器开发软件，方便了开发商利用这些开发软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件，最具影响力的是NI公司的Labview和Labwindows/CVi开发软件，美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS软件以及HEM Data公司的Snap-Master平台软件等都是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台[3]。从1988年陆续有虚拟仪器产品面市，当时有五家制造商推出30种产品。此后，虚拟仪器产品每年成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿的40%。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国，生产虚拟仪器的主要厂家有HP公司目前生产100多种型号的虚拟仪器，Tektroflix公司目前生产约80多种型号的虚拟仪器。

2.2 国内发展状况

国内虚拟仪器的开发和研究起步相对比较晚，清华大学，重庆大学，西安交大以及东方震动和噪声技术研究等高校和公司对虚拟仪器的产品和设计平台以及NI产品做了大量的研究工作，所研究和开发的结果在某些方面都得到了很好的应用，比较突出的是重庆大学测试中心所研究的虚拟仪器，目前，部分院校的实验室也引入了虚拟仪器系统，包括上海复旦大学，上海交通大学，华中科技大学等[4]。于此，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研，其中华中科技大学机械学院所开发出的Inventor可重构虚拟实验台、深圳蓝津信息技术有限公司开发出的DRVI快速可重组虚拟仪器平台等影响力比较大，中国农业大学的研究人员利用虚拟仪器开发平台开发了用于精密播种机性能检测的实验室自动化系统。山东大学医学院基于虚拟仪器技术研究了胸双极立体心电图及其三维可视。

2.3 未来的发展趋势

虚拟仪器正在持续且迅速地发展，它即将取代测量技术在传统领域的各类仪器，使仪器的功能和技术性能方面具有了灵活性和经济性，因而更适应当代科学技术迅速发展和科学研究所提出的更高更新的测量需求[5]。并且随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器技术也会在向网络化方向发展，即基于网络的虚拟仪器。网络技术和虚拟仪器技术相结合，产生了基于网络的虚拟仪器，使用的网络化虚拟仪器，可以在任何地点，任何时间获取测试的数据，因此图像化编辑平台的发展将带动和完善虚拟仪器的发展。国内专家预测未来的几年内我国将有50%的仪器为虚拟仪器，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。

3.几种虚拟示波器常用开发环境的特点

3.1 基于Labview的虚拟示波器

Labview是一种基于图形编程语言的可视化优秀开发平台，它与传统编程语言最大的区别是使用图形语言，以框图的形式编写程序[6]。它与VisualC++、visual basic、LabWindows/CVI等编程语言不同，是使用图形化程序设计语言G，而不是基于文本语言的程序代码，用方框图代替了传统的程序代码，一个Labview程序主要包括前面板、框图程序、图标/接线端口3部分[7]。为用户提供一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统或数据采集系统，并可以任意构建仪器面板，而无须进行任何繁琐的计算机程序代码的编程，从而可以大大简化程序的设计。

在设计虚拟示波器时，程序包括数据采集，波形显示，信号处理，波形存储和回放几个模块。因而硬件部分的主要功能就是采集外部的信号，可以是PCI、USB、DAQ等数据采集装置，然后是信号调理，目的就是完成信号缓冲、放大、滤波等功能[8]，Labview开发平台自带的函数具有强大的信号处理功能，充分发挥Labview的优势所在。在它的前面板上可以非常直观地显示出旋钮，开关，波形等示波器应有的界面设置，参数设置，可以根据开发者的想法自行定义，具有很强的灵活性[9]，真正的操控系统的是后面板，建立功能模块，元器件的连接，按键功能的实现等等，模块化的实现使虚拟示波器的功能更加完善。

3.2 基于MATLAB的虚拟示波器

MATLAB是Matrix和Labortaty前三个字母的缩写，意思是“距阵实验室”[10]。是一套功能十分强大的计算机辅助和设计教学软件，MATLAB具有以下的主要功能：数值计算功能，符号计算功能，图形处理功能及可视化功能，可视化建模及动态仿真功能。

基于MATLAB平台设计的虚拟示波器可以充分发挥它的数据分析功能，不仅方便了实验研究，也可以为控制系统的设计与优化提供了有效的途径[11]。基于MATLAB的虚拟示波器硬件系统主要是完成数据采集系统的设计，主要有MCU、数字I/O、A/D、数据通信接口，以及电源部分组成。而对计算机串口以及数据输入的控制，由MATLAB软件的仪器控制工具箱中的函数来完成。通过调用MATLAB的数据采集，画图程序来完善虚拟示波器的功能。MATLAB是很好的数据分析处理软件，而将其与Labview相结合编程可以极大的提高系统的数据采集、分析、故障诊断的能力，具有很强的技术提升空间。

3.3 基于Visual Basic的虚拟示波器

Visual Basic简称VB，是Microsoft公司推出的一种Windows应用程序开发工具。在界面设计、文件处理、多媒体应用、数据访问等方面提供了有力的帮助，具有易懂、易学的优点。对于虚拟示波器开发而言，VB在数据处理和图形显示方面不如Labview。在使用VB开发工业测量与控制系统应用软件时，需要对待测量信号进行实时采集、显示、以及实时处理等VB并不擅长。对此类应用程序的开发，最为理想的解决方案是将VB的图形用户界面开发及其他方面的优势和LabVIEW在数据采集、显示与处理方面的优势结合起来[12]，互相取长补短，从而开发出功能更加强大的测控软件系统。

MATLAB与VB的结合主要有两种方式。其一是在VB中引入MATRIXVB，使得VB可以调用MATLAB函数。其二是将在MATLAB中编写的文件编译成VB可以调用的DLL文件。通过混合编程，利用VB和MATRIXVB，快速、简洁地生成虚拟仪器[13]。

3.4 基于JAVA的虚拟示波器

JAVA是由Sun Microsystems公司推出的JAVA程序设计语言和平台的总称。面向对象的一次编译随处运行的高级语言，提供了强大的网络支持，用Java实现的HotJava浏览器跨平台、动感的Web、Internet计算的功能。推动了Web的迅速发展，常用的浏览器均支持Java applet[14]。基于JAVA开发网络化的虚拟测控系统具有强大的网络和跨平台的优势。

基于JAVA的网络化虚拟示波器，利用socket和多线程技术实现，使用双缓存技术解决了波形显示时的闪烁问题，由系统启动用户界面线程，同时启动不断侦听对客户连接请求的线程。如果侦听到客户的连接请求，就开辟一个新的线程来处理其连接请求。与此同时还要查询数据是否已经传送完毕，一旦完成便要通知用户界面线程更新界面。

除了上述的几种开发平台外，还有C++ Bulider，Visual ，VC等都可以是结合多种软件的虚拟仪器开发平台，另外国内也有一些虚拟仪器开发系统，如吉林大学自主研发的图形化虚拟仪器开发平台LabScene，重庆大学研制的虚拟仪器开发系统VMIDS等等[15]。并在相应领域取得了一定的成果。

4.结束语

在各领域的应用中，虚拟仪器正在取代着传统仪器，它的优势也是显而易见的，它的出现是仪器界的一次革命，具体表现为：智能化程度高，处理能力强;复用性强，系统费用低;可操作性强等等。对于虚拟仪器的设计而言，软件设计是核心，对于每一种虚拟仪器的开发平台都有它自己的特色与缺陷，MATLAB是一款数字处理与图形化处理的强大软件，在设计虚拟示波器时可以发挥它强大的数据处理功能，对于Visual Basic而言，它的缺陷是存在的，但它是一款作为结合型开发软件的好处;利用JAVA的开发的虚拟仪器是现在乃至未来的重要开发平台，它是仪器朝着网络化的发展，就目前而言，Labview是虚拟示波器开发软件的首选，它的图型化编程语言使用户和开发者都能比较容易理解。在实际应用中，我们不仅仅局限于单种软件开发工具，可以将它们结合起来使用，取长补短，各抒其长，会使所开发的虚拟仪器得到更全面的设计。再者在实施方案前，对开发平台进行分析探讨、比较，最终选择适合的虚拟平台，对之后的工作会带来更多的便利。

参考文献

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[12]宋波，陈一民.关于虚拟仪器开发工具的比较与选取[J].国外电子测量技术，2006，25（8）：1-5.

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1 引言

力传感器是目前广泛使用的传感器，在长期使用过程中，由于使用环境、本身结构的变化，需要对其进行标定，以此保证测量的精度。近年来，随着虚拟仪器技术的出现和发展，越来越多的技术人员开始基于该技术来开发自动化测量设备。博士论文，标定。虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向[1]。而在众多的虚拟仪器开发平台中，美国国家仪器公司（NI）的LabVIEW应用最为广泛。本文主要介绍了基于LabVIEW的力传感器标定程序的设计。

2 标定的原理

所谓标定（或现场校准）[2]就是指用相对标准的量来确定测试系统电输出量与物理输入量之间的函数关系的过程。标定是测试中极其重要的一环。标定除了能够确定输入量和输出量之间的函数关系之外，还可以最大限度地消除测量系统中的系统误差。

传感器的校准采用静态的方法，即在静态标准条件下，采用一定标准等级（其精度等级为被较传感器的3~5倍）的校准设备，对传感器重复（不少于3次）进行全量程逐级加载和卸载测试，获得各次校准数据，以确定传感器的静态基本性能指标和精度的过程。为简化系统的设计，此处标准量采用砝码加载的方式获得。

3 系统组成

3.1硬件组成

系统的硬件组成如图1所示：

图1 系统硬件组成

由图可以看出，系统主要包括计算机、力传感器，数据采集卡、接线盒等。本系统中，力传感器采用电阻应变式压力传感器，四个应变片采用全桥的工作方式。数据采集卡采用NI公司的PCI-6221，该采集卡的主要参数如下：它具有16个模拟输入端口，2个模拟输出端口，24个数字输入输出端口，采样速率最高可达到250kS/s。接线盒采用NI公司的SC-2345，此接线盒直接与数据采集卡相连，接线盒上有SCC信号调理模块插座。SCC模块是NI公司提供的信号调理模块，其上面包含信号调理电路，可以将传感器处采集的信号转换成适合数据采集卡读取的信号。本系统所用的SCC模块为SCC-SG04，此模块适用于连接采用全桥工作方式的电阻应变式压力传感器。

3.2软件组成

本系统软件基于LabVIEW 8.2来开发。LabVIEW是一种图形化的编程语言。博士论文，标定。博士论文，标定。与其他开发工具不同，用LabVIEW编程的过程不是写代码，而是画“流程图”。这样可以使用户从烦琐的程序设计中解放出来，而将注意力集中在测量等物理问题本身。它主要针对各个领域的工程技术人员而设计，非计算机专业人员[1]。博士论文，标定。

因为所用的力传感器属于应变式电阻传感器，其电阻变化率与应变可以保持很好的线性关系，即输入与输出量之间呈线性关系，所以可以用一条直线对校准数据进行拟合。此直线就称为拟合直线，所求得的方程为拟合方程。图2所示为传感器标定程序的采样页面。

此程序采用LabVIEW的事件驱动编程技术进行编制的。事件[3]是对活动发生的异步通知。事件可以来自于用户界面、外部I/O或程序的其它部分。在LabVIEW中使用用户界面事件可使前面板用户操作与程序框图执行保持同步。事件允许用户每当执行某个特定操作时执行特定的事件处理分支。

图2 标定程序采样页面

图3 采样程序

直线拟合的方法[2]有很多种，比如最小二乘法、平均选点法、断点法等等。其中，最小二乘法精度比较高，此处利用它进行直线拟合。根据最小二乘法，假定是一组测量值，是相应的拟合值，mse为均方差，则拟合目标可以表达为，期望mse最小。

LabVIEW中的分析软件库提供了多种线性和非线性的曲线拟合算法，例如线性拟合、指数拟合、通用多项式拟合等等。本程序选择Linear Fit.Vi 来实现最小二乘法线性拟合。

标定子程序的工作流程如下：用户先通过多次采样，获得各个输入量对应的输出量，通过While循环的移位寄存器保存这些值。博士论文，标定。采样完成后，把这些值输入Linear Fit.Vi进行拟合，拟合的曲线在Graph控件中显示出来，同时该Vi自动求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，这样，输入输出量之间的函数关系就可以确定下来了，如图4所示。

图4 标定程序拟合前面板

4 小结

基于虚拟仪器的力传感器标定程序能够方便地对力传感器进行标定。博士论文，标定。该系统具有人机界面友好，灵活方便，自动化程度高等特点。

参考文献：

【1】.候国屏;王珅;叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].清华大学出版社.2005

【2】.张迎新等.非电量测量技术基础[M].北京航空航天大学出版社，2001

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1.虚拟仪器

1986年美国国家仪器公司（National Instruments Corporation，NI）研发推出了图形化编程环境的开发平台——LabVIEW软件，并首先提出了虚拟仪器（Virtual Instruments，VI）的概念。作为以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自动测试系统的同义语[1]。使用虚拟仪器系统可以避免仪器编程过程中的大量重复性劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，并且客户可以用不同的模块构造自己的虚拟仪器系统。虚拟仪器技术经过二十多年的发展，如今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向发展。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件，它整合了诸如GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485及数据采集卡等硬件通信的全部功能，而且具有很强的分析处理能力。虚拟仪器的开发厂家为了扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面做了许多工作，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库，使虚拟仪器发展成为组建得极为复杂的自动测量系统[2]。

随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，虚拟仪器的功能和性能不断提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性价比不断提高，虚拟仪器的价格更为大众化，用户不再受限于传统仪器的使用限制和昂贵价格，进一步降低了使用成本，减少了开发费用和系统的维护费用。此外，新型笔记本电脑把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，它的功能和应用领域将不断增强和扩大。

2.虚拟仪器在教学中的应用

随着虚拟仪器系统的广泛应用，越来越多的教学部门开始用它建立教学系统，不仅大大节省开支，而且由于虚拟仪器系统具有灵活、可重用性强等优点，使得教学方法更灵活。教育的核心是素质教育，实施素质教育的重点是“培养学生的创新精神和实践能力”。随着高校扩招及学生实践动手要求的提高，出现了一些新的实验教学问题：（1）基于传统仪器实验教学的不足。当前大多数高校的实验教学仍然是基于传统仪器的教学方式，这种方式在一定程度上限制和阻碍了素质教育在实验教学中的实施，主要表现在如下几个方面：①学生需花费较多的时间组织、连接甚至搬动、更换仪器设备，一方面没有把实验课的时间完全用于实验能力的培养提高，另一方面增加了仪器设备的损坏机会；②实验基本上都是验证型实验，设计型、综合型实验少，需要学生发挥主观能动性的少；③由于实验设备的更新跟不上仪器工业的发展，实验教学与工程实际脱节。虚拟仪器在实验教学中的应用为解决这一问题提供了一条有效途径。（2）虚拟仪器技术在教学中的应用。虚拟仪器系统是测控技术和计算机技术相结合的产物，它是全新的仪器概念，打破了传统仪器的局限，在仪器的研究与制造中引起了一次重大的革新，是未来仪器产业发展的重要方向，目前在测试、控制等领域已被广泛应用[3]-[5]。虚拟仪器的特点主要在于其强大的数据分析与处理功能，并且，随着计算机硬件技术与接口技术的发展，虚拟仪器的实时数据采集与控制功能不断提升。一些高校对虚拟仪器在实验教学中的应用进行了开发，其中应用得较为广泛的有“ZK-3VIC型虚拟测试振动与控制多验装置”和“DRVI快速可重组虚拟仪器平台”等。不论哪种虚拟实验系统，归结起来，虚拟仪器应用于实验教学主要采用如下两种方式：一种方式是纯软件的虚拟仪器实验，如图1所示，即从信号的产生到信号的分析、处理和存储全音都由虚拟仪器进行仿真模拟，这种方式主要应用于理论验证性实验。

图1 虚拟实验方式之一

另一种方式的实验系统由“虚拟仪器+数据牙集卡+实测信号”组成，如图2所示。这种方式适用于操作性实验，对实验设备要求较高，除了PC机之外，还必须具备数据采集卡、实际被测对象和传感锹等。学生利用虚拟仪器平台构建扫频信号发生器、数据采集记录分析仪等虚拟书器，通过数据采集卡控制激振器和采集传感器的辅出信号，经过记录、分析，得出结论，完成实验。

图2 虚拟实验方式之二

3.虚拟仪器的教学方法

“虚拟仪器”作为一门应用技术课，其教学目标是要求学生了解虚拟仪器技术及其在各领域的应用，掌握虚拟仪器系统的基本构成及设计思想，学会系统软件开发工具LabVIEW，掌握虚拟仪器在测量仪器、过程控制、信号分析、远程控制等方面的应用技能，具有利用硬件设备快速构建研究、开发工作中需要的测试、实验系统的能力。虚拟仪器具有软件开发与硬件设计结合紧密、应用性强、涉及专业知识广等特点，采取合适的教学方法是完成课程教学任务、提高教学质量的重要途径[6]-[8]。

3.1课程内容的模块化设置。教学方法是针对教学内容制定的，教师要根据课程内容的特点采用不同的教学手段，将课程内容划分为三个模块：基础编程、应用开发、创新教学。基础编程模块：在介绍虚拟仪器的基本概念、构成和最新发展方向的基础上，把虚拟仪器前面板设计和程序框图设计、程序结构、图形显示、字符串与文件I/O、数据采集等作为教学的主要内容。应用开发模块：课程的主要内容从理论讲述转变为应用，以操作性、应用性项目为主，设计出测试、应用等一系列实验模块。创新教学模块：采用项目驱动教学方式，[1]-[3]教学内容取材于实际工程项目，根据知识点将整个项目分解开来，由简单到复杂、由局部到整体、由分立到综合。在整体结构上，将知识点与具体实例应用相融合，应用针对性更强。

3.2教学方法的选用。课程教学手段是否合理，直接影响学生对课程的学习兴趣与学习效果。鉴于“虚拟仪器”课程实践性强的特点，把课程教学由课堂搬到实验室，把讲授与学生动手实践灵活地融合在一起，让学生在实践过程中提高技能技巧，从而提高学习效率。根据课程内容的三个模块，以教、学、做为主线，以培养学生的实际动手能力为目标。

3.2.1讲授模式：主要针对课程中的理论教学，包括虚拟仪器技术背景知识、图形化编程语言原理、数据采集原理、硬件配置、仪器控制及软件工程，其目的是讲明讲透虚拟仪器的基本理论、基本知识和基本方法，使学生知其所以然。（1）讲练结合法，就是把教师讲授和学生练习有机结合起来，使讲和练互相促进，迅速而有效地实现教学目标。（2）实例教学法。实例教学法在教学过程中始终强调学以致用，在应用中学习。[4]根据教学内容和教学要求，设计多个精选实例，将所要学习的知识、操作、技能等融入实例中，通过对实例的分析、演示、讲解、讨论、学生练习及总结等环节，加深学生对基本概念、原理、方法的理解，提高学生的实际操作技能。

3.2.2实践实练：在课程教学中树立“理论重实践、实践重体验”的教育思想。综合能力的培养以一系列使用性、操作性、应用性项目为主，设计出认知、使用、测试、集成、应用等一系列实验和练习模块，让学生自己完成编程，教师指导学生自己发现和解决问题，提高学生自主学习和主动探究的积极性，提高学生的动手和创新能力。在整个环节中，任务书是关键性开始，既要有明确的实验目的和实验内容，又要给出各种规范要求、数字信号处理的新技术等。

3.2.3项目教学法：通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在教学过程中把理论与实践教学有机结合起来，充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。项目教学法的内容要求有综合性、创新性和吸引力，因此，项目必须是精心设计和挑选的开放式课题，具有应用性或研究性，学生需要查阅资料、设计方案、软硬件设计、提交报告、演示汇报等完成本项任务。

4.虚拟仪器考试方式改革的探索

针对虚拟仪器课程的特点，结合本课程在我院几年来授课及考试方式的探索，通过对以往考试方式的改革，总结出以下几种考核方式，可以针对不同情况进行选择。

4.1上机操作考试。针对虚拟仪器课程操作性强的特点，首选上机操作考试，既能测试学生对软件的掌握程度，又能培养学生的创造性思维，充分体现实践动手能力培养的目的。如果班级比较多，而电脑台数不足，就可以分上下场考试，每场间隔10分钟，即第一个班级考完后，集体下课，第二个班级马上进入考场，使学生之间没有交流的可能性，保证考题的保密性。当一次上下场考试不能满足需求时，可出多套难度相当的考题解决漏题问题。

4.2半开卷考试形式。针对学生过多而机器过少的情况，在上机考试没有办法保证保密性时，可选择半开卷形式。可令学生在一页A4纸正反面上，以手抄写的形式记载自己不熟悉内容，可供答题参考，期间不再提供任何形式的参考资料，该方式能够杜绝学生为了一个公式而发生考试舞弊行为。在出题上，以机动灵活的题目为主，充分培养学生分析与解决实际问题的能力，既有严谨性又有机动灵活性。

4.3采用课程论文。这种方式能够培养学生利用因特网、数据检索、处理资料及应用所学知识分析问题的能力。课程论文以设计性题目为主，以解决实际工程中的案例为主，可以使学生多方面多角度地对工程实际提出多种解决方案，发挥学生理论联系实际的能力。不足之处是学生相互抄袭现象严重，可通过答道形式进行区别及判定。

4.4闭卷考试形式。这种考试形式有利于考查考生的识记、理解和应用能力，也是对考生多方面基本能力素质的考查，有利于培养学生思维的敏捷性和流畅性。闭卷考试侧重考查的识记、理解、理论应用诸方面的能力水平只能体现在书面表达和文字陈述之中，难以培养学生的创造力，学习的知识容易造成书本化。

5.结语

《虚拟仪器》的课程建设及教学实践、课程的教学方式及考核方法都需要具体分析，机器多学生少时宜采用以上机为主、重点培养学生的实践动手能力的方式；机器少学生多时，宜采用以理论教学为主，上机操作相辅的方式。教学实践证明，考核成绩可以从多方面着手，平时成绩体现学生对课程的学习态度和对基本知识点的掌握程度；实验成绩反映学生的实际操作能力和对知识点的灵活应用设计能力；课程大作业反映学生的综合分析能力和创新能力等。通过教学改革与尝试，都取得了较好的教学效果。

参考文献：

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计算机技术与仪器的结合是当今仪器发展的一个重要方向，这种结合有两种方式，一种方式是将计算机装入仪器中，这就是所谓的智能化仪器，随着计算机功能的日益强大和体积的日趋缩小，这类仪器的功能越来越强大，有着广泛的应用前景。另一种方式是将仪器装入计算机中，充分利用计算机的软硬件资源和操作系统实现各种仪器功能，这就是所谓的虚拟仪器。

一、虚拟仪器技术在实验教学中的应用优势

虚拟实验室具有易于构建，易于实现试验硬件及测试数据共享，便于异地在线检测和远程测控等特点，这些特点使得虚拟仪器在学校实验室中可以发挥重要作用。运用虚拟仪器技术，可以应用现有设备搭建功能强大的实验系统，从而节省大量的购置设备费用，可以提高仪器界面的人机交互能力和可视化程度，给实验者提供更好用的仪器。与传统实验室相比，虚拟实验室具有独特的优点：1.能充分利用计算机现有资源；2.容易实现技术更新；3.自动化、智能化程度高；4.功能齐全、灵活、方便。这些优点在实践教学中产生了不可忽视的作用，能够弥补传统实验室的不足。虚拟仪器最简单的应用就是代替常规的仪器，如函数发生器、示波器等，对实现信号产生及波形记录，可以取得较好的效果。用计算机虚拟出的函数发生器，其波形、频率、幅值等都可用键盘或鼠标进行设置，完全能代替常规的仪器使用。学生可以利用这种虚拟仪器及时进行数据处理，观察和分析实验结果。虚拟仪器的设计和使用，大大提高了学生的实验兴趣、实验效果和效率，巩固了他们对该课程和理论知识的掌握。

二、改变实验教学模式，培养创新人才

有关“测试自动化”方面的传统实验大多数以验证性为主，实验内容单一，学生无需思考，按部就班地按照实验步骤就可以做完实验，缺乏设计性和创新能力的培养。引入虚拟仪器系统，就可灵活地增加各种设计性实验内容， 使学生根据实验要求，自行设计各种软面板，定义仪器的功能，以各种形式表达输出检测结果，实时进行分析。因此，虚拟仪器设计不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力，而且能激发学习的兴趣。

三、提高实验室水平，满足实验教学的新要求

虚拟仪器技术包括：信号调理技术、数据采集技术、数据处理技术、数据输出和传输技术等，也就是说，虚拟仪器技术使过去互不相干、独立分散的许多技术领域，相互影响，相互融合，并形成新的技术方法和规范。这就要求从事实验教学的教师具有综合实验能力和雄厚的理论基础，能够紧跟现代科学技术的发展步伐，能够不断更新和调整实验方法和手段，使实验室的实验教学设备保持其先进性。虚拟仪器的引入对人力资源的建设提出了更高的要求，而唯有人力资源得到有效的开发，才能使虚拟仪器发挥出应有的作用。

四、可以显著降低试验成本和提高实验效率

传统台式仪器价格相对较贵，若购进一套新型的完整的测试设备少则几万元，多则几十万元，另外，还具有占用空间大、更换不方便的缺点。而虚拟仪器很大程度节约了经费，提高了试验效率。虚拟仪器已在学生的毕业论文实验中开始推广使用，这种训练不仅加强了学生对虚拟仪器的工作原理、使用方法及功能的认识，而且开阔了学生的思路和眼界，提高了处理问题和解决问题的能力。因此，开发和利用虚拟仪器系统是改革实验教学的一个新的发展方向，必将在我校实验领域开辟新的天地。

建设现代化的教学、科研实验室是一项具有挑战性的工作。虚拟仪器的产生和发展推动了试验方式的改革，将虚拟仪器引入实验室教学，不仅可更新实验设备，降低实验仪器费用，还可减少实验测量中的人为误差，提高实际测量的准确度，实验效率较高。此外，在激发学生自主学习的积极性，增加单位时间的实验内容，促进学生动手能力的提高和创新意识的培养等方面也收到了良好的效果。

五、结束语

虚拟仪器克服了传统仪器自成系统，功能单一，体积庞大，仪器繁多，操作次数过多出现滑丝、指示不准等机械故障所导致的测量误差。不仅虚拟仪器工作平台的PC机可以一机多用，就是实验室也可以一室多用，节省了大量的设备购置费，可缓解实验室空间不足，又使现有的计算机资源得到充分利用。

将虚拟仪器技术引入实验教学，不仅可更新实验设备，降低实验仪器费用，还可减少实验测量中的人为误差，提高实际测量的准确度，实验效率较高。此外，在激发学生自主学习的积极性，增加单位时间的实验内容，促进学生动手能力和创新意识等方面也收到了良好的效果。参考文献：

[1]赵茜,夏庆观.多功能虚拟测试仪的设计[J].电测与仪表.2005.

篇（7）

1.引言

由于传统测控设备一般只能独立完成一项功能，而虚拟仪器可以将原来多种传统测控设备集中于一套系统中，同时它的开放与灵活性能使之与计算机技术保持同步发展[1]。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块性、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不用购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展[2]。本文主要基于PXI-5152板卡利用LabVIEW进行信号进行采集和分析的设计。

2.数据采集系统的设计

由于LabVIEW是基于模块化程序设计思想，故在开发过程中也是基本上遵循这一基本思想。在总体方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后再集成和调试。创建虚拟仪器的过程的过程分为三步：

（1）编写虚拟仪器流程图。

（2）设计虚拟仪器的前面板。

（3）确定虚拟仪器的图标和连接[3]。

采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体包括数据采集、参数测量、相位、幅频分析、数据存储和回放等模块，最终实现数据采集、处理、记录、显示等功能。系统软件组成框图，软件设计整体界面分别如图1，图2所示：

图1 软件组成框图

图2 PXI-5152多功能示波器前面板

2.1 信号采集模块

LabVIEW集成了功能强大的数据采集函数库Data Acquisition。NI公司也设计了NI-SCOPE模块，使得编程更加简洁化[4]。本设计应用的PXI-5152板卡所采用的软件编写设计模块正是NI-SCOPE模块。使用NI-SCOPE模块数据采集函数建立采集程序非常简单，其流程如图3所示，基本过程如下：

参数设置如图4所示，采样方式选择普通采样（Normal），采样率为200MHz，采集通道（channels）为通道0和通道1，记录长度为1000，输入阻抗为1欧姆，电压耦合（vertical coupling）选择DC方式即直接耦合，参考位置选择50%，电压偏移（vertical offset）为0，电压幅值（vertical range）为10V。

图3 数据采集程序流程图

图4 配置参数

触发参数选择如图5所示：触发耦合选择DC耦合，触发类型选择Immediate即直接触发，触发源选择0通道，即采集为1通道，触发延迟为0s，触发极性选择正极，触发电平为5V。

图5 触发选项

2.2 数据读取和数据存储模块

LabVIEW有丰富的文件操作函数库，本设计由于采样率的提高，使用传统的编写程序可能会导致采样点数的丢失，为了使采集到的数据能实时的读取和存储起来，本设计所采用TDMS模块对数据进行实时采集和存储，更好的保证了数据的准确性[5]。

采集时数据的读取、存储程序如图所示。新建一个“.tdms”文件夹以便对采集数据进行存储，打开TDMS，TDMS属性设置，TDMS数据读取（接入队列进行对数据进行同步采集），关闭TDMS。程序图如图6所示。

图6 数据读取、存储程序图

3.实验设计及结果

本设计所做实验室为了研究，铝板的裂纹深度不同时，检测到的反射信号的某一特征量呈现规律性变化，即研究裂纹深度与信号特征量之间的单调关系。

实验过程如下：实验装置框图如图7所示，激励激光器采用150mJ能量激励，经过聚焦透镜后照射到标准试件上，光斑直径为0.9mm，由烧蚀效应产生超声波，通过表面波探头探测信号，经数据采集系统采集、记录实验数据。

图7 实验装置框图

实验过程：本次实验采用的铝板尺寸为200mm×50mm×8mm，表面裂纹距铝板左边界左侧80mm，裂纹规格分别为无损、0.1×0.3mm、0.1×0.5mm、0.1×0.7mm、0.1×0.9mm（宽度×深度），由于加工误差，实际规格为0.111×0.302mm、0.130×0.536mm、0.13×0.70mm、0.15×0.872mm。本次实验目的是探测反射波，激励源距裂纹10mm，在铝板上激励出超声波，传播到裂纹位置处，超声波会在裂纹位置处发生反射，反射的超声波被距激励源右侧10mm的超声探头接收。通过采集系统初步观察并记录数据波形，采集系统参数设置如下：采样率：200MHz，采样时间：50us，采用外部触发，触发位置：50%。为了减少实验误差，不同深度的裂纹分别做五次实验并保存数据。

实验结果中的一组数据（有裂纹时的反射及相应的频域图）经过MATLAB软件进行进一步的分析，放大之后所得到的波形图如图8所示。

图8 有裂纹时反射波形

4.结论

实验结果表明：

（1）本文所设计的PXI-5152多功能示波器能高效的对数据进行采集和存储;

（2）通过对实验所采集到的波形分析能反应出其数据的正确性，即反应出程序设计的正确性;

（3）采集程序运行时体现了程序设计的合理性和流畅性，运行界面具有工整性、简洁性和实用性。

虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性;虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用;由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器设各连接比较容易实现;虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机。这样做一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机的存储能力，从而使虚拟仪器具有几乎无限的数据记录容量。

参考文献

[1]张毅，周绍磊，杨秀霞.虚拟仪器技术分析与应用[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]林正盛.虚拟仪器技术及其发展[J].国外电子测量技术，1997（2）：35-40.

[3]杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4]邓振杰.基于LabVIEW构建虚拟仪器实验系统[D].天津大学硕士学位论文，2001，11

[5]石博强，赵德永，李畅，雷振山.LabVIEW6.1编程技术实用教程[M].中国铁道出版社，2002，11.

篇（8）

2虚拟实验的实现技术

目前实现虚拟实验技术有很多,各有特点,要根据不同的实验类型及要求,采用不同的相关技术。

2.1VRMLVRML是一种虚拟现实建模语言,用来进行三维场景的描述性语言,是在Internet网上实现全新的虚拟世界空间的关键性技术,具有分布式、交互式、平台无关、三维、多媒体集成等特性,被称为“第二代WEB”。其基本目标是建立Intemet上的交互式三维多媒体,将VRML融合到虚拟实验室中,可以大大增强虚拟实验室的表现力。

2.2JAVAJava是一种广泛使用的网络编程语言,它具有面向对象、分布式、安全跨平台及可移植等特性,并且最大限度地利用了网络,用Java语言开发的软件可以具有可视化、可听化、可操作化的特点。另外,Java还提供了丰富的类库,使程序设计者可以很方便地建立自己的系统。本文前面所提到的国内外的虚拟实验室,大多数都采用了Java语言编程实现。

2.3FlashFlash作为一种矢量多媒体技术,可以用于网络交互动画,它可以开发出具有很强功能交互式网络动画。Flas支持物体拖动操作,可用于虚拟实验室中物体的移动,用Flash制作的虚拟实验交互性非常强。

2.4LabVIEWLabVIEW是美国国家仪器公司(NI公司)推出的功能十分强大的虚拟仪器图形化编程平台,采用图形化编程语言一一G语言,具有面板控件,有数据采集、分析、显示的功能,因而容易实现虚拟仪器的软件功能,还可以实现虚拟仪器的,通过Web浏览器中可以打开和运行虚拟仪器,直接控制服务器端程序的运行,获得实验运行结果。

3虚拟实验在仪器分析教学中的应用

虚拟实验在很大程度上缓解了由于实验条件不足和仪器设备缺乏产生的限制,学生可以利用计算机反复操作仪器,不用担心实验设备的损耗,学校也不必担心设备超负荷运转导致资源浪费。虚拟技术可以将音乐、声效、动画界融合为一体,实现了每个仪器分析实验操作的仿真性和实践性,每一步的操作流程都具有形象直观的特点,充分发挥了相较于传统实验教学方法的优势,使学生能够充分理解和掌握实验操作。

虚拟实验还能够更好地为其他专业服务,集共享性和开放性于一体,各个院系之间都可以进行资源共享与开放,也方便学生利用课余时间开展开放性试验、创新性试验等项目总之“虚拟实验室”在分析仪器,尤其是大型仪器设备中的模拟功能是其他技术所无法比拟和替代的,因此,它对各类院校实验课程,尤其是仪器分析的教学,具有显著、有效的补充和促进作用。

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中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）08（a）-0068-02

1 简介

《大学物理实验》课程是高等理工科院校对大学生进行科学实验基本训练的必修通识课程，是学生进行物理课程学习以及专业课程学习的基础。它具有多样化的实验方法和手段以及综合性很强的基本实验技能训练，对于培养学生严谨的科学思维、创新能力和理论联系实际能力，引导学生确立正确的科学思想和科学方法，提高学生科学素质以适应科技发展与社会进步等方面有着十分重要的意义。

高校扩招及社会对高校实验教学提出更高要求，使得各高校实验教学方面的缺陷凸显，学校面临实验设备的质量和数量不足，无法为广泛的实验教学提供有效的支持，学生实验能力培养欠缺等严峻形势。2001年，教育部提出了积极开展网络实验室建设的建议，鼓励各大高等院校搭建网络实验室，实现资源的共享与互补。

基于虚拟仪器的仿真实验系统及网络实验室是利用虚拟仪器技术和互联网技术的实验平台，整个实验系统由客户端、实验管理服务器、互联网、实验单元和实验仪器单等部分组成，具有良好的资源共享性、互动操作性、扩展性和安全性，允许多用户、多实验同时进行，可以让学生在任何时候、从任何地点访问实验室，从而大大提高实验教学的伸缩性和适应性。

虚拟仿真实验系统在实验方式上可以弥补普通教学中的实验教学环节不足或辅助实验教学；在教学模式上可综合利用计算机技术，完成传统教学中无法实现的实验条件和实验内容，突破传统的实验教学模式，提高实验教学质量，因而在各高校的实验教学中得到了长足的发展，在《大学物理实验》课程教学中也得到了广泛的应用。

在对大学物理虚拟仿真实验的使用过程中，我们发现了一些虚拟仿真实验值得改进和加强的地方，在此提出，以供商榷，期望虚拟仿真实验能日臻完美，更贴近《大学物理实验》课程教学的要求，在课程教学及创新人才培养方面发挥更大作用。

2 大学物理实验教学对虚拟仿真实验的更多期待

2.1 虚拟仪器更趋真实

虚拟仿真实验及网络实验室的基础是虚拟仪器。虚拟仪器是在美国国家仪器公司1986年提出的“软件就是仪器”这一口号的基础上发展起来的，其概念是用户在通用计算机平台及必要的数据采集硬件的支持下，根据测试任务的需要，通过软件设计来实现和扩展传统仪器的功能。与厂家设计并定义好功能的、有固定的输入输出接口和操作面板的、只能实现一类特定测量功能的传统仪器不同，虚拟仪器的用户可以根据自己的需求设计仪器系统，并可通过修改软件来改变或增减仪器的功能，真正体现“软件就是仪器”这一概念。

虚拟仪器应用于物理实验教学将有助于改革传统的实验教学，充分利用网络资源开展网上实验，并可开出符合课程内容的许多新实验，改变实验技术跟不上新技术的局面，使学生的创新能力及掌握新技术、新知识的能力得以提高。但目前虚拟实验仪器模型的种类比较缺乏，无论就外观还是功能而言，其真实性与实验室的具体实验器材相比都还存在欠缺之处，这会导致学习者在现实环境下进行实验操作时产生疑问，无所适从，不利于知识的迁移。比如光学中的迈克耳逊干涉仪实验，不同厂家生产的仪器在外观、调节部件及功能等方面有较大的差别，如果学生在虚拟实验中接触的仪器与实际操作所使用的仪器相去甚远的话，学生的困惑是可想而知的。因此，完善虚拟元件模型，丰富虚拟器材品种，增强虚拟仪器的仿真效果，是一般认知过程的需要，它既可加深学生对仪器本身设计原理的理解，也有助于学生发现实验设备设计的优势和缺陷，激励学生探索性思维。

2.2 包含更丰富的实验原理

《大学物理实验》课程教学的主要任务是培养与提高学生科学实验基本素质，确立正确的科学思想和科学方法；培养与提高学生创新思维、创新意识、创新能力；培养与提高学生的科学素养。课程教学的基本要求是学生具有理论联系实际和实事求是的科学作风，严肃认真的工作态度，主动研究的探索精神，遵守纪律，团结协作和爱护公共财产的优良品德。要完成上述教学的主要任务和基本要求，教学过程的一个基本出发点就是学生要对实验原理有一个比较正确、全面和清晰的认识理解。

目前，主流的仿真虚拟软件在知识导航的设计上基本上延续了传统多媒体课件的导航模式，通过使用图片、动画、语音等多媒体元素，以线性结构展示整个实验的过程。这种模式不仅使学生比较难于在短时间内掌握实验的整体框架和关键操作要领，而且忽略了实验原理对实验的主导及指导作用，不利于学生对实验原理的认知和理解。虚拟仿真实验如果能充分利用易于被学生接受的视觉及听觉技术来展示实验原理，并在整个实验过程中贯穿实验原理这一条主线，让学生认识到全部的实验都是基于实验原理进行的，都是在实验原理的框架下完成的，学生对实验原理的认识和理解无疑会更上一层楼，对科学思想和科学方法方面的领悟会更深入，对理论联系实际能力的培养也会更有效。

2.3 能够再现复杂具体的实验环境

实验是人类认识万千世界的重要方法。实验研究和理论研究作为两种相辅相成的科学研究方法，是推动社会进步和科技发展的重要力量。实验教学以其直观性、实践性、创造性等优点，在培养学生学习基础知识、提高动手能力、掌握科学研究方法等方面发挥着重要作用。虚拟实验将计算机技术、软件技术以及网络技术和传统实验仪器结合起来，改变了实验系统的构建模式，可提升实验仪器的整体性能，突破实验操作的时空限制，是传统实验的变革。

虚拟实验的最终目的是为了认识现实世界，也就是说，虚拟实验最终是要回到复杂具体的真实实验环境中的。我们从虚拟世界获得的知识，其在现实世界中的有用，或者说有效程度，取决于虚拟对现实的模拟程度。目前的虚拟大学物理实验基本上都是理想化的：仪器是标准的，方法是正确的，环境是理想的，结果是完美的，一切都是无误差的，因为都是由设计好的程序来实现的。但真实的实验环境却是复杂而具体的：实验仪器需要组装、调试和校准，同一套实验方法的施行也会因人而异，实验环境会因时因地而改变，实验结果也就包含了多方面的误差在内。所以，如果能在虚拟大学物理实验中增加对一些对常见环境变化的模拟，考虑一些可预知的人的因素，使其所虚拟的实验更加接近真实，其教学效果或许会更加优秀。仍以迈克耳逊干涉仪实验为例，如果能把底座不水平、两端镜距离过大（即超出相干长度）、两镜不平行时如果夹角逐渐增大或减小、没放置补偿板等情况都模拟实现的话，该虚拟实验与真实情况的差距即可得到进一步的改善。

2.4 对创新实验能力的更多培养

培养与提高学生创新思维、创新意识和创新能力是《大学物理实验》课程教学的主要任务之一。与所有的实验教学一样，创新能力的培养在《大学物理实验》课程教学中尤为重要。在传统实验教学过程中，开展探索型实验是使学生获得创新能力培养锻炼的有效方式之一。

与传统实验一样，虚拟实验也可分为演示型实验、动手操作型实验和探索型实验。在探索型实验中，学生要经历从实验设计到实验结果的整体过程，他们必须自己思考如何选择及操作实验仪器，如何实施及改进实验过程，如何判断实验数据的准确性和误差程度，如何总结规律或发现问题等等。所以这类虚拟实验应该具备极强的交互能力：虚拟仪器应具有真实设备的所有功能属性；实验操作应该可以自主调整；测量结果应反映真实情况等。如此，学生方可通过虚拟而探索出真知，达到对创新能力培养的目的。

3 结语

在《大学物理实验》课程教学中，为了利用虚拟实验，达到较好的教学效果，期望虚拟实验能在虚拟仪器的真实性、对实验原理的更好体现、对实验环境的模拟，及对创新能力的更多培养等方面做得更多更好。

参考文献

[1] 刘志远.大学物理仿真实验的定位研究[J].吉林省教育学院学报，2011，27（11）：133-134.

[2] 原安娟，段苹，王吉友.基于大学物理实验的虚拟仪器探讨[J].大学物理实验，2007，20（4）：70-72.

[3] 吕红英，吴先球，李凌燕，等.利用虚拟仪器技术，改革物理实验教学[J].中山大学学报论丛，2006，26（5）：66-70.

篇（10）

 

0 引言

某发射机构作为导弹武器系统的重要发射控制部件，其性能的好坏直接影响武器系统的总体战术指标。因此发射机构在研制过程中和投入生产后需进行严格的测试，进行常温测试、高低温测试和交付试验等，检测发射机构在常温及高低温状态下的性能。论文写作。通过测试，暴露出发射机构各分组件、部件、分部件及有关元器件的制造缺陷，可及早将这些问题予以排除，提高发射机构工作的可靠性，以完成产品的调试生产、质量控制、验收交付等任务。

1 问题的提出

发射机构测试系统是根据生产任务要求研发的，原有测试软件是用C语言在DOS下开发的，界面简单，操作复杂。随着计算机硬件的升级，WindowsXP已经成为主流的操作系统，研制在Windowsxp新的测试软件是非常必要的。

2 策划

2.1硬件设计

本测试系统主要由工艺发射机构产品、信号处理电路、数据采集板卡、工控机以及软件平台等组成。发射机构的一些数据被数据采集板卡测得；各项状态则通过信号处理电路进行调理后，引入工控机；软件系统根据测试要求输出控制信号，经过处理电路后来实现对产品的控制。工控机内装有研华公司的PCI-1710卡和PCI-1721用来控制产品状态和读取测试数据，系统结构如图1所示：

图1 发射机构测试系统硬件框架

2.2 系统的软件设计

发射机构测试系统的软件采用NI公司的LabWindows/CVI进行设计开发。该软件是面向计算机测控领域虚拟仪器软件开放平台，是以ANSI C为核心的交互式虚拟仪器开发环境，将功能强大的C语言和测控技术有机结合，具有灵活编程方法和丰富的函数库，为开发人员建立检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等提供了理想的软件开发环境，是实现虚拟仪器及网络化仪器的快速途径。

为了提高测试模型组合的灵活性和通用性，采用模块化设计的原则，将测试系统分为数个模块。本测试系统软件功能的结构框图如图2所示。

图2 软件系统结构框图

系统状态控制模块可进行测试系统自检状态和测试状态的转换；

状态监控模块可监控发射机构的供电、开锁，切除等状态并显示到面板的指示灯；

发射机构状态控制模块可通过测控电路控制发射机构各种测试状态；

板卡控制模块可对PCI－1710和PCI－1721板卡进行控制和测试数据的采样；

功能测试模块可对发射机构的各个测试项目进行测试并记录测试结果；

数据记录模块可将测试数据导入到EXCEL电子表格并可打印输出；

3 实施方案

3.1 硬件设计方案：在测试系统中，除了要处理模拟量输入、输出信号外，还要处理开关量和脉冲量信息，以便及时反映开关量状态并执行监视、控制的功能。硬件中采用光电隔离技术，使用光电隔离不仅可以使计算机的控制输出通道与被控负载之间在电气上完全隔离而达到良好的抗电磁干扰技术指标，也使这些控制指令具备足够的功率驱动能力，进而可靠实现驱动继电器等部件的目的。

3.2 测控软件设计方案：测试软件主界面主要完成的功能是实现测控系统的功能选择和系统的测试数据管理，测试系统主界面如图3所示：

图3 测试系统软件主界面

从图中可以看出，用户界面是一个有机的界面系统。主要包括：

A. 测试信息区域，用于输入和显示本次测试的产品编号、操作者、检验员等信息。

B. 测试项目区域，配合快捷按键可测试中的各项参数，便于测试人员在测试过程中更加直观地观察测试过程。

C. 测试状态指示区域，用来指示发射机构的各个测试状态。

D. 测试过程消息区域，用来指示测试过程现在进行到那个步骤，并给出该测试步骤的状态信息。

E. 测试电压监视区域，主要在测试过程监测发射机构供电电压。

F. 测试信号波形指示区，在测试过程中显示测试信号的波形。

G.自动测试按钮，按下该按钮，可实现自动测试的功能。论文写作。

3.3 软件测试流程图如图4所示：

3.4 关键技术:

3.4.1信息信号和制导指令信号的模拟输出技术：

在本测试系统中，需要模拟导弹产生的信息信号和制导指令信号。测试软件采用DMA技术利用PCI－1721板卡产生各路波形信号。主要函数定义如下：

void SetMultiToOneBuffer(USHORTusEnabledChannel, int count)；

voidSetRealBuffer(float far *lpBuf, long num, LPSWAVE lpWave)；

voidUserThread()；

voidadInterruptEvent()；

voidadBufChangeEvent()；

voidadOverrunEvent()；

voidadTerminateEvent()；

voidMyFreeBuffer()；

int Inf_Out(intnum,long rate,float Magnitude0,float Magnitude1,float Magnitude2,floatMagnitude3)；

通过上述函数将需要产生的波形先存入缓冲区，在启动PCI－1721的DMA数据传送的功能启动线程，即可产生需要的各种信号波形。

3.4.2 测试系统要求实时监控产品的各项状态。

由于使用Timer定时器时所发送的定时消息受到消息队列和系统时钟频率等因素的影响，不能使得定时消息得到及时的响应和处理。同时，测试流程中需要进行一定的延时等待，因此，不能使用Timer定时器。在此，使用异步定时器控件来实现实时监控的问题。异步定时器通过加载驱动位于toolbox中的 asynctmr.fp来实现调用。与定时器控件相比，异步定时器控件由于使用独立线程，与程序主线程无关，能够提供可靠的定时精度，不会受到主载荷的影响。异步定时器的建立、删除和设置，分别通过调用函数 NewAsyncTimer()、DiscardAsyncTimer()和SetAsyncTimerAttribute()来实现。定时响应函数的声明为：IntCVICALLBACK MyTimerCallback (int reserved, int theTimerId, int event, void*callbackData,int eventData1,int eventData2);

在测试系统软件启动以后，建立一个定时器；然后设置定时器的定时时间和响应函数；在软件退出时，删除定时器；在定时响应函数中，调用板卡控制模块提供的读取数据函数，来实现实时状态监测的功能。论文写作。

2.效果和结论：

测试软件现已经过调试和严格的测试，运行良好，测试结果可靠，操作界面友好，使用方便，测试结果准确，测试过程简洁优化，大大提高自动化检测水平。该测试系统现已经过检验验收，达到交付的状态，完全满足了发射机构自动测试的需要。

参考文献

[1]NationalInstrumentCorporation.LabWindos/CVIUserManual[M].2005.

[2]孙晓云，郭立炜，孙会琴．基于LabWindows/CVI的虚拟仪器设计与应用[M]．北京：电子工业出版社，2005．

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[4]周磊，滕克难，施建礼．基于LabWindows/CVI高精度定时[J].电子测量技术，2004，4：29-30．

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【中图分类号】G40-057　【文献标识码】A　【论文编号】1009-8097(2012)08-0113-04

引言

实验教学是在教师指导下学生运用相应的仪器设备进行独立作业，观察事物和过程的发生变化，探求事物的规律，以获得知识和技能的一种教学方式。实验教学的仪器设备水平常被作为学校教学、科研水平的重要标志。因此实验室建设应立足于高起点，跟踪国际先进水平，运用新技术、新知识，创造优良的实验环境，才能培养出高素质、具有创新能力的人才。

教育技术学科的有关课程实验，作为重要的教学方式贯穿在整个教育技术学科的教学体系中，推动着知识深化、实践应用与创新发展。但因学科课程的实验教学大多依附于理论课程体系，课时较少，实验教学内容相对陈旧，削弱了学生对实验教学的兴趣，难以调动学生学习的积极性和主动性。在信息时代知识经济和创新教育的大环境下，社会要求教育技术学科培养出理论功底扎实，具有较强实践科研能力和创新精神的人才。这就必须改革学科课程的实验教学模式，培养学生创新意识，提高实验教学效果。而学习和掌握LabVIEW开发平台，对于学生全面掌握理论知识并融入实践，提高动手能力，培养科学思维方式及创新能力有着深远影响。本文首先对LabVIEW开发平台作简要的介绍，然后深入探讨与教育技术学科的部分课程进行融合的重要意义与实现的可行性。

一　LabVIEW开发平台

1　LabVIEW(Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench)

LabVIEW是由美国国家仪器公司(NationalInstruments，简称M)开发，采用数据流编程方式，由图标替代文本命令创建应用程序的图形化编程语言，目前最新版本为2011。与传统程序根据语句和指令的先后顺序决定执行顺序的方式不同，如图l的程序框图中，节点或图标之间的数据流向决定了Ⅵ及函数的执行顺序。LabVIEW的图形化源代码类似于流程图，因此又被称作程序框图代码或G代码。程序框图是图形化源代码的集合，决定了Ⅵ的运行方式，利用图形化表示的函数来控制前面板对象。前面板对象在程序框图上显示为图标接线端，连线将输入控件和显示控件的接线端与Express Ⅵ、Ⅵ和函数相互连接，数据从输入控件沿着连线流向Ⅵ和函数，最终流向显示控件。Ⅵ即虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。有着类似于实物仪器的外观和操作，通过对其属性的设置可对数据进行采集、显示、分析及存储，帮助用户减少编程中的差错。Ⅵ的前面板由用户创建的各种输入控件和显示控件界面构成，输入控件对应实物仪器的按键、旋钮和开关等部件，显示控件对应实物仪器显示屏中的波形、刻度和发光二极管、数码管等部件。用户创建自定义界面时，通过添加各种图标而生成代码，达到控制前面板对象。由于LabVIEW的接口遵循国际标准，因而可与大多数硬件设备进行通信。

2　模块组成

LabVIEW主要包含六大类近50种的模块及工具包，涵盖了多种行业，如电子电气工程、计算机工程、机械工程、生物工程、物理、化学工程等工程领域中的测试测量和自动化等领域的应用，见表1，全球财富500强中85％的生产制造企业都采用Ⅻ的虚拟仪器技术，其中包括IBM、Intel、SIEMENS、HP、MicrosoR等知名企业。

3 LabVIEW的优势

与许多价值昂贵的传统仪器设备相比，LabVIEW软件及与其相关的硬件优点在于：

(1)开发平台易学易用、资源丰富，能缩短开发虚拟仪器的周期。

(2)由用户使用软件平台自主开发更有针对性的虚拟仪器，灵活性强，性价比高。

(3)通用的数据接口使数据更易处理与交换。

(4)软件平台的性能随着计算机硬件配置的提升而提升，是虚拟仪器运行速度的保障，不受测量设备硬件生产厂商的限制。

其高性价比为其广泛应用奠定了良好的基础。

二　教育技术学科的实验课程设置

1　教育技术学科课程的总体状况

根据学科的专业性质和教学计划，教育技术学科毕业生的培养目标应是教育信息化的实践者、管理者和研究者。在专业实践方面，能够承担教学与培训设计、资源开发、环境建设与管理等具体工作，并通过不断学习能把握教育信息化发展的趋势，胜任新的要求。在促进学科发展方面，能够与教育界同行进行有效交流，共同推动现代科技条件下教育事业的发展。还应根据各校培养规格的实际情况，去进行教学设计。研究型培养计划的学时分配，应适当向基础课、专业基础课倾斜，实践教学环节要注重学生创新能力的培养；应用型培养计划的学时分配，应适当向传授专门应用技术的专业课倾斜，实践教学环节注重培养学生应用所学专业知识的能力。

2　具有实验的课程介绍

以教育技术学科师范类本科专业为例，学生四年内最低修读164.5学分(含教育实习、毕业论文的25学分)。其中课程中具有实验的统计见表2。

在进行统计的41门课程中与计算机相关的课程占绝大多数。可有目的有重点的在教学计划中挑选一些课程作为与LabVIEW软件融合的例子，并将它们分成电子类和计算机相关课程类，其中电子类的课程包括电视原理与系统、电子线路、数字电路、数字电视，计算机相关课程类包括c程序设计、计算机网络、人工智能概论、数据库原理、网络工程、微机原理、网络教学资源与应用。这些课程的理论学时数与实验学时数堆积图如图。