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虚拟仪器技术论文范文1
1虚拟仪器的特点和构成
1.1虚拟仪器的特点
与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：
智能化程度高，处理能力强虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
复用性强，系统费用低应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。
可操作性强，易用灵活虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。
1.2虚拟仪器的构成
虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。
硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定，其中接口设计可选用的接口总线标准包括GPIB总线、VXI总线等。推荐选用VXI总线。因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点，因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪器生产厂家的认可，目前VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台，是仪器硬件的发展方向。由于VXI虚拟仪器的硬件平台的基本组成是一些通用模块和专用接口。因此硬件电路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括：信号调理和高速数据采集；信号输出与控制；数据实时处理。这3部分概括了数字化仪器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来，就能构成任何一种虚拟仪器。例如使用高速数据采集模块和高速实时数据处理模块就能构成1台示波器、1台数字化仪或1台频谱分析仪；使用信号输出与控制模块和实时数据处理模块就能构成1台函数发生器、1台信号源或1台控制器。专用接口是针对特定用途仪器需要的设计，也包括一些现场总线接口和各类传感器接口。系统的主要硬件包括控制器、主机箱和仪器模块。常用的控制方案有GPIB总线控制方式的硬件方案、MXI总线控制方式的硬件方案、嵌入式计算机控制方式的硬件方案3种。VXI仪器模块又称为器件（devices）。VXI有4种器件：寄存器基器件、消息基器件、存储器器件和扩展器件。存储器器件不过是专用寄存器基器件，用来保存和传输大量数据。扩展器目前是备用件，为今后新型器件提供发展通道。将VXI仪器制作成寄存器基器件，还是消息基器件是首先要做出的决策。寄存器基器件的通信情况极像VME总线器件，是在低层用二进制信息编制程序。他的明显优点在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制这一层次上进行通信的。这种高速通信可以使测试系统吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件适用于虚拟仪器中信号/输出部分的模块（如开关、多路复用器、数/模转换输出卡、模/
数转换输入卡、信号调理等）。消息基器件与寄存器基器件不同，他在高层次上用ASCII字符进行通信，与这种器件十分相似是独立HPIB仪器。消息基器件用一组意义明确的“字串行协议”相互进行通信，这种异步协议定义了在器件之间传送命令和数据所需的挂钩要求。消息基器件必须有CPU（或DSP）进行管理与控制。因此，消息基器件适用于虚拟仪器中数字信号处理部分的模块。
软件的开发与设计包括3部分：VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件（软面板）。软件结构如图1所示。
VXI总线接口软件由零槽控制器提供，包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之间建立连接，提供对VXI背板总线的控制和支持，是实现VXI系统集成的基础。
仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序，也即模块的驱动软件，他的设计必须符合VPP的2个规范，即VPP3.1《仪器驱动程序结构和模型》和VPP3.2《仪器驱动程序设计规范》。
“软面板”设计就是设计具有可变性、多层性、自、人性化的面板，这个面板应不仅同传统仪器面板一样具有显示器、LED、指针式表头、旋钮、滑动条、开关按钮、报警装置等功能部件，而且应还具有多个连贯操作面板、在线帮助功能等。
2虚拟仪器在数据采集中的应用
利用虚拟仪器制作数据采集器可以按照硬件设计、软件设计两个步骤来完成。
2.1硬件设计
硬件设计要完成以下内容：
1)模/数转换及数据存储
设置具有通用性的数据自动采集系统，一般应满足能对多路信号尽可能同步地进行采集，为了使所采集到的数据不但能够在数据采集器上进行存储，而且还能及时地在采集过程中将数据传送到上位机，选用存储量比较适中的先进先出存储器，这样既能满足少量数据存储的需要，又能在需要实时传送数据时，在A/D转换的同时进行数据传送，不丢失任何数据。)VXI总线接口
VXI总线数据采集器通常可以利用两种VXI总线通用接口消息基接口和寄存器基接口。消息基接口的作用是通过总线传送命令，从而控制仪器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器简单的读写来控制仪器硬件的操作。利用消息基接口进行设计，具体消息基接口的框图见图2。
3)采样通道控制
为了满足几种典型系统通道控制的要求，使通道的数量足够多，通道的选取比较灵活，可以利用寄存器电路、可预置计数器电路以及一些其他逻辑电路的配合，将采样通道设计成最多64路、最少2路可以任意选择，而且可以从任意一路开始采样，也可以到任意一路结束采样，只要截止通道号大于起始通道号就可以了。整个控制在虚拟仪器软面板上进行操作，通过消息基接口将命令写在这部分的控制寄存器中，从而设置计数器的初值以及采样的通道总数。
4)定时采样控制
由于不同的自动测试系统对采样时间间隔的要求不同，以及同一系统在不同的试验中需要的采样时间间隔也不尽相同，故可以采用程控的方式将采样时间间隔设置在2μs~13.0ms之间任意选择，可以增加或减少的最小单位是2μs。所有这些选择设置可以在虚拟仪器软面板上进行。
5)采样点数控制
根据不同测试系统的需求，将采样点数设计成可在一个比较大的范围中任意选择，该选择同样是在软面板上进行。
6)采样方式控制
总结各种自动测试系统的采样方式不外乎软件触发采样和硬件触发采样。在硬件触发采样中又包括同步整周期采样和非同步整周期采样，这2种采样又可以是定时进行的或等转速差进行的。所有这些采样方式，对于数据采集器来说都可以在软面板上进行选择。
2.2软件设计
软件是虚拟仪器的关键，为使VI系统结构清晰简洁，一般可采用组件化设计思想，将各部分彼此独立的软件单元分别制成
标准的组件，然后按照系统的总体要求组成完整的应用系统，一个标准的组件化的虚拟仪器软件系统，如图3所示。
应用软件为用户提供了建立虚拟仪器和扩展其功能的必要工具，以及利用PC机、工作站的强大功能。同时VPP联盟提出了建立虚拟仪器标准结构库（VISA）的建议，为虚拟仪器的研制与开发提供了标准。这也进一步使由通用的VXI数据采集模块、CPU/DSP模块来构成虚拟仪器成为可能。
基于虚拟仪器的数据采集器的软件包括系统管理软件、应用程序、仪器驱动软件和I/O接口软件。以往这4部分需要用户自己组织或开发，往往很困难，但现在NI公司提供了所有这四部分软件，使应用开发比以往容易得多。
下面简单介绍以NI公司的LabWindows/CVI为开发环境，来进行VXI虚拟仪器的驱动程序开发的方法。
第一步：生成仪器模块的用户接口资源文件（UIR）。用户接口资源、文件是仪器模块开发者利用LabWindows/CVI的用户界面编辑器为仪器模块设计的一个图形用户界面（GUI）。一个LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按钮、图标、下拉菜单、曲线、旋钮、指示表以及许多其他控制项和说明项构成。
第二步：LabWindows/CVI事件驱动编程。应用程序开发环境LabWindows/CVI中设计一个用户接口，实际上是在用户计算机屏幕上定义一个面板，他由各种控制项（如命令按钮、菜单、曲线等）构成。用户选中这些控制项就可以产生一系列用户接口事件（events）。例如，当用户单击一个命令按钮，这个按钮产生一个用户接口事件，并传递给开发者编写的C语言驱动程序。这是运用了Windows编程的事件驱动机制。LabWindows/CVI中使用不同类型的控制项，在界面编辑器中将显示不同类型的信息，并产生不同操作的接口事件。在LabWindows/CVI的开发平台中，对事件驱动进行C程序编程时可采用2种基本的方法：回调函数法和事件循环处理法。
回调函数法是开发者为每一个用户界面的控制项写一个独立的用户界面的控制函数，当选中某个控制项，就调用相应的函数进行事件处理。在循环处理法中，只处理GUI控制项所产生的COMMIT事件。通过GetUserEvent函数过滤，将所有的COMMIT事件区分开，识别出是由哪个控制项所产生的事件，并执行相应的处理。
第三步：应用函数/VI集与应用程序软件包编写。应用函数/VI集需针对具体仪器模块功能进行编程，应用程序软件包只是一些功能强大、需要完善的数据处理能力的模块才需要提供，如波形分析仪模块、DSP模块等。
3结语
本文探讨了虚拟仪器的基本组成，以及实际的虚拟仪器软硬件设计的一般方法，这些方法经过实际设计工作运用证明是可靠的，可供系统工程技术人员在组建具体的基于VXI总线的虚拟仪器数据采集、测试时参考使用。
参考文献
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3］孙昕，张忠亭，薛长斌.集成VXI总线自动测试系统的方法［J］.测控技术,1996,15(4)
虚拟仪器技术论文范文2
一、引言
虚拟仪器技术是当前仪器与测量发展的一个重要方向，它为各学科提供了一个通用的测量及仪器设计平台，因此“虚拟仪器实践”课程不仅提供了虚拟仪器技术理论与实践结合的环节，也是学生综合应用所学各门学科知识的一个很好的实践机会。对于工科学生来说，加强对他们的实践能力的培养尤为重要。
“虚拟仪器实践”课之前的教学内容是让学生完成“虚拟仪器实验箱”配套的实验指导书上的5个实验，实验指导书详细介绍了实验步骤，学生按照实验指导书的内容完成即可。但是每次课程结束，学生仍然不懂虚拟仪器的基本知识，更不用说独立完成一个虚拟仪器的设计与实现，远远达不到开设这门课的目的以及培养学生创新实践能力的目标，因此对这门课的教学改革势在必行。
通过分析“虚拟仪器实践”课程的课程目的以及学生的实际情况，我们在课程中借鉴了以课题研究为导向的教学方法，对课程内容、授课模式和考核方式等几方面进行了改革，经过2年的教学实践，均取得了较好的教学效果和学生反馈。
二、课题研究为导向的教学法
课题研究为导向的教学法，是指在教学中引入课题研究任务，引导学生带着一定的目的性主动学习，这可以提高学生学习的积极性，并提高独立科研的能力。从课程伊始布置课题任务，期末提交课程设计报告，课题研究任务贯穿整个课程教学过程。
以课题研究为导向的教学过程，学生可以根据兴趣自主选题，所以学习的兴趣和动力较大，不仅会自己去研究“怎么做”，还会研究“怎么做得更好”，因此是学生在教师的指导下变被动学习为主动学习的过程。
课题研究为导向的教学法，实际上是以建构主义教育理念为指导的“做中学”，要求学生通过“动手做”获得直接经验，并运用已掌握的知识去分析和解决实践中的问题，对获得的数据进行整理、分析等处理，最终得出结论。因此，学生得到的知识是鲜活的知识，并且易于内化为认知结构。
做中学的教学思想被认为是最有效的教学策略之一。正如美国“2061计划”中指出，最有效的向各类学生教授科学的策略应是支持学生对他们自己动手的和与他们的生活和文化相关的活动形成他们自己的理解[7]。
对于如何开展做中学，国内外教育界做了很多有效的尝试和探索，丹麦的奥尔大学创立的课题（项目）组织教学（project organized）模式便是一个成功范例。这一模式包括选择课题、师生协同研究、撰写研究报告、课题评价四个阶段，真正做到了按课题（项目）组织教学，以课题研究贯穿于教学的全过程。
三、课题研究为导向的教学实践
在“虚拟仪器实践”课程教学过程中实施以课题研究为导向的教学法，不仅仅是帮助学生更好地掌握虚拟仪器技术的知识，包括虚拟仪器系统的构成、虚拟仪器的编程环境和编程方法、虚拟仪器的编程技巧以及优化策略，也重在培养各种能力，包括发现和运用学习资源的能力，合作学习的能力，口头表达能力和书面表达能力，运用在大学学到的知识和发展的智力等。
改革以后的课程内容、授课模式和考核方式都围绕以上目标进行，课程内容不再是几个固定的实验，而是学生自主完成一个课题的设计并实现；授课模式也主要是“以学生为中心”的研究型课堂模式，教师主要工作是答疑和点评；课程考核是根据课题完成情况和课程设计报告的情况综合评分。具体步骤如下。
（一）确定课题
主要是给学生们布置课题任务，同时介绍考核的标准、查找文献的方法、课程设计报告的格式要求，并提供示范的优秀作品。
课题的确定是实施项目教学法的关键环节。选题既要新颖有趣，能够激发学生的兴趣，又要有一定综合性和难度，能够让学生对所学知识进行综合、学会理论联系实际、学会解决处理实际问题，从中培养学生的综合能力。
为了激发学生的学习热情和创新意识，鼓励学生根据自己的兴趣爱好以及查找资料的结果自主选题，再由教师审批确定。
（二）知识梳理
任何一个领域的知识都是有结构的。把知识放到一个大的架构下学习，有助于掌握和理解，有益于记忆和应用，可以有效提高学习效率。学生在小学期生产实习时已经学过了LabVIEW的基本知识，但是比较零碎，没有构建起虚拟仪器技术的整体知识脉络，因此，在学生开始他们的课题研究之前，我们用2个课时给学生做了必要的知识梳理，把虚拟仪器技术的基本知识点贯穿起来，也解决了学时少的情况下尽可能提高课题研究质量的问题。
（三）课题研究
学生可以选择独立完成或者2人一组完成课程设计。学生利用网络、参考书籍查找相关资料，实现课题的预期效果。在教师的建议和指导下，学生寻找符合项目性能指标要求的传感器和元器件，完成硬件电路的搭建。硬件电路完成后，进入软件框图程序设计。最终进行软硬件系统调试，完成设计要求。也允许有一定难度和实用价值的纯软件的课题。
（四）课题评价
每组同学用PPT和课题成果演示相结合的方式展示课题的研究成果以及获得的知识和技能，老师进行点评，主要从综合性、界面友好性、程序规范性、创新性四个方面进行评价和考核，鼓励学生的创新意识和有难度的课题。
（五）撰写报告
之前绝大多数学生都没有做过小论文，我们参考毕设论文的格式向学生提出了课程设计报告的要求（即应包括摘要、关键词、全文、心得总结及参考文献，且参考文献应在文中标注等），并给出示例范文。这不仅使学生得到了初步的科学研究训练，也为即将到来的毕业设计做了很好的过渡。
四、教学实践的实施效果
我们从2014年开始对电子信息工程专业两届共108名学生进行了以课题研究为导向的“虚拟仪器实践”课的教学改革探索。学生用9周时间，利用美国NI公司LabVIEW虚拟仪器软件、数据采集卡及其他传感器和元器件分别完成了自动温度监测仪、多媒体小助手、基于LabVIEW的远程实验、实时变声器、基于LabVIEW的多媒体通讯系统、十字路通灯控制系统、直流电机转速控制仪设计等多个课题的设计。学生们还自拟了全国大学生体质健康测试计算器、学生宿舍简易监控系统等反映学生日常生活需要的题目，学生们做得兴趣盎然，相关作品参加校内外的虚拟仪器竞赛也获得了较好的成绩。
通过本课程，学生不但完成了虚拟仪器技术相关知识的学习和综合应用，还加深了对传感器技术、测控技术、计算机原理与接口技术、信号与系统、计算机网络技术等理论知识的理解。课堂气氛活跃，学生分析能力、组织协调能力和动手能力显著提高，基本达到了预期教学目标。
为了提高学生的课程论文质量，我们要求每个课题都小题大做。从课题调研、提交方案、课题完成，到最后的论文提交，完成了一个系统的学术训练过程。在最近的这期教学实践中，我们强化了方案环节，要求学生在前期要提交一份研究方案的报告，因此这期提交的论文质量整体上比上期有较大的提高。学生在完成论文后普遍有一种成就感。
五、教学实践中的教学体会及应注意的问题
以课题研究为导向的“虚拟仪器实践”课的教学改革探索取得了比较好的教学效果，但是还是有些需要注意改进的问题。
（一）项目设计要合理
学生的层次和素质有较大的差别，为了满足每个学生的不同需求，使他们有不同程度的收获，项目设计必须有层次。同时，给学生布置任务时一定要提出明确的要求和目标。
另外，根据学生的反馈，多数学生希望在选题时能够得到更多老师的引导和支持。我们的学生经过多年应试教育的培养，创新意识比较缺乏，希望老师有现成的题目给他们。改变这种状况还需要长期的培养和引导。
（二）把握好教师的地位
以课题研究为导向的教学中，学生为主体，教师设计课题任务、提供指导和建议并且做好督促和检查。
由于已经是大四阶段，很多同学在外实习，加上考研的比例很大，所以不少学生直到期末交稿的截止期限前才真正开始做，这就很难保证课题研究的质量。因此教师要经常性的检查，以增加他们的时间紧迫感，确保课题和论文完成的质量。
虚拟仪器技术论文范文3
关键词:机械参数;测试系统;虚拟仪器
中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:16723198(2010)01029302
1 机械工程测试系统概述
机械工程测试系统的基本任务是从测试对象获取反映其变化规律的动态信息,一个功能完善的机械工程测试系统由传感器、信号转换装置、信号分析处理装置和显示与记录等功能模块组成,无疑,讨论和设计机械工程测试系统及其构成要素,是十分有意义的。
测试系统的第一个环节是信号的传感,即是将被测量的量或被观察的量通过一个被测量传感器或敏感元件转换成一个电的、液压的、气动的或其他形式的物理量,被测的或被观察的量与被转换的输出量之间根据可利用的物理定律应该具有一种明确的关系。传感器就是用来完成这种转换的装置。
第二个环节为信号的转换和调理。被测物理量经传感环节被转换为电阻、电容、电感或者电压、电流、电荷等电参量的变化,由于在测试过程中不可避免地遭受各种内、外干扰因素的影响,且为了用被测信号驱动显示、记录和控制等仪器或进一步将信号输入计算机进行数据处理。因此经传感后的信号尚需进过调理、放大、滤波、运算分析等一系列加工处理,以抑制干扰噪声、提高信噪比,便于进一步传输和后续环节中的处理。
第三个环节是是对这些信号进行分析处理以及显示记录,包括信号的时域分析、频域分析、相关分析等。原始波形显示、处理后波形显示等。从而还可以分析出机械运转的工况等。
2 虚拟仪器技术在机械工程测试系统中的应用现状
科学技术的日益发展,对现在的机械工程测试系统影响很大,特别是相对于传统的测试系统来讲。以前要用特定的仪器对信号进行分析,但是利用虚拟仪器组建的机械工程测试系统却不用专用的仪器,而是利用计算机作为连接虚拟仪器软硬件的平台,信号源通过调理后数据采集卡就可以获取数据进行分析处理。现代计算机技术对机械工程测试技术和仪器的发展产生了革命性的影响。
测试系统的发展经历了模拟测试仪器、计算机测试系统及虚拟仪器三个阶段。现代机械工程测试技术以计算机为中心,计算机的发展必然促进测试技术和仪器的发展。在此背景下,虚拟仪器的产生也就水到渠成。
在虚拟仪器中,软件是虚拟仗器系统的关键,目前国内外这种软件主要有美国DSP公司的DADISP软件,以实验后数据处理分析和表示见长美国NI公司的系列虚拟仪器开发平台(LabVIEW、LabWindows/CVI、Virtual Bench和Component Works)、美国QUATECH公司的DASLab软件包和惠普公司的VEE软件平台都是可以搭建虚拟测试系统的软件平台,以图形化编程和界面灵活见长。
由于PC的功能变得越来越强大,速度快,价格低,在标准PC上连接一个或多个仪器模块构成测试仪器成为一种趋势。这种仪器即为虚拟仪器。
虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW中,“所见即所得”的可视化技术是应用于测试领域的雏形。虚拟仪器注重测试人员在进行工作中的感觉。用仿真的面板给人以真实仪器的感觉,用丰富的曲线图像向测试人员传递信息,是虚拟现实技术在机械工程测试领域中的广泛应用趋势。
在机械工程测试系统中,应用虚拟仪器编的越来越普遍,因为很多传统的硬件设备在虚拟仪器中都可以用软件代替,从而降低了大量的设备浪费,降低了成本,并且还可以直观化的显示其结果,将多种的传统仪器合并到一套虚拟仪器测试系统中,有利于编程,也有利于增强测试系统的准确度。
3 机械工程测试系统开发环境
3.1 应变测试系统
虚拟应变测试硬件系统组成如下:
虚拟式应变测试仪由硬件和软件两大部分组成,这里采用PCDAQ体系结构组建虚拟仪器。其原因是因为PCDAQ系统是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器系统,它充分利用了主流和普及的PC机总线、机箱、电源以及丰富的软件,以极少的硬件就能形成功能完备的应变测试系统平台,这种方案的性价比最佳。
下图是一个模拟信号的数据采集过程示意图,从这个图中可以看到模拟的信号通过设定的通道以后,再经过多路开关,经过刀D转换等将模拟信号变为数字信号,这些信号到达计算机中,计算机中的已经编好的LabVIEW程序对其信号进行分析处理。
对信号进行采集时,采样频率、采样通道以及采样点数是需要用户设定的参数,用户通过前面板的参数选择项根据实际需要进行设置,这些范围和数据采集卡的精度有关。本文设计的应变测试这一块,对与满足数据采集卡精度要求的应变信号,都可以通过数据采集卡,并对其进行相关设定的分析。
3.2 位移测试系统
位移检测技术在工业生产中有着广泛的应用。位移检测是机械量检测的基础,将机械量转化成位移量来检测是机电一体化技术的重要组成部分之一。对位移的检测不仅为提高产品质量和生产安全提供了重要数据,同时也为其他参数的检测提供了基础。
实现位移测量的关键是信号的转换即传感器的选用。本文对位移的测量通过电涡流位移传感器CWYDO504将位移信号转化为电压信号进行测量;通过传感器把非电量转化成相应的电压信号,再经过信号调理电路进行测量。在测量过程中,为了保证测试系统的可靠性与测试精度,在测试系统的设计过程中必须注意传感器地选择、信号调理模块的选择以及系统抗干扰设计。
在进行位移测量时,本检测系统可以将位移量转换成电压信号供数据采集卡。在执行机构带动位移传感器运动时可以进行电压信号的采集,最后通过标定将电压信号转换成相应的位移信号,实现位移的测量。位移信号经过调理后,传输到数据采集卡中,数据采集卡选用NI公司生产的PXL-6251多功能数据采集卡。
3.3 压力测试系统
本测试系统是以液压试验平台为测试平台而进行的一系列机械量测量测试,以此液压实验台做压力信号源,随着液压系统向高压、大功率、高精度方向发展,液压系统的结构变得越来越复杂,故障率也随之增加,安全问题日益突出,因此,在液压系统工作过程中,需要确切的了解液压系统内部的压力和流量等,这对于防止系统出现意外故障和有效提高系统工作效率具有十分重要的意义。所以本系统选取液压试验平台的液压管道压力为被测对象。
数据采集是LabVIEW的核心技术之一,也是LabVIEW与其他编程语言相比较的优势所在。使用LabVIEW的DAQ技术,模拟信号数据采集是LabVIEW的DAQ中的一个主要功能,为用户提供了功能强大、方便快捷的模拟信号采集解决方案。
压力信号经过调理后,传输到数据采集卡中,数据采集卡选用NI公司生产的PXI-6251多功能数据采集卡,其主要功能参数如下:
(1)16路模拟输入通道,16位精度,1.25MS/S采样率;
(2)2路模拟输出,16位精度,2.8Ms/s输出速度;
(3)24路数字I/O,2路定时计数器。
3.4 流量测试系统
本测试系统是以液压试验平台为测试平台而进行的一系列机械量测量测试,以此液压实验台做流量信号源,以液压实验台的对于液压系统来说,最重要的两个参数就是流量和压力,两个参数要求精度高,稳定性好,易于调节。在多功能液压测试试验台中,流量调节控制涉及到电机、变量泵、流量调节阀、排量反馈传感器、电控模块、流量传感器、计算机、管路等多个环节,影响流量的有负载、压力、温度、泄漏等因素。在液压测试中,要得到准确的流量参数、必须对流量调节各环节进行分析计算,确定各环节对流量的影响。并采取措施改善流量调节的精确性和稳定性。以提高流量控制精度。
根据本液压系统实验台,流量传感器要求流量变化范围:0.6-6m3/h,精度要求:1级。
通过信号调理后的信号可以与数据采集卡设备相连,通常情况下数据采集设备是一个数据采集卡,与计算机的连接可以采用多种方式。NI的数据采集设备支持的总线类型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Compact Flash、Ethernet以及火线等各种总线。本文选用PXI总线的PXL-6251多功能数据采集卡。利用LabVIEW的NI-DAQmx软件,选择物理通道和任务输入通道进行流量信号采集。
3.5 温度测试系统
温度是机械工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数,许多系统的工作都是在一定的温度范围内进行的,需要测量温度和控制温度的场合及其广泛。目前的温度测量控制系统常采用单片机控制,该技术应用十分广泛,但其编程复杂,控制不稳定,系统的精度不高。而利用虚拟仪器开发和设计的温度测量系统,采用普通PC机为主机,利用图形化可视软件LabVIEW为软件开发平台,来监测温度的变化情况,采集数据并进行处理、存储、显示等。设备成本低,使用方便灵活。
模块化设计数据采集,数据采集模块的设计对后续的数据显示和分析结果以及整个系统功能的实现,具有直接影响,本文利用M公司的DAQ(Data AcQulsition)卡及其驱动程序设计这一模块,充分利用集成的功能全面的DAQ函数库和子VI,设计可以实现对数据采集的控制,包括触发控制、通道控制等的数据采集模块。
4 机械测试系统总体设计思路
在对传统的机械工程测试系统测试过程及传统的测试仪器和现有的虚拟测试系统进行对比研究后,本文的系统总体的结构为:
(1)本文设计开发的机械工程测试系统采用模块化结构,可以在一个测试系统中同时组建应变、位移、压力、流量和温度测试系统。并且每个测试系统用模块化进行设计前后面板,方便程序设计和用户操作与控制。
(2)采用数据库对数据进行存储、管理和查询。基于需要对测试数据进行存储、调用、管理和查询,并且处理的数据量大,本文设计通过数据库来存储、管理和查询数据。建立一个Access数据源,通过ADO数据库访问技术,充分利用ADO的灵活性,通过编程模型实现对数据库的操作,执行用户命令,实现对数据的管理。利用ADO技术的LabVIEW数据库访问包-LabSQL,用户可以直接在LabVIEW中以调用子VI的方式实现对数据库的访问。
(3)每个测试仪在进行设计时,选用的模型是“菜单选择结构”。在后面板中利用“case”结构完成在前面板中不同的按钮选择,选择好一个测试以后,这个测试仪就可独立的工作。在完成相关的需要的工作后可以选择退出,也可以选择进入到另一个测试仪。利用菜单编辑器对程序进行编辑,要改变程序的操作项直接从菜单编辑器中修改,为程序作总体设计。
(4)前后面板的人性化设计。程序设计包括前面板和程序框图两部分,系统前面板由参数设置和五个测试系统构成。当用户在前面板操作相应的功能时,后面板的程序框图有与之协调的字VI运行,这样可以保证运行操作的同步性和准确性。同时在前台对话框有供测试人员填写参数或者选择功能界面。为了便于后续人员按自己的要求进行小范围修改,后面板程序框图也以直观简洁的方式进行设计。
5 结论
本文以虚拟仪器LabVIEW为开发平台,按照机械工程测试系统的要求,充分利用已有的标准化系统资源,开发了便于更新、机动灵活、成本低廉、中文界面的机械工程测试系统,提高了测试的综合应用效率。
参考文献
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[4]张子刚.基于LabVIEW的虚拟实验仪器设计研究[D].长春理工大学硕士学位论文,2007.
虚拟仪器技术论文范文4
关键词：传感器技术、检测技术；项目驱动；整合优化
作者简介：徐小玲（1984-），女，福建建瓯人，广东石油化工学院计算机与电子信息学院，讲师；刘美（1967-），女，广东廉江人，广东石油化工学院计算机与电子信息学院，教授。（广东 茂名 525000）
基金项目：本文系广东省高等教育教学改革工程项目（项目编号：BKZZ2011041）、广东省高等教育教学成果奖培育项目（项目编号：201139277）、2011年校级教育教学改革研究项目的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）01-0096-02
测控技术与仪器专业是测量和仪器科学领域唯一的本科专业，而作为测控专业核心课程的传感器技术、检测技术等系列课程集成了机械、电子、光学、电磁学等方面的知识，与生产、科研实践联系紧密，是自动检测与控制系统中不可缺少的技术。但由于该方面课程内容多、发展快、涉及知识面广，虽然本专业在原有的教学内容、方法上已作了许多改革，但仍没从系统优化角度统一研究，还不足以激励学生学习的主动性和创造性思维的发展。课程实施和评价环节不断暴露出不足，主要有两点：一是课程内容起点低、知识重复性多，课程的学时分配不适应当前的教学要求。二是课程内容的选择较少考虑课程之间的自然衔接和相互配合，没有从学科的发展来考虑学生的知识结构、能力培养和学科素质培养。实践性教学环节还比较薄弱，存在着实践层次低，系统性差等问题。
为了适应教学内容和课程体系改革的需要，提升教学效果，本文将传感器技术和检测技术教学内容进行整合，并加入虚拟仪器相关内容，扩充教学信息量，优化教学内容，提高教学培养质量。
一、课程现状
广东石油化工学院测控专业开设传感器技术课程共36学时，其中理论教学28学时，实验教学8学时，主要讲授各种物理量的电测变换技术，介绍各类传感器工作原理、应用方法。实验主要通过CSY2000系列传感器与检测技术实验成。检测技术课程共36学时，其中理论教学30学时，实验教学6学时。主要介绍各种被测物理信号的提取分析和处理的理论方法，实验主要为温度、流量、物位、压力等信号的测量与标定。两门课[1]都作为介绍信息获取的重要课程，通过学习要求学生能够了解常用传感器、控制元件的性能并会选用传感器，并掌握常用测量仪器的使用方法，熟知典型物理量的检测，掌握信号获取、传输、处理及检测的一般方法。在能力上能将所学的基础理论与专业知识融会贯通，灵活地综合应用于工程实践中。
同时传统的测控仪表越来越不能满足时代需求，尤其是在石化领域，很多待测变量与生产密切相关，但由于技术水平、工作环境等原因，不能在线测量这些变量，为解决这类变量的估计和控制问题，虚拟仪器[2]以其独特的优势为人们所关注。本校作为具有石化特色的本科院校，要求测控专业的学生不但要有过硬的检测知识，还应顺应虚拟仪器技术在测控领域引领的发展潮流，具备根据不同应用而开发数据采集和仪器控制的能力，使他们在今后测控和设计工作中更加得心应手、游刃有余。
随着测控领域不断提高的测试要求，如若根据各自的侧重不同将”传感器技术”、”检测技术”与”虚拟仪器”课程中部分内容进行整合，组成一个完整的专业知识体系，不但可以促进学生理论知识的学习，而且可以提高学生全面运用知识的能力。
二、课程整合
1.课程内容整合
在课程内容中，传感器课程选择比较片面，较少考虑课程之间的自然衔接和相互配合，而检测技术课程的众多知识点与其他课程有复杂的联系。教师在课程讲授中，难免会出现有些内容重复讲授，而有些内容在各门课程中都没有深入阐述的情况，因此，将传感器技术和检测技术两门课程的主要内容有机地整合为一门课程，整合后的课程从系统角度出发，以具体的检测实例入手提出检测问题，激发学生的学习兴趣，并使学生认识到传感器的重要性及意义所在。[3]针对学校的石化特点，笔者首选化工检测问题，其次是生产、生活问题，全面介绍传感器、检测技术，并将更多的学时用于介绍现代检测方法和以化工为背景的系统实例，更贴近于工程实际。[4]
虚拟仪器[5]是一种计算机技术介入仪器领域所形成的富有生命力的仪器，将之应用于检测，可以实现对现场实时、在线、灵活、方便的检测，节省用户的开发时间，提高测量的精度。同时通过对不同传感器信号的采集，A/D转换，分析并采用虚拟仪器使检测系统构成简便实用，人机界面采用LabVIEW的编程语言让学生容易掌握且富有个性，学生在学习过程中充分体验到了检测和过程控制的乐趣，是对传感与检测课程知识的扩展与延伸，虚拟仪器使学生更深入地了解课程的理论及应用，同时也让学生对虚拟仪器和实现虚拟仪器测量功能的基本原理有更深入的认识。
实验采用由CSY2000系列传感器与检测技术实验台、数据采集模块与LabVIEW开发软件及PC机构成一个完整的虚拟仪器系统。CSY系列实验平台是用于提供各种传感器、信号激励源、处理电路；数据采集卡采集各类电量信号并传输给PC机，通过开发软件编程组成各类不同的检测系统如图1所示。
实验过程中，学生依据被控对象自行选择传感器，对所有来自传感器检测到的或者直接由信号发生器产生的各种信号，经过预处理，由数据采集卡输入通道完成数据采集，采用LabVIEW进行程序设计，对所采集到的数据进行数据处理，实现信号的存储、显示等功能，这个过程让学生完整地体会到过程检测基本原理和方法。[6]使学生从信号的发生、采集、处理、显示中得到训练，真正使学生的计算机能力、设计能力、工程实践能力等综合能力得到强化和提高。
2.教学具体实施
由于传感器与检测课程都是实践性很强的课程，因此在教学上教师以工程实践中最通用的测量案例和课堂实验为主线，采用项目教学，将教学目标浓缩在项目中，以实际工程项目为对象，对项目进行分解，让学生围绕项目各个方面进行讨论。学生在讨论过程中发现问题，分析问题最后解决问题，这样完成了项目也就实现了教学目标。项目教学导向由五个基本步骤构成。
（1）项目描述。项目要有明确的目标，才能让学生切身感受到学以致用的快乐，因此学生首先了解生产实际是项目教学的第一步，进而才能得到实用的适合的项目主题，如在化工生产过程中，经常需要检测和控制反应釜中液体的温度，使之能够稳定在一定的范围内，才能得出可靠的试验数据或是合格产品。同样压力监控应用也非常广泛，如锅炉蒸汽与水的压力监控，炼油厂减压蒸馏的真空压力监测等等，而随着工业水平的不断提高和国家对环保的日益重视，对有毒、有害气体的监测也成为需要。根据这些工程应用，培养学生对项目的文献检索能力。通过生产调研、文献检索来撰写调研报告，确定设计任务及思路，同时培养学生撰写科技论文的能力。本项目以反应釜中液体的温度检测为项目背景，说明整个项目驱动教学在课程中的具体实施。
（2）项目要求。根据项目任务设定项目要求。在“反应釜液体温度检测”这一项目中要求学生了解温度测量的原理，掌握热电偶、热电阻和热敏电阻的原理、种类、结构与应用，重点掌握热电偶的基本定理、基本类型、温度补偿方法及使用热电偶测温的方法，掌握热电阻内部引线方式及其适用场合，热敏电阻的电阻-温度特性，并会使用分度表，学会设计测量转换电路，并能根据项目任务，以组或个人为单位，让其在规定时间内完成项目任务。
（3）项目分析及设计。项目任务确定后，教师不急于讲解，先让学生分析讨论，提出其中隐含的知识点。学生在教师的引导启发下理解掌握新知识，并运用其解决相关项目问题。在检测反应釜中液体温度这一项目中，温度传感器的选择是一大重点。因为在石油、化工、冶金等领域，有相当多的重要工艺是在高温、高压和强腐蚀环境中实施的，因此对于传感器的选择，同样也必须具有耐高温、高压及抗腐蚀的特点。这些都需要学生分析了解。其次，还需要让学生解决以下问题：1）根据信号给传感器选用调理电路；2）根据传感器设计运放、模数/数模转换及选用专用芯片设计检测电路；3）设计单片机与温度传感器接口电路并完成相应软件设计等。整个设计过程让学生掌握检测系统各部分的功能及其特性。
项目在实验台上完成试验调试。采用模块化结构的CSY-2000实验平台，利用传感器和相应实验模块开展实验。再引入虚拟仪器开发软件LabVIEW，完成数据采集、处理、显示、查询程序设计，实现虚拟仪器开发。
（4）项目完成。整个项目[7]框架为：被测信号传感器信号处理板数据采集卡 PC/LabVIEW。在分析完每一步骤后，每组学生各自通过不同设计完成项目。项目完成流程：首先绘制电路原理图，并根据需要列出元件仪器设备清单。其次学生自行选择元器件组建实验平台，完成系统的整体设计及调试，再通过采用LabVIEW完成虚拟仪器功能。项目中LabVIEW采用串口通信方式，在LabVIEW平台下采用标准的输入输出应用程序接口VISA处理串口，同时设计前面板，如图2所示，实现数据采集及显示，执行程序可在屏幕上看到当前温度的动态采样值和图表显示及最高温度、最低温度、平均温度显示。并可实现温度上限报警功能同时还可将采样数据保存到用户指定文件中。整个项目使学生从设计到实现、从局部到系统、从硬件连接到软件设计得到多方面的训练，既拓宽了知识面又提高了综合能力。
教师分阶段及时跟进，促其达到预期目标。最后，完成项目报告，报告内容应包括：设计方案、设计步骤等方面的总结性阐述；还应有对原始数据的记录、处理及分析。整个实验过程拓展了实验内容，锻炼了学生的动手能力，拓宽了知识面，提高学生实验的主动性和积极性。
（5）项目评估及考核。项目完成后，教师首先要求学生结合项目进行自我评估，由每组学生分别介绍项目实施的具体任务、目标、方法以及收获和体会。教师的评估除了考核项目成果外，还要指出学生项目整个过程中存在的问题及解决的方法，重点分析项目相对应的知识点掌握情况，[8]并总结、比较各组的特点，重在考核学生在学习过程中的积极性和主动性，包括与人合作的能力等，引导学生积极参与项目学习，掌握好基本技能。在评定学生成绩时注重鼓励学生的创新思想，及时表扬新思想、新创意、新方案，培养学生的创新能力，实现教与学最佳的统一。
三、结束语
在实际教学中，这种基于项目驱动模式下“传感器技术”与“检测技术”课程整合已经在逐步应用，借助虚拟仪器技术进一步丰富了教学内容，淡化了理论教学，强化了实验教学及应用，这些改进使学生更透彻地掌握了理论知识，极大地扩展了课程知识，开阔学生视野，同时增强他们的动手、创新、交流和组织的能力，真正培养了技能，提高了综合素质和学生参加课外科技活动的兴趣和信心。测控2007级至2009级学生中超过30%的学生参加了课外创新实践活动，包括积极参加校级电子科技大赛、省级电子设计大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等等，例如结合当前的物联网、无线传感器网络等研究热点完成环境监测、智能家居等等，并获得很好的奖项。可见，课程改革已取得了初步的成效，当然，在实施过程中也遇到一些问题，例如设备资金不足、师资力量欠缺等等，还需不断改进、完善、实践，进一步全面提高学生的综合能力。
参考文献：
[1]陈季云.“传感与检测技术”项目化教学的探索[J].中国电力教育，2011，（16）：108-109.
[2]姚素芬，膝建辅.LabVIEW在过程检测与仪表教学中的应用[J].太原理工大学学报（社会科学版），2005，（S1）：166-168.
[3]周冀馨.检测控制技术综合应用课程改革探讨[J].中国电力教育，2012，（21）：69，76.
[4]乐恺，郭美荣.热工自动检测与控制系列课程的整合与优化[J].中国冶金教育，2011，（4）：40-41，44.
[5]蒋彦，袁锋伟，朱慧玲，等.测控技术与仪器专业学生虚拟仪器技术应用能力的培养研究[J].中国现代教育装备，2011，（7）：32-33.
[6]简家文，朱双东，谢建军.虚拟仪器技术在传感器检测技术实验教学中的应用[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2009，23（5）：15-18.
虚拟仪器技术论文范文5
1.课程内容整合在课程内容中，传感器课程选择比较片面，较少考虑课程之间的自然衔接和相互配合，而检测技术课程的众多知识点与其他课程有复杂的联系。教师在课程讲授中，难免会出现有些内容重复讲授，而有些内容在各门课程中都没有深入阐述的情况，因此，将传感器技术和检测技术两门课程的主要内容有机地整合为一门课程，整合后的课程从系统角度出发，以具体的检测实例入手提出检测问题，激发学生的学习兴趣，并使学生认识到传感器的重要性及意义所在。[3]针对学校的石化特点，笔者首选化工检测问题，其次是生产、生活问题，全面介绍传感器、检测技术，并将更多的学时用于介绍现代检测方法和以化工为背景的系统实例，更贴近于工程实际。[4]虚拟仪器[5]是一种计算机技术介入仪器领域所形成的富有生命力的仪器，将之应用于检测，可以实现对现场实时、在线、灵活、方便的检测，节省用户的开发时间，提高测量的精度。同时通过对不同传感器信号的采集，A/D转换，分析并采用虚拟仪器使检测系统构成简便实用，人机界面采用LabVIEW的编程语言让学生容易掌握且富有个性，学生在学习过程中充分体验到了检测和过程控制的乐趣，是对传感与检测课程知识的扩展与延伸，虚拟仪器使学生更深入地了解课程的理论及应用，同时也让学生对虚拟仪器和实现虚拟仪器测量功能的基本原理有更深入的认识。实验采用由CSY2000系列传感器与检测技术实验台、数据采集模块与LabVIEW开发软件及PC机构成一个完整的虚拟仪器系统。CSY系列实验平台是用于提供各种传感器、信号激励源、处理电路；数据采集卡采集各类电量信号并传输给PC机，通过开发软件编程组成各类不同的检测系统如图1所示。实验过程中，学生依据被控对象自行选择传感器，对所有来自传感器检测到的或者直接由信号发生器产生的各种信号，经过预处理，由数据采集卡输入通道完成数据采集，采用LabVIEW进行程序设计，对所采集到的数据进行数据处理，实现信号的存储、显示等功能，这个过程让学生完整地体会到过程检测基本原理和方法。[6]使学生从信号的发生、采集、处理、显示中得到训练，真正使学生的计算机能力、设计能力、工程实践能力等综合能力得到强化和提高。2.教学具体实施由于传感器与检测课程都是实践性很强的课程，因此在教学上教师以工程实践中最通用的测量案例和课堂实验为主线，采用项目教学，将教学目标浓缩在项目中，以实际工程项目为对象，对项目进行分解，让学生围绕项目各个方面进行讨论。学生在讨论过程中发现问题，分析问题最后解决问题，这样完成了项目也就实现了教学目标。项目教学导向由五个基本步骤构成。（1）项目描述。项目要有明确的目标，才能让学生切身感受到学以致用的快乐，因此学生首先了解生产实际是项目教学的第一步，进而才能得到实用的适合的项目主题，如在化工生产过程中，经常需要检测和控制反应釜中液体的温度，使之能够稳定在一定的范围内，才能得出可靠的试验数据或是合格产品。同样压力监控应用也非常广泛，如锅炉蒸汽与水的压力监控，炼油厂减压蒸馏的真空压力监测等等，而随着工业水平的不断提高和国家对环保的日益重视，对有毒、有害气体的监测也成为需要。根据这些工程应用，培养学生对项目的文献检索能力。通过生产调研、文献检索来撰写调研报告，确定设计任务及思路，同时培养学生撰写科技论文的能力。本项目以反应釜中液体的温度检测为项目背景，说明整个项目驱动教学在课程中的具体实施。（2）项目要求。根据项目任务设定项目要求。在“反应釜液体温度检测”这一项目中要求学生了解温度测量的原理，掌握热电偶、热电阻和热敏电阻的原理、种类、结构与应用，重点掌握热电偶的基本定理、基本类型、温度补偿方法及使用热电偶测温的方法，掌握热电阻内部引线方式及其适用场合，热敏电阻的电阻-温度特性，并会使用分度表，学会设计测量转换电路，并能根据项目任务，以组或个人为单位，让其在规定时间内完成项目任务。（3）项目分析及设计。项目任务确定后，教师不急于讲解，先让学生分析讨论，提出其中隐含的知识点。学生在教师的引导启发下理解掌握新知识，并运用其解决相关项目问题。在检测反应釜中液体温度这一项目中，温度传感器的选择是一大重点。因为在石油、化工、冶金等领域，有相当多的重要工艺是在高温、高压和强腐蚀环境中实施的，因此对于传感器的选择，同样也必须具有耐高温、高压及抗腐蚀的特点。这些都需要学生分析了解。其次，还需要让学生解决以下问题：1）根据信号给传感器选用调理电路；2）根据传感器设计运放、模数/数模转换及选用专用芯片设计检测电路；3）设计单片机与温度传感器接口电路并完成相应软件设计等。整个设计过程让学生掌握检测系统各部分的功能及其特性。项目在实验台上完成试验调试。采用模块化结构的CSY-2000实验平台，利用传感器和相应实验模块开展实验。再引入虚拟仪器开发软件LabVIEW，完成数据采集、处理、显示、查询程序设计，实现虚拟仪器开发。（4）项目完成。整个项目[7]框架为：被测信号传感器信号处理板数据采集卡PC/LabVIEW。在分析完每一步骤后，每组学生各自通过不同设计完成项目。项目完成流程：首先绘制电路原理图，并根据需要列出元件仪器设备清单。其次学生自行选择元器件组建实验平台，完成系统的整体设计及调试，再通过采用LabVIEW完成虚拟仪器功能。项目中LabVIEW采用串口通信方式，在LabVIEW平台下采用标准的输入输出应用程序接口VISA处理串口，同时设计前面板，如图2所示，实现数据采集及显示，执行程序可在屏幕上看到当前温度的动态采样值和图表显示及最高温度、最低温度、平均温度显示。并可实现温度上限报警功能同时还可将采样数据保存到用户指定文件中。整个项目使学生从设计到实现、从局部到系统、从硬件连接到软件设计得到多方面的训练，既拓宽了知识面又提高了综合能力。教师分阶段及时跟进，促其达到预期目标。最后，完成项目报告，报告内容应包括：设计方案、设计步骤等方面的总结性阐述；还应有对原始数据的记录、处理及分析。整个实验过程拓展了实验内容，锻炼了学生的动手能力，拓宽了知识面，提高学生实验的主动性和积极性。（5）项目评估及考核。项目完成后，教师首先要求学生结合项目进行自我评估，由每组学生分别介绍项目实施的具体任务、目标、方法以及收获和体会。教师的评估除了考核项目成果外，还要指出学生项目整个过程中存在的问题及解决的方法，重点分析项目相对应的知识点掌握情况，[8]并总结、比较各组的特点，重在考核学生在学习过程中的积极性和主动性，包括与人合作的能力等，引导学生积极参与项目学习，掌握好基本技能。在评定学生成绩时注重鼓励学生的创新思想，及时表扬新思想、新创意、新方案，培养学生的创新能力，实现教与学最佳的统一。
在实际教学中，这种基于项目驱动模式下“传感器技术”与“检测技术”课程整合已经在逐步应用，借助虚拟仪器技术进一步丰富了教学内容，淡化了理论教学，强化了实验教学及应用，这些改进使学生更透彻地掌握了理论知识，极大地扩展了课程知识，开阔学生视野，同时增强他们的动手、创新、交流和组织的能力，真正培养了技能，提高了综合素质和学生参加课外科技活动的兴趣和信心。测控2007级至2009级学生中超过30%的学生参加了课外创新实践活动，包括积极参加校级电子科技大赛、省级电子设计大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等等，例如结合当前的物联网、无线传感器网络等研究热点完成环境监测、智能家居等等，并获得很好的奖项。可见，课程改革已取得了初步的成效，当然，在实施过程中也遇到一些问题，例如设备资金不足、师资力量欠缺等等，还需不断改进、完善、实践，进一步全面提高学生的综合能力。
本文作者：徐小玲刘美工作单位：广东石油化工学院
虚拟仪器技术论文范文6
【关键词】通信原理；虚拟仪器；教学平台；LabVIEW；教学改革
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097（2009）06―0107―04
一 通信原理课程的地位及教学特点
当今世界已进入了飞速发展的信息时代，通信技术与传感技术、计算机技术紧密结合，成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。培养满足社会需要的通信专业人才成为高等院校通信工程专业教学改革的重点问题。通信原理是通信工程专业的一门重要专业基础课程，也是一门专业标志性课程，是以概率论与数理统计、电路、模拟电子线路、信号与系统、随机信号分析等课程为先修课的专业基础课，为后续专业课程奠定基础，在专业课程设置中起着承上起下的关键作用，占有重要的教学地位。课程所包含的内容是通信工程专业本科生的知识结构中必须具备的重要部分，为学生形成通信专业的理论体系与技术思想 发挥着重要作用，对于专业建设等教学研究工作有着重要的支持作用[1]。
课程的教学特点是：（1）基本概念和基本原理都很抽象，数学公式和理论推导相对较多，数学基础要求高，理论性比较强，是信号理论和系统理论的延伸和推广，教材偏重数学分析，对通信原理的物理过程讲述不够，学生感觉枯燥难懂，难以引起学习兴趣。（2）内容较多，涉及的知识面宽。随机信号的分析是全书的基础，模拟调制、数字调制、信源编码和信道编解码、数字基带系统、数字系统的最佳接收等在课程中都非常重要，需要一系列先修课程的支持，学生知识储备不足。（3）教师在讲课中不仅要使同学扎实掌握各个基本知识点，而且要将通信系统的各部分内容有机串联起来，使学生掌握各个知识点和整个通信系统的关系，如何在有限的学时内完成教学任务也是一个难题。总之，本课程教与学的难度都很大[2][3]。
二 课程教学改革的现状、难点及对策
在高等院校中，针对通信原理课程的特点，进行了广泛的课程教学改革，取得了很多优秀成果，如省级、国家级精品课、优秀教学成果奖。目前本课程教学改革的主要优秀成果如下：
（1） 采用综合实验箱。将每箱一个实验的传统实验箱改变为可做多个实验的模块化综合实验箱，提高了性价比，增加了实验项目。
（2） 将仿真软件应用于通信原理实验，丰富实验内容。目前通信系统的仿真主要分为软件仿真和硬件仿真。软件仿真是依据通信原理实现通信系统的虚拟仿真； 主要有MATLAB/Simulink、SystemView等；硬件仿真是从系统的硬件实现的角度仿真实际电路，主要有EWB/Multisim、PSpice、Protel、QuartusⅡ、ADS等[4]。
（3） 采用现代教育手段。采用幻灯片、多媒体课件、网络等现代化教学手段和一些仿真软件等搭建网络通信原理教学平台，共享教学资源，学生能够通过网络进行理论学习并可进行网上仿真实验等，教学内容更加丰富生动，便捷的网络沟通手段和互动的网络平台打破了传统教学模式的时空限制，扩大了学生的自学空间，提供了交互式、开放式、自主式的新学习模式[5]。
从当前教学改革成果来说，综合实验箱、软件仿真实验、建立网络教学系统等丰富的教学形式取得了很好的效果，非常值得学习和借鉴。但也存在下列突出的热点、难点问题：
（1） 综合实验箱仍存在一些不足。没能克服硬件验证性实验固有的动手多、动脑少的缺点；实验数目增加了，但由于通信原理课程内容较多以及硬件的制约，综合实验箱不可能全部覆盖理论教学内容，仍然存在盲区。
（2） 基于MATLAB/Simulink、SystemView等平台提供的通信模块都是封装好的，模块的内部结构看不到，通信原理课程讲授的恰恰是内部的具体实现，是要求学生掌握的主要内容，因此只能进行系统级仿真，不能进行波形级仿真，没能从根本上脱离验证性实验的模式。
（3） 以MATLAB/Simulink、SystemView等为代表的软件仿真是虚拟的、原理级仿真，没有相应的硬件支持，不能硬件实现。以EWB/Multisim、PSpice、ADS等为代表的硬件仿真，从系统的硬件实现角度仿真实际电路。这两类仿真各自独立进行，两者之间缺乏联系和衔接，使学生感觉理论和实际之间有距离。没有既能实现原理级的仿真，又可作为硬件实现的通信平台将理论和实际衔接起来。
（4） 网络课堂的电子资源有待进一步完善。在电子教案中，有些含有Flash制作的动画，帮助学生理解原理，但Flas也只停留在演示结果的层面上，不是真的通信系统。以 MATLAB/Simulink、SystemView等软件仿真只能进行系统级仿真。
为解决上述教学改革中突出的热点、难点问题，在多年的教学中不断摸索积累，结合通信系统构成具有模块化的特点，采用虚拟仪器开发工具LabVIEW开 发了通信原理教学平台。
三 虚拟仪器通信原理教学平台的组成和特点
LabVIEW是图形化编程环境，它的最大优点是直观易学，编程效率高，在开发各种仪器及虚拟电路方面有其独到之处。LabVIEW不仅仅是一种编程语言，更是一种高度交互式的开发环境，用来快速设计原型和进行应用程序的渐进式开发，从测量、 自动化到实时嵌入式系统，再到通用场合。LabVIEW具有对FPGA编程下载的能力，具有数据采集卡驱动程序，所以LabVIEW也是一个硬件设计工具。其计算、分析、显示功能，丰富的信号分析和处理方面的库函数以及软、硬兼备特性非常适合通信系统的设计与分析[6]。
但LabVIEW的商用通信软件包提供的通信模块都是封装好的，内部结构看不到，这一点与MATLAB/Simulink、System View等仿真语言的语句类似。通信原理课程要学习的恰恰是内部的具体实现，要使LabVIEW应用于通信原理教学中必需花大力气自主开发通信软件包。为解决此难题，在我校实验技术基金的支持下进行了教改立项，项目组成员分工合作，结合通信原理的教学，针对各种基本通信系统的各种调制方式和编码方式，编写出了具有自主知识产权的虚拟仪器通信原理教学平台。
平台的硬件系统由计算机、连接外部的端口、数据采集卡、射频卡等构成，在LabVIEW软件控制下可完全模拟和替代传统的仪器。射频前端+A/D+计算机=一台接收机，计算机+ D/ A +射频输出=一台发射机。因此，平台不仅是一个用于教学演示的仿真软件，同时也是硬件实现方式的一种，与传统硬件不同的是采用了 较先进的软件无线电理论，在此平台上，只需改变软件程序，就可以构成不同的通信系统。
平台的软件部分包括：模拟通信系统、数字基带系统、数字频带传输系统、模拟信号的数字传输、数字信号最佳接收系统、信道编码器、信源编码器、码分复用系统，涵盖了通信原理课程的主要内容。每个通信系统的软件部分都由两部分组成：（1）各种调制方式和编解码方式的可供调用的通信模块，给出了模块的内部实现。（2）调用模块构成了基础通信系统和综合通信系统。平台功能完善、内容丰富、形式新颖、模块化设计符合通信系统的方框图特点，将通信系统如动画般展示，使通信系统的设计像搭积木一样有趣，枯涩难懂的通信理论变得形象生动，学生爱学、易学，充分调动学生的学习积极性，提高学生学习兴趣，解决了理论教学难题。
四 虚拟仪器通信原理教学平台程序举例
图1为虚拟仪器通信原理教学平台进入界面。点击“系统概述”和“系统组成” ，可初步了解该系统。点击“系统选择” 进入图1。再点击各个系统，可进入相应系统。点击“STOP”或“返回” 键，返回上一界面。如点击“模拟信号的数字传输” ，进入图2“模拟信号的数字传输”进入界面。在图2中点击“PCM脉冲编码调制” 进入图3“PCM脉冲编码调制” 前面板。在图3中点击“波形选择” 的上下键来选择多种输入信号，可以改变输入信号的频率、振幅等，可观察各种输入信号下的抽样值、映射值、每个映射值对应的PCM编码、信道中的PCM波形、译码输出波形等，会看到译码输出波形随着输入信号的变化而变化，从而验证了系统设计的正确性。
在LabVIEW环境下，可在前面板的标题栏中选“窗口--显示程序框图” 进入后面板，后面板为LabVIEW的框图化程序，前、后面板中的输入、输出控件是一一对应的，在后面板中可以看到前面板的功能是如何具体编程实现的。
图4为“PCM脉冲编码调制” 后面板，可清楚地展示PCM系统的详细工作过程：发送端抽样、映射、编码后送入信道，接收端反映射、PCM译码、恢复原信号。其中“映射”、“PCM编码” 等是作者编写的模块化子程序，双击程序模块，可进入子程序的前、后面板，如“PCM编码” 模块 ，是一个包含若干子程序的逐次比较（类似砝码称重物）编码程序，如图5“PCM编码子程序” 后面板所示，PCM编码中极性码、段落码、段内码的复杂编码过程被清晰地展现。
五 结束语
虚拟仪器通信原理教学平台涵盖了通信原理课程的主要内容，提供了可供调用的通信模块，既给出了模块的内部实现，又调用这些模块构成了各种基础通信系统和综合通信系统，该平台具有的特点如下：
（1） 平台形式新颖，模块化设计符合通信系统的方框图特点，非常适合通信原理课程的教学，将通信系统如动画般展示，使通信系统的设计像搭积木一样有趣，枯涩难懂的理论变得形象生动，学生爱学、易学，充分调动学生的学习积极性，提高学生学习兴趣，解决了理论教学难题。
（2） 平台功能完善，内容丰富，平台涵盖通信原理课程的全部主要内容，实现了课程教学内容的无盲区全方位覆盖，弥补实验箱覆盖面有限的不足。
（3） 平台通过系统运行结果及每一步具体实现过程的详尽解析，使学生真正学懂理论，改变了验证性实验中学生动手多，动脑少，只知其然，不知其所以然的被动局面，弥补了实验箱等验证性实验的不足。
（4） 平台能实现通信系统的波形级及系统级仿真，而且生动形象、寓教于乐，嵌入到网络课堂上，网络课堂内容更加完善，使交互、开放、自主的网络学习模式发挥更大的作用。
（5） 本通信平台，不仅仅是一个用于教学演示的仿真软件，同时也是软件无线电方式的一种硬件实现，在此
平台上，只需改变软件程序，就可以构成不同的通信系统，实现了原理级的软件仿真与硬件实现的衔接，缩小了理论和实际之间的距离。
（6） 平台中设计了可供调用的模块化通信软件包，为基础实验、课程设计、毕业设计各实践教学环节提供了新的平台和手段。
总之，虚拟仪器通信原理教学平台的创立为高校通信原理课程的教学提供了新的途径，为课程的理论教学、实验、课程设计、毕业设计和科研提供支持，具有广泛的应用前景。平台的软件部分在辽宁省第九届教育软件大赛高等教育本科组的壹百多名获奖者中名列第一。配套著作《通信系统仿真设计及应用》详细介绍了平台的全部内容，将由电子工业出版社近期出版发行。平台的演示版可由辽宁教育网优秀教育软件展免费下载，希望能对相关教师和学生有所帮助。
参考文献
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The Design and Exploitation of Teaching Flat for Principles of Communications Taking Use of Virtual Instruments
LI Huan1REN Bo2
(1. School of Information Science and Engineering, Shenyang LiGong University, Shenyang,Liaoning,110168,China;2.School of Equipment Engineering,Shenyang LiGong University, Shenyang,Liaoning,110168,China)
