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虛擬儀器技術論文范文1
1虛擬儀器的特點和構成
1.1虛擬儀器的特點
與傳統儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優點，具體表現為：
智能化程度高，處理能力強虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。
復用性強，系統費用低應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數字采樣器，可設計出數字示波器、邏輯分析儀、計數器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統功能更靈活、更高效、更開放、系統費用更低。通過與計算機網絡連接，還可實現虛擬儀器的分布式共享，更好地發揮儀器的使用價值。
可操作性強，易用靈活虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數據庫系統或通過網絡發送。測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。
1.2虛擬儀器的構成
虛擬儀器的構建主要從硬件電路的設計、軟件開發與設計2個方面考慮。
硬件電路的設計主要根據用戶所面對的任務決定，其中接口設計可選用的接口總線標準包括GPIB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因為他具有通用性強、可擴充性好、傳輸速率高、抗干擾能力強以及良好的開放性能等優點，因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀器生產廠家的認可，目前VXI模塊化儀器被認為是虛擬儀器的最理想平臺，是儀器硬件的發展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電路的設計一般可以選擇用現有的各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括：信號調理和高速數據采集；信號輸出與控制；數據實時處理。這3部分概括了數字化儀器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就能構成任何一種虛擬儀器。例如使用高速數據采集模塊和高速實時數據處理模塊就能構成1臺示波器、1臺數字化儀或1臺頻譜分析儀；使用信號輸出與控制模塊和實時數據處理模塊就能構成1臺函數發生器、1臺信號源或1臺控制器。專用接口是針對特定用途儀器需要的設計，也包括一些現場總線接口和各類傳感器接口。系統的主要硬件包括控制器、主機箱和儀器模塊。常用的控制方案有GPIB總線控制方式的硬件方案、MXI總線控制方式的硬件方案、嵌入式計算機控制方式的硬件方案3種。VXI儀器模塊又稱為器件（devices）。VXI有4種器件：寄存器基器件、消息基器件、存儲器器件和擴展器件。存儲器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸大量數據。擴展器目前是備用件，為今后新型器件提供發展通道。將VXI儀器制作成寄存器基器件，還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像VME總線器件，是在低層用二進制信息編制程序。他的明顯優點在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制這一層次上進行通信的。這種高速通信可以使測試系統吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件適用于虛擬儀器中信號/輸出部分的模塊（如開關、多路復用器、數/模轉換輸出卡、模/
數轉換輸入卡、信號調理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用ASCII字符進行通信，與這種器件十分相似是獨立HPIB儀器。消息基器件用一組意義明確的“字串行協議”相互進行通信，這種異步協議定義了在器件之間傳送命令和數據所需的掛鉤要求。消息基器件必須有CPU（或DSP）進行管理與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器中數字信號處理部分的模塊。
軟件的開發與設計包括3部分：VXI總線接口軟件、儀器驅動軟件和應用軟件（軟面板）。軟件結構如圖1所示。
VXI總線接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和編程函數庫等。該軟件在編程語言和VXI總線之間建立連接，提供對VXI背板總線的控制和支持，是實現VXI系統集成的基礎。
儀器驅動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅動軟件，他的設計必須符合VPP的2個規范，即VPP3.1《儀器驅動程序結構和模型》和VPP3.2《儀器驅動程序設計規范》。
“軟面板”設計就是設計具有可變性、多層性、自、人性化的面板，這個面板應不僅同傳統儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動條、開關按鈕、報警裝置等功能部件，而且應還具有多個連貫操作面板、在線幫助功能等。
2虛擬儀器在數據采集中的應用
利用虛擬儀器制作數據采集器可以按照硬件設計、軟件設計兩個步驟來完成。
2.1硬件設計
硬件設計要完成以下內容：
1)模/數轉換及數據存儲
設置具有通用性的數據自動采集系統，一般應滿足能對多路信號盡可能同步地進行采集，為了使所采集到的數據不但能夠在數據采集器上進行存儲，而且還能及時地在采集過程中將數據傳送到上位機，選用存儲量比較適中的先進先出存儲器，這樣既能滿足少量數據存儲的需要，又能在需要實時傳送數據時，在A/D轉換的同時進行數據傳送，不丟失任何數據。)VXI總線接口
VXI總線數據采集器通?？梢岳脙煞NVXI總線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過總線傳送命令，從而控制儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡單的讀寫來控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進行設計，具體消息基接口的框圖見圖2。
3)采樣通道控制
為了滿足幾種典型系統通道控制的要求，使通道的數量足夠多，通道的選取比較靈活，可以利用寄存器電路、可預置計數器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設計成最多64路、最少2路可以任意選擇，而且可以從任意一路開始采樣，也可以到任意一路結束采樣，只要截止通道號大于起始通道號就可以了。整個控制在虛擬儀器軟面板上進行操作，通過消息基接口將命令寫在這部分的控制寄存器中，從而設置計數器的初值以及采樣的通道總數。
4)定時采樣控制
由于不同的自動測試系統對采樣時間間隔的要求不同，以及同一系統在不同的試驗中需要的采樣時間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時間間隔設置在2μs~13.0ms之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是2μs。所有這些選擇設置可以在虛擬儀器軟面板上進行。
5)采樣點數控制
根據不同測試系統的需求，將采樣點數設計成可在一個比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進行。
6)采樣方式控制
總結各種自動測試系統的采樣方式不外乎軟件觸發采樣和硬件觸發采樣。在硬件觸發采樣中又包括同步整周期采樣和非同步整周期采樣，這2種采樣又可以是定時進行的或等轉速差進行的。所有這些采樣方式，對于數據采集器來說都可以在軟面板上進行選擇。
2.2軟件設計
軟件是虛擬儀器的關鍵，為使VI系統結構清晰簡潔，一般可采用組件化設計思想，將各部分彼此獨立的軟件單元分別制成
標準的組件，然后按照系統的總體要求組成完整的應用系統，一個標準的組件化的虛擬儀器軟件系統，如圖3所示。
應用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴展其功能的必要工具，以及利用PC機、工作站的強大功能。同時VPP聯盟提出了建立虛擬儀器標準結構庫（VISA）的建議，為虛擬儀器的研制與開發提供了標準。這也進一步使由通用的VXI數據采集模塊、CPU/DSP模塊來構成虛擬儀器成為可能。
基于虛擬儀器的數據采集器的軟件包括系統管理軟件、應用程序、儀器驅動軟件和I/O接口軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開發，往往很困難，但現在NI公司提供了所有這四部分軟件，使應用開發比以往容易得多。
下面簡單介紹以NI公司的LabWindows/CVI為開發環境，來進行VXI虛擬儀器的驅動程序開發的方法。
第一步：生成儀器模塊的用戶接口資源文件（UIR）。用戶接口資源、文件是儀器模塊開發者利用LabWindows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設計的一個圖形用戶界面（GUI）。一個LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及許多其他控制項和說明項構成。
第二步：LabWindows/CVI事件驅動編程。應用程序開發環境LabWindows/CVI中設計一個用戶接口，實際上是在用戶計算機屏幕上定義一個面板，他由各種控制項（如命令按鈕、菜單、曲線等）構成。用戶選中這些控制項就可以產生一系列用戶接口事件（events）。例如，當用戶單擊一個命令按鈕，這個按鈕產生一個用戶接口事件，并傳遞給開發者編寫的C語言驅動程序。這是運用了Windows編程的事件驅動機制。LabWindows/CVI中使用不同類型的控制項，在界面編輯器中將顯示不同類型的信息，并產生不同操作的接口事件。在LabWindows/CVI的開發平臺中，對事件驅動進行C程序編程時可采用2種基本的方法：回調函數法和事件循環處理法。
回調函數法是開發者為每一個用戶界面的控制項寫一個獨立的用戶界面的控制函數，當選中某個控制項，就調用相應的函數進行事件處理。在循環處理法中，只處理GUI控制項所產生的COMMIT事件。通過GetUserEvent函數過濾，將所有的COMMIT事件區分開，識別出是由哪個控制項所產生的事件，并執行相應的處理。
第三步：應用函數/VI集與應用程序軟件包編寫。應用函數/VI集需針對具體儀器模塊功能進行編程，應用程序軟件包只是一些功能強大、需要完善的數據處理能力的模塊才需要提供，如波形分析儀模塊、DSP模塊等。
3結語
本文探討了虛擬儀器的基本組成，以及實際的虛擬儀器軟硬件設計的一般方法，這些方法經過實際設計工作運用證明是可靠的，可供系統工程技術人員在組建具體的基于VXI總線的虛擬儀器數據采集、測試時參考使用。
參考文獻
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2］陳光禹.VXI總線測試平臺［M］.北京：電子科技大學出版社,1996
3］孫昕，張忠亭，薛長斌.集成VXI總線自動測試系統的方法［J］.測控技術,1996,15(4)
虛擬儀器技術論文范文2
一、引言
虛擬儀器技術是當前儀器與測量發展的一個重要方向，它為各學科提供了一個通用的測量及儀器設計平臺，因此“虛擬儀器實踐”課程不僅提供了虛擬儀器技術理論與實踐結合的環節，也是學生綜合應用所學各門學科知識的一個很好的實踐機會。對于工科學生來說，加強對他們的實踐能力的培養尤為重要。
“虛擬儀器實踐”課之前的教學內容是讓學生完成“虛擬儀器實驗箱”配套的實驗指導書上的5個實驗，實驗指導書詳細介紹了實驗步驟，學生按照實驗指導書的內容完成即可。但是每次課程結束，學生仍然不懂虛擬儀器的基本知識，更不用說獨立完成一個虛擬儀器的設計與實現，遠遠達不到開設這門課的目的以及培養學生創新實踐能力的目標，因此對這門課的教學改革勢在必行。
通過分析“虛擬儀器實踐”課程的課程目的以及學生的實際情況，我們在課程中借鑒了以課題研究為導向的教學方法，對課程內容、授課模式和考核方式等幾方面進行了改革，經過2年的教學實踐，均取得了較好的教學效果和學生反饋。
二、課題研究為導向的教學法
課題研究為導向的教學法，是指在教學中引入課題研究任務，引導學生帶著一定的目的性主動學習，這可以提高學生學習的積極性，并提高獨立科研的能力。從課程伊始布置課題任務，期末提交課程設計報告，課題研究任務貫穿整個課程教學過程。
以課題研究為導向的教學過程，學生可以根據興趣自主選題，所以學習的興趣和動力較大，不僅會自己去研究“怎么做”，還會研究“怎么做得更好”，因此是學生在教師的指導下變被動學習為主動學習的過程。
課題研究為導向的教學法，實際上是以建構主義教育理念為指導的“做中學”，要求學生通過“動手做”獲得直接經驗，并運用已掌握的知識去分析和解決實踐中的問題，對獲得的數據進行整理、分析等處理，最終得出結論。因此，學生得到的知識是鮮活的知識，并且易于內化為認知結構。
做中學的教學思想被認為是最有效的教學策略之一。正如美國“2061計劃”中指出，最有效的向各類學生教授科學的策略應是支持學生對他們自己動手的和與他們的生活和文化相關的活動形成他們自己的理解[7]。
對于如何開展做中學，國內外教育界做了很多有效的嘗試和探索，丹麥的奧爾大學創立的課題（項目）組織教學（project organized）模式便是一個成功范例。這一模式包括選擇課題、師生協同研究、撰寫研究報告、課題評價四個階段，真正做到了按課題（項目）組織教學，以課題研究貫穿于教學的全過程。
三、課題研究為導向的教學實踐
在“虛擬儀器實踐”課程教學過程中實施以課題研究為導向的教學法，不僅僅是幫助學生更好地掌握虛擬儀器技術的知識，包括虛擬儀器系統的構成、虛擬儀器的編程環境和編程方法、虛擬儀器的編程技巧以及優化策略，也重在培養各種能力，包括發現和運用學習資源的能力，合作學習的能力，口頭表達能力和書面表達能力，運用在大學學到的知識和發展的智力等。
改革以后的課程內容、授課模式和考核方式都圍繞以上目標進行，課程內容不再是幾個固定的實驗，而是學生自主完成一個課題的設計并實現；授課模式也主要是“以學生為中心”的研究型課堂模式，教師主要工作是答疑和點評；課程考核是根據課題完成情況和課程設計報告的情況綜合評分。具體步驟如下。
（一）確定課題
主要是給學生們布置課題任務，同時介紹考核的標準、查找文獻的方法、課程設計報告的格式要求，并提供示范的優秀作品。
課題的確定是實施項目教學法的關鍵環節。選題既要新穎有趣，能夠激發學生的興趣，又要有一定綜合性和難度，能夠讓學生對所學知識進行綜合、學會理論聯系實際、學會解決處理實際問題，從中培養學生的綜合能力。
為了激發學生的學習熱情和創新意識，鼓勵學生根據自己的興趣愛好以及查找資料的結果自主選題，再由教師審批確定。
（二）知識梳理
任何一個領域的知識都是有結構的。把知識放到一個大的架構下學習，有助于掌握和理解，有益于記憶和應用，可以有效提高學習效率。學生在小學期生產實習時已經學過了LabVIEW的基本知識，但是比較零碎，沒有構建起虛擬儀器技術的整體知識脈絡，因此，在學生開始他們的課題研究之前，我們用2個課時給學生做了必要的知識梳理，把虛擬儀器技術的基本知識點貫穿起來，也解決了學時少的情況下盡可能提高課題研究質量的問題。
（三）課題研究
學生可以選擇獨立完成或者2人一組完成課程設計。學生利用網絡、參考書籍查找相關資料，實現課題的預期效果。在教師的建議和指導下，學生尋找符合項目性能指標要求的傳感器和元器件，完成硬件電路的搭建。硬件電路完成后，進入軟件框圖程序設計。最終進行軟硬件系統調試，完成設計要求。也允許有一定難度和實用價值的純軟件的課題。
（四）課題評價
每組同學用PPT和課題成果演示相結合的方式展示課題的研究成果以及獲得的知識和技能，老師進行點評，主要從綜合性、界面友好性、程序規范性、創新性四個方面進行評價和考核，鼓勵學生的創新意識和有難度的課題。
（五）撰寫報告
之前絕大多數學生都沒有做過小論文，我們參考畢設論文的格式向學生提出了課程設計報告的要求（即應包括摘要、關鍵詞、全文、心得總結及參考文獻，且參考文獻應在文中標注等），并給出示例范文。這不僅使學生得到了初步的科學研究訓練，也為即將到來的畢業設計做了很好的過渡。
四、教學實踐的實施效果
我們從2014年開始對電子信息工程專業兩屆共108名學生進行了以課題研究為導向的“虛擬儀器實踐”課的教學改革探索。學生用9周時間，利用美國NI公司LabVIEW虛擬儀器軟件、數據采集卡及其他傳感器和元器件分別完成了自動溫度監測儀、多媒體小助手、基于LabVIEW的遠程實驗、實時變聲器、基于LabVIEW的多媒體通訊系統、十字路通燈控制系統、直流電機轉速控制儀設計等多個課題的設計。學生們還自擬了全國大學生體質健康測試計算器、學生宿舍簡易監控系統等反映學生日常生活需要的題目，學生們做得興趣盎然，相關作品參加校內外的虛擬儀器競賽也獲得了較好的成績。
通過本課程，學生不但完成了虛擬儀器技術相關知識的學習和綜合應用，還加深了對傳感器技術、測控技術、計算機原理與接口技術、信號與系統、計算機網絡技術等理論知識的理解。課堂氣氛活躍，學生分析能力、組織協調能力和動手能力顯著提高，基本達到了預期教學目標。
為了提高學生的課程論文質量，我們要求每個課題都小題大做。從課題調研、提交方案、課題完成，到最后的論文提交，完成了一個系統的學術訓練過程。在最近的這期教學實踐中，我們強化了方案環節，要求學生在前期要提交一份研究方案的報告，因此這期提交的論文質量整體上比上期有較大的提高。學生在完成論文后普遍有一種成就感。
五、教學實踐中的教學體會及應注意的問題
以課題研究為導向的“虛擬儀器實踐”課的教學改革探索取得了比較好的教學效果，但是還是有些需要注意改進的問題。
（一）項目設計要合理
學生的層次和素質有較大的差別，為了滿足每個學生的不同需求，使他們有不同程度的收獲，項目設計必須有層次。同時，給學生布置任務時一定要提出明確的要求和目標。
另外，根據學生的反饋，多數學生希望在選題時能夠得到更多老師的引導和支持。我們的學生經過多年應試教育的培養，創新意識比較缺乏，希望老師有現成的題目給他們。改變這種狀況還需要長期的培養和引導。
（二）把握好教師的地位
以課題研究為導向的教學中，學生為主體，教師設計課題任務、提供指導和建議并且做好督促和檢查。
由于已經是大四階段，很多同學在外實習，加上考研的比例很大，所以不少學生直到期末交稿的截止期限前才真正開始做，這就很難保證課題研究的質量。因此教師要經常性的檢查，以增加他們的時間緊迫感，確保課題和論文完成的質量。
虛擬儀器技術論文范文3
關鍵詞:機械參數;測試系統;虛擬儀器
中圖分類號:TH122文獻標識碼:A文章編號:16723198(2010)01029302
1 機械工程測試系統概述
機械工程測試系統的基本任務是從測試對象獲取反映其變化規律的動態信息,一個功能完善的機械工程測試系統由傳感器、信號轉換裝置、信號分析處理裝置和顯示與記錄等功能模塊組成,無疑,討論和設計機械工程測試系統及其構成要素,是十分有意義的。
測試系統的第一個環節是信號的傳感,即是將被測量的量或被觀察的量通過一個被測量傳感器或敏感元件轉換成一個電的、液壓的、氣動的或其他形式的物理量,被測的或被觀察的量與被轉換的輸出量之間根據可利用的物理定律應該具有一種明確的關系。傳感器就是用來完成這種轉換的裝置。
第二個環節為信號的轉換和調理。被測物理量經傳感環節被轉換為電阻、電容、電感或者電壓、電流、電荷等電參量的變化,由于在測試過程中不可避免地遭受各種內、外干擾因素的影響,且為了用被測信號驅動顯示、記錄和控制等儀器或進一步將信號輸入計算機進行數據處理。因此經傳感后的信號尚需進過調理、放大、濾波、運算分析等一系列加工處理,以抑制干擾噪聲、提高信噪比,便于進一步傳輸和后續環節中的處理。
第三個環節是是對這些信號進行分析處理以及顯示記錄,包括信號的時域分析、頻域分析、相關分析等。原始波形顯示、處理后波形顯示等。從而還可以分析出機械運轉的工況等。
2 虛擬儀器技術在機械工程測試系統中的應用現狀
科學技術的日益發展,對現在的機械工程測試系統影響很大,特別是相對于傳統的測試系統來講。以前要用特定的儀器對信號進行分析,但是利用虛擬儀器組建的機械工程測試系統卻不用專用的儀器,而是利用計算機作為連接虛擬儀器軟硬件的平臺,信號源通過調理后數據采集卡就可以獲取數據進行分析處理。現代計算機技術對機械工程測試技術和儀器的發展產生了革命性的影響。
測試系統的發展經歷了模擬測試儀器、計算機測試系統及虛擬儀器三個階段。現代機械工程測試技術以計算機為中心,計算機的發展必然促進測試技術和儀器的發展。在此背景下,虛擬儀器的產生也就水到渠成。
在虛擬儀器中,軟件是虛擬仗器系統的關鍵,目前國內外這種軟件主要有美國DSP公司的DADISP軟件,以實驗后數據處理分析和表示見長美國NI公司的系列虛擬儀器開發平臺(LabVIEW、LabWindows/CVI、Virtual Bench和Component Works)、美國QUATECH公司的DASLab軟件包和惠普公司的VEE軟件平臺都是可以搭建虛擬測試系統的軟件平臺,以圖形化編程和界面靈活見長。
由于PC的功能變得越來越強大,速度快,價格低,在標準PC上連接一個或多個儀器模塊構成測試儀器成為一種趨勢。這種儀器即為虛擬儀器。
虛擬儀器的軟件開發平臺LabVIEW中,“所見即所得”的可視化技術是應用于測試領域的雛形。虛擬儀器注重測試人員在進行工作中的感覺。用仿真的面板給人以真實儀器的感覺,用豐富的曲線圖像向測試人員傳遞信息,是虛擬現實技術在機械工程測試領域中的廣泛應用趨勢。
在機械工程測試系統中,應用虛擬儀器編的越來越普遍,因為很多傳統的硬件設備在虛擬儀器中都可以用軟件代替,從而降低了大量的設備浪費,降低了成本,并且還可以直觀化的顯示其結果,將多種的傳統儀器合并到一套虛擬儀器測試系統中,有利于編程,也有利于增強測試系統的準確度。
3 機械工程測試系統開發環境
3.1 應變測試系統
虛擬應變測試硬件系統組成如下:
虛擬式應變測試儀由硬件和軟件兩大部分組成,這里采用PCDAQ體系結構組建虛擬儀器。其原因是因為PCDAQ系統是以數據采集板、信號調理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器系統,它充分利用了主流和普及的PC機總線、機箱、電源以及豐富的軟件,以極少的硬件就能形成功能完備的應變測試系統平臺,這種方案的性價比最佳。
下圖是一個模擬信號的數據采集過程示意圖,從這個圖中可以看到模擬的信號通過設定的通道以后,再經過多路開關,經過刀D轉換等將模擬信號變為數字信號,這些信號到達計算機中,計算機中的已經編好的LabVIEW程序對其信號進行分析處理。
對信號進行采集時,采樣頻率、采樣通道以及采樣點數是需要用戶設定的參數,用戶通過前面板的參數選擇項根據實際需要進行設置,這些范圍和數據采集卡的精度有關。本文設計的應變測試這一塊,對與滿足數據采集卡精度要求的應變信號,都可以通過數據采集卡,并對其進行相關設定的分析。
3.2 位移測試系統
位移檢測技術在工業生產中有著廣泛的應用。位移檢測是機械量檢測的基礎,將機械量轉化成位移量來檢測是機電一體化技術的重要組成部分之一。對位移的檢測不僅為提高產品質量和生產安全提供了重要數據,同時也為其他參數的檢測提供了基礎。
實現位移測量的關鍵是信號的轉換即傳感器的選用。本文對位移的測量通過電渦流位移傳感器CWYDO504將位移信號轉化為電壓信號進行測量;通過傳感器把非電量轉化成相應的電壓信號,再經過信號調理電路進行測量。在測量過程中,為了保證測試系統的可靠性與測試精度,在測試系統的設計過程中必須注意傳感器地選擇、信號調理模塊的選擇以及系統抗干擾設計。
在進行位移測量時,本檢測系統可以將位移量轉換成電壓信號供數據采集卡。在執行機構帶動位移傳感器運動時可以進行電壓信號的采集,最后通過標定將電壓信號轉換成相應的位移信號,實現位移的測量。位移信號經過調理后,傳輸到數據采集卡中,數據采集卡選用NI公司生產的PXL-6251多功能數據采集卡。
3.3 壓力測試系統
本測試系統是以液壓試驗平臺為測試平臺而進行的一系列機械量測量測試,以此液壓實驗臺做壓力信號源,隨著液壓系統向高壓、大功率、高精度方向發展,液壓系統的結構變得越來越復雜,故障率也隨之增加,安全問題日益突出,因此,在液壓系統工作過程中,需要確切的了解液壓系統內部的壓力和流量等,這對于防止系統出現意外故障和有效提高系統工作效率具有十分重要的意義。所以本系統選取液壓試驗平臺的液壓管道壓力為被測對象。
數據采集是LabVIEW的核心技術之一,也是LabVIEW與其他編程語言相比較的優勢所在。使用LabVIEW的DAQ技術,模擬信號數據采集是LabVIEW的DAQ中的一個主要功能,為用戶提供了功能強大、方便快捷的模擬信號采集解決方案。
壓力信號經過調理后,傳輸到數據采集卡中,數據采集卡選用NI公司生產的PXI-6251多功能數據采集卡,其主要功能參數如下:
(1)16路模擬輸入通道,16位精度,1.25MS/S采樣率;
(2)2路模擬輸出,16位精度,2.8Ms/s輸出速度;
(3)24路數字I/O,2路定時計數器。
3.4 流量測試系統
本測試系統是以液壓試驗平臺為測試平臺而進行的一系列機械量測量測試,以此液壓實驗臺做流量信號源,以液壓實驗臺的對于液壓系統來說,最重要的兩個參數就是流量和壓力,兩個參數要求精度高,穩定性好,易于調節。在多功能液壓測試試驗臺中,流量調節控制涉及到電機、變量泵、流量調節閥、排量反饋傳感器、電控模塊、流量傳感器、計算機、管路等多個環節,影響流量的有負載、壓力、溫度、泄漏等因素。在液壓測試中,要得到準確的流量參數、必須對流量調節各環節進行分析計算,確定各環節對流量的影響。并采取措施改善流量調節的精確性和穩定性。以提高流量控制精度。
根據本液壓系統實驗臺,流量傳感器要求流量變化范圍:0.6-6m3/h,精度要求:1級。
通過信號調理后的信號可以與數據采集卡設備相連,通常情況下數據采集設備是一個數據采集卡,與計算機的連接可以采用多種方式。NI的數據采集設備支持的總線類型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Compact Flash、Ethernet以及火線等各種總線。本文選用PXI總線的PXL-6251多功能數據采集卡。利用LabVIEW的NI-DAQmx軟件,選擇物理通道和任務輸入通道進行流量信號采集。
3.5 溫度測試系統
溫度是機械工業生產和科學研究實驗中的一個非常重要的參數,許多系統的工作都是在一定的溫度范圍內進行的,需要測量溫度和控制溫度的場合及其廣泛。目前的溫度測量控制系統常采用單片機控制,該技術應用十分廣泛,但其編程復雜,控制不穩定,系統的精度不高。而利用虛擬儀器開發和設計的溫度測量系統,采用普通PC機為主機,利用圖形化可視軟件LabVIEW為軟件開發平臺,來監測溫度的變化情況,采集數據并進行處理、存儲、顯示等。設備成本低,使用方便靈活。
模塊化設計數據采集,數據采集模塊的設計對后續的數據顯示和分析結果以及整個系統功能的實現,具有直接影響,本文利用M公司的DAQ(Data AcQulsition)卡及其驅動程序設計這一模塊,充分利用集成的功能全面的DAQ函數庫和子VI,設計可以實現對數據采集的控制,包括觸發控制、通道控制等的數據采集模塊。
4 機械測試系統總體設計思路
在對傳統的機械工程測試系統測試過程及傳統的測試儀器和現有的虛擬測試系統進行對比研究后,本文的系統總體的結構為:
(1)本文設計開發的機械工程測試系統采用模塊化結構,可以在一個測試系統中同時組建應變、位移、壓力、流量和溫度測試系統。并且每個測試系統用模塊化進行設計前后面板,方便程序設計和用戶操作與控制。
(2)采用數據庫對數據進行存儲、管理和查詢。基于需要對測試數據進行存儲、調用、管理和查詢,并且處理的數據量大,本文設計通過數據庫來存儲、管理和查詢數據。建立一個Access數據源,通過ADO數據庫訪問技術,充分利用ADO的靈活性,通過編程模型實現對數據庫的操作,執行用戶命令,實現對數據的管理。利用ADO技術的LabVIEW數據庫訪問包-LabSQL,用戶可以直接在LabVIEW中以調用子VI的方式實現對數據庫的訪問。
(3)每個測試儀在進行設計時,選用的模型是“菜單選擇結構”。在后面板中利用“case”結構完成在前面板中不同的按鈕選擇,選擇好一個測試以后,這個測試儀就可獨立的工作。在完成相關的需要的工作后可以選擇退出,也可以選擇進入到另一個測試儀。利用菜單編輯器對程序進行編輯,要改變程序的操作項直接從菜單編輯器中修改,為程序作總體設計。
(4)前后面板的人性化設計。程序設計包括前面板和程序框圖兩部分,系統前面板由參數設置和五個測試系統構成。當用戶在前面板操作相應的功能時,后面板的程序框圖有與之協調的字VI運行,這樣可以保證運行操作的同步性和準確性。同時在前臺對話框有供測試人員填寫參數或者選擇功能界面。為了便于后續人員按自己的要求進行小范圍修改,后面板程序框圖也以直觀簡潔的方式進行設計。
5 結論
本文以虛擬儀器LabVIEW為開發平臺,按照機械工程測試系統的要求,充分利用已有的標準化系統資源,開發了便于更新、機動靈活、成本低廉、中文界面的機械工程測試系統,提高了測試的綜合應用效率。
參考文獻
[1]張朝暉.檢測技術及應用[M].北京:中國計量出版社,2005:2629.
[2]戴鵬飛.測試工程與LabVIEW應用[M].北京:電子工業出版社,2006.
[3]廖高華,王穎.機械量綜合測試系統的設計[J].機械設計與制造,2007:7779.
[4]張子剛.基于LabVIEW的虛擬實驗儀器設計研究[D].長春理工大學碩士學位論文,2007.
虛擬儀器技術論文范文4
關鍵詞：傳感器技術、檢測技術；項目驅動；整合優化
作者簡介：徐小玲（1984-），女，福建建甌人，廣東石油化工學院計算機與電子信息學院，講師；劉美（1967-），女，廣東廉江人，廣東石油化工學院計算機與電子信息學院，教授。（廣東 茂名 525000）
基金項目：本文系廣東省高等教育教學改革工程項目（項目編號：BKZZ2011041）、廣東省高等教育教學成果獎培育項目（項目編號：201139277）、2011年校級教育教學改革研究項目的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）01-0096-02
測控技術與儀器專業是測量和儀器科學領域唯一的本科專業，而作為測控專業核心課程的傳感器技術、檢測技術等系列課程集成了機械、電子、光學、電磁學等方面的知識，與生產、科研實踐聯系緊密，是自動檢測與控制系統中不可缺少的技術。但由于該方面課程內容多、發展快、涉及知識面廣，雖然本專業在原有的教學內容、方法上已作了許多改革，但仍沒從系統優化角度統一研究，還不足以激勵學生學習的主動性和創造性思維的發展。課程實施和評價環節不斷暴露出不足，主要有兩點：一是課程內容起點低、知識重復性多，課程的學時分配不適應當前的教學要求。二是課程內容的選擇較少考慮課程之間的自然銜接和相互配合，沒有從學科的發展來考慮學生的知識結構、能力培養和學科素質培養。實踐性教學環節還比較薄弱，存在著實踐層次低，系統性差等問題。
為了適應教學內容和課程體系改革的需要，提升教學效果，本文將傳感器技術和檢測技術教學內容進行整合，并加入虛擬儀器相關內容，擴充教學信息量，優化教學內容，提高教學培養質量。
一、課程現狀
廣東石油化工學院測控專業開設傳感器技術課程共36學時，其中理論教學28學時，實驗教學8學時，主要講授各種物理量的電測變換技術，介紹各類傳感器工作原理、應用方法。實驗主要通過CSY2000系列傳感器與檢測技術實驗成。檢測技術課程共36學時，其中理論教學30學時，實驗教學6學時。主要介紹各種被測物理信號的提取分析和處理的理論方法，實驗主要為溫度、流量、物位、壓力等信號的測量與標定。兩門課[1]都作為介紹信息獲取的重要課程，通過學習要求學生能夠了解常用傳感器、控制元件的性能并會選用傳感器，并掌握常用測量儀器的使用方法，熟知典型物理量的檢測，掌握信號獲取、傳輸、處理及檢測的一般方法。在能力上能將所學的基礎理論與專業知識融會貫通，靈活地綜合應用于工程實踐中。
同時傳統的測控儀表越來越不能滿足時代需求，尤其是在石化領域，很多待測變量與生產密切相關，但由于技術水平、工作環境等原因，不能在線測量這些變量，為解決這類變量的估計和控制問題，虛擬儀器[2]以其獨特的優勢為人們所關注。本校作為具有石化特色的本科院校，要求測控專業的學生不但要有過硬的檢測知識，還應順應虛擬儀器技術在測控領域引領的發展潮流，具備根據不同應用而開發數據采集和儀器控制的能力，使他們在今后測控和設計工作中更加得心應手、游刃有余。
隨著測控領域不斷提高的測試要求，如若根據各自的側重不同將”傳感器技術”、”檢測技術”與”虛擬儀器”課程中部分內容進行整合，組成一個完整的專業知識體系，不但可以促進學生理論知識的學習，而且可以提高學生全面運用知識的能力。
二、課程整合
1.課程內容整合
在課程內容中，傳感器課程選擇比較片面，較少考慮課程之間的自然銜接和相互配合，而檢測技術課程的眾多知識點與其他課程有復雜的聯系。教師在課程講授中，難免會出現有些內容重復講授，而有些內容在各門課程中都沒有深入闡述的情況，因此，將傳感器技術和檢測技術兩門課程的主要內容有機地整合為一門課程，整合后的課程從系統角度出發，以具體的檢測實例入手提出檢測問題，激發學生的學習興趣，并使學生認識到傳感器的重要性及意義所在。[3]針對學校的石化特點，筆者首選化工檢測問題，其次是生產、生活問題，全面介紹傳感器、檢測技術，并將更多的學時用于介紹現代檢測方法和以化工為背景的系統實例，更貼近于工程實際。[4]
虛擬儀器[5]是一種計算機技術介入儀器領域所形成的富有生命力的儀器，將之應用于檢測，可以實現對現場實時、在線、靈活、方便的檢測，節省用戶的開發時間，提高測量的精度。同時通過對不同傳感器信號的采集，A/D轉換，分析并采用虛擬儀器使檢測系統構成簡便實用，人機界面采用LabVIEW的編程語言讓學生容易掌握且富有個性，學生在學習過程中充分體驗到了檢測和過程控制的樂趣，是對傳感與檢測課程知識的擴展與延伸，虛擬儀器使學生更深入地了解課程的理論及應用，同時也讓學生對虛擬儀器和實現虛擬儀器測量功能的基本原理有更深入的認識。
實驗采用由CSY2000系列傳感器與檢測技術實驗臺、數據采集模塊與LabVIEW開發軟件及PC機構成一個完整的虛擬儀器系統。CSY系列實驗平臺是用于提供各種傳感器、信號激勵源、處理電路；數據采集卡采集各類電量信號并傳輸給PC機，通過開發軟件編程組成各類不同的檢測系統如圖1所示。
實驗過程中，學生依據被控對象自行選擇傳感器，對所有來自傳感器檢測到的或者直接由信號發生器產生的各種信號，經過預處理，由數據采集卡輸入通道完成數據采集，采用LabVIEW進行程序設計，對所采集到的數據進行數據處理，實現信號的存儲、顯示等功能，這個過程讓學生完整地體會到過程檢測基本原理和方法。[6]使學生從信號的發生、采集、處理、顯示中得到訓練，真正使學生的計算機能力、設計能力、工程實踐能力等綜合能力得到強化和提高。
2.教學具體實施
由于傳感器與檢測課程都是實踐性很強的課程，因此在教學上教師以工程實踐中最通用的測量案例和課堂實驗為主線，采用項目教學，將教學目標濃縮在項目中，以實際工程項目為對象，對項目進行分解，讓學生圍繞項目各個方面進行討論。學生在討論過程中發現問題，分析問題最后解決問題，這樣完成了項目也就實現了教學目標。項目教學導向由五個基本步驟構成。
（1）項目描述。項目要有明確的目標，才能讓學生切身感受到學以致用的快樂，因此學生首先了解生產實際是項目教學的第一步，進而才能得到實用的適合的項目主題，如在化工生產過程中，經常需要檢測和控制反應釜中液體的溫度，使之能夠穩定在一定的范圍內，才能得出可靠的試驗數據或是合格產品。同樣壓力監控應用也非常廣泛，如鍋爐蒸汽與水的壓力監控，煉油廠減壓蒸餾的真空壓力監測等等，而隨著工業水平的不斷提高和國家對環保的日益重視，對有毒、有害氣體的監測也成為需要。根據這些工程應用，培養學生對項目的文獻檢索能力。通過生產調研、文獻檢索來撰寫調研報告，確定設計任務及思路，同時培養學生撰寫科技論文的能力。本項目以反應釜中液體的溫度檢測為項目背景，說明整個項目驅動教學在課程中的具體實施。
（2）項目要求。根據項目任務設定項目要求。在“反應釜液體溫度檢測”這一項目中要求學生了解溫度測量的原理，掌握熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的原理、種類、結構與應用，重點掌握熱電偶的基本定理、基本類型、溫度補償方法及使用熱電偶測溫的方法，掌握熱電阻內部引線方式及其適用場合，熱敏電阻的電阻-溫度特性，并會使用分度表，學會設計測量轉換電路，并能根據項目任務，以組或個人為單位，讓其在規定時間內完成項目任務。
（3）項目分析及設計。項目任務確定后，教師不急于講解，先讓學生分析討論，提出其中隱含的知識點。學生在教師的引導啟發下理解掌握新知識，并運用其解決相關項目問題。在檢測反應釜中液體溫度這一項目中，溫度傳感器的選擇是一大重點。因為在石油、化工、冶金等領域，有相當多的重要工藝是在高溫、高壓和強腐蝕環境中實施的，因此對于傳感器的選擇，同樣也必須具有耐高溫、高壓及抗腐蝕的特點。這些都需要學生分析了解。其次，還需要讓學生解決以下問題：1）根據信號給傳感器選用調理電路；2）根據傳感器設計運放、模數/數模轉換及選用專用芯片設計檢測電路；3）設計單片機與溫度傳感器接口電路并完成相應軟件設計等。整個設計過程讓學生掌握檢測系統各部分的功能及其特性。
項目在實驗臺上完成試驗調試。采用模塊化結構的CSY-2000實驗平臺，利用傳感器和相應實驗模塊開展實驗。再引入虛擬儀器開發軟件LabVIEW，完成數據采集、處理、顯示、查詢程序設計，實現虛擬儀器開發。
（4）項目完成。整個項目[7]框架為：被測信號傳感器信號處理板數據采集卡 PC/LabVIEW。在分析完每一步驟后，每組學生各自通過不同設計完成項目。項目完成流程：首先繪制電路原理圖，并根據需要列出元件儀器設備清單。其次學生自行選擇元器件組建實驗平臺，完成系統的整體設計及調試，再通過采用LabVIEW完成虛擬儀器功能。項目中LabVIEW采用串口通信方式，在LabVIEW平臺下采用標準的輸入輸出應用程序接口VISA處理串口，同時設計前面板，如圖2所示，實現數據采集及顯示，執行程序可在屏幕上看到當前溫度的動態采樣值和圖表顯示及最高溫度、最低溫度、平均溫度顯示。并可實現溫度上限報警功能同時還可將采樣數據保存到用戶指定文件中。整個項目使學生從設計到實現、從局部到系統、從硬件連接到軟件設計得到多方面的訓練，既拓寬了知識面又提高了綜合能力。
教師分階段及時跟進，促其達到預期目標。最后，完成項目報告，報告內容應包括：設計方案、設計步驟等方面的總結性闡述；還應有對原始數據的記錄、處理及分析。整個實驗過程拓展了實驗內容，鍛煉了學生的動手能力，拓寬了知識面，提高學生實驗的主動性和積極性。
（5）項目評估及考核。項目完成后，教師首先要求學生結合項目進行自我評估，由每組學生分別介紹項目實施的具體任務、目標、方法以及收獲和體會。教師的評估除了考核項目成果外，還要指出學生項目整個過程中存在的問題及解決的方法，重點分析項目相對應的知識點掌握情況，[8]并總結、比較各組的特點，重在考核學生在學習過程中的積極性和主動性，包括與人合作的能力等，引導學生積極參與項目學習，掌握好基本技能。在評定學生成績時注重鼓勵學生的創新思想，及時表揚新思想、新創意、新方案，培養學生的創新能力，實現教與學最佳的統一。
三、結束語
在實際教學中，這種基于項目驅動模式下“傳感器技術”與“檢測技術”課程整合已經在逐步應用，借助虛擬儀器技術進一步豐富了教學內容，淡化了理論教學，強化了實驗教學及應用，這些改進使學生更透徹地掌握了理論知識，極大地擴展了課程知識，開闊學生視野，同時增強他們的動手、創新、交流和組織的能力，真正培養了技能，提高了綜合素質和學生參加課外科技活動的興趣和信心。測控2007級至2009級學生中超過30%的學生參加了課外創新實踐活動，包括積極參加校級電子科技大賽、省級電子設計大賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽等等，例如結合當前的物聯網、無線傳感器網絡等研究熱點完成環境監測、智能家居等等，并獲得很好的獎項?？梢?，課程改革已取得了初步的成效，當然，在實施過程中也遇到一些問題，例如設備資金不足、師資力量欠缺等等，還需不斷改進、完善、實踐，進一步全面提高學生的綜合能力。
參考文獻：
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[6]簡家文，朱雙東，謝建軍.虛擬儀器技術在傳感器檢測技術實驗教學中的應用[J].合肥工業大學學報（社會科學版），2009，23（5）：15-18.
虛擬儀器技術論文范文5
1.課程內容整合在課程內容中，傳感器課程選擇比較片面，較少考慮課程之間的自然銜接和相互配合，而檢測技術課程的眾多知識點與其他課程有復雜的聯系。教師在課程講授中，難免會出現有些內容重復講授，而有些內容在各門課程中都沒有深入闡述的情況，因此，將傳感器技術和檢測技術兩門課程的主要內容有機地整合為一門課程，整合后的課程從系統角度出發，以具體的檢測實例入手提出檢測問題，激發學生的學習興趣，并使學生認識到傳感器的重要性及意義所在。[3]針對學校的石化特點，筆者首選化工檢測問題，其次是生產、生活問題，全面介紹傳感器、檢測技術，并將更多的學時用于介紹現代檢測方法和以化工為背景的系統實例，更貼近于工程實際。[4]虛擬儀器[5]是一種計算機技術介入儀器領域所形成的富有生命力的儀器，將之應用于檢測，可以實現對現場實時、在線、靈活、方便的檢測，節省用戶的開發時間，提高測量的精度。同時通過對不同傳感器信號的采集，A/D轉換，分析并采用虛擬儀器使檢測系統構成簡便實用，人機界面采用LabVIEW的編程語言讓學生容易掌握且富有個性，學生在學習過程中充分體驗到了檢測和過程控制的樂趣，是對傳感與檢測課程知識的擴展與延伸，虛擬儀器使學生更深入地了解課程的理論及應用，同時也讓學生對虛擬儀器和實現虛擬儀器測量功能的基本原理有更深入的認識。實驗采用由CSY2000系列傳感器與檢測技術實驗臺、數據采集模塊與LabVIEW開發軟件及PC機構成一個完整的虛擬儀器系統。CSY系列實驗平臺是用于提供各種傳感器、信號激勵源、處理電路；數據采集卡采集各類電量信號并傳輸給PC機，通過開發軟件編程組成各類不同的檢測系統如圖1所示。實驗過程中，學生依據被控對象自行選擇傳感器，對所有來自傳感器檢測到的或者直接由信號發生器產生的各種信號，經過預處理，由數據采集卡輸入通道完成數據采集，采用LabVIEW進行程序設計，對所采集到的數據進行數據處理，實現信號的存儲、顯示等功能，這個過程讓學生完整地體會到過程檢測基本原理和方法。[6]使學生從信號的發生、采集、處理、顯示中得到訓練，真正使學生的計算機能力、設計能力、工程實踐能力等綜合能力得到強化和提高。2.教學具體實施由于傳感器與檢測課程都是實踐性很強的課程，因此在教學上教師以工程實踐中最通用的測量案例和課堂實驗為主線，采用項目教學，將教學目標濃縮在項目中，以實際工程項目為對象，對項目進行分解，讓學生圍繞項目各個方面進行討論。學生在討論過程中發現問題，分析問題最后解決問題，這樣完成了項目也就實現了教學目標。項目教學導向由五個基本步驟構成。（1）項目描述。項目要有明確的目標，才能讓學生切身感受到學以致用的快樂，因此學生首先了解生產實際是項目教學的第一步，進而才能得到實用的適合的項目主題，如在化工生產過程中，經常需要檢測和控制反應釜中液體的溫度，使之能夠穩定在一定的范圍內，才能得出可靠的試驗數據或是合格產品。同樣壓力監控應用也非常廣泛，如鍋爐蒸汽與水的壓力監控，煉油廠減壓蒸餾的真空壓力監測等等，而隨著工業水平的不斷提高和國家對環保的日益重視，對有毒、有害氣體的監測也成為需要。根據這些工程應用，培養學生對項目的文獻檢索能力。通過生產調研、文獻檢索來撰寫調研報告，確定設計任務及思路，同時培養學生撰寫科技論文的能力。本項目以反應釜中液體的溫度檢測為項目背景，說明整個項目驅動教學在課程中的具體實施。（2）項目要求。根據項目任務設定項目要求。在“反應釜液體溫度檢測”這一項目中要求學生了解溫度測量的原理，掌握熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的原理、種類、結構與應用，重點掌握熱電偶的基本定理、基本類型、溫度補償方法及使用熱電偶測溫的方法，掌握熱電阻內部引線方式及其適用場合，熱敏電阻的電阻-溫度特性，并會使用分度表，學會設計測量轉換電路，并能根據項目任務，以組或個人為單位，讓其在規定時間內完成項目任務。（3）項目分析及設計。項目任務確定后，教師不急于講解，先讓學生分析討論，提出其中隱含的知識點。學生在教師的引導啟發下理解掌握新知識，并運用其解決相關項目問題。在檢測反應釜中液體溫度這一項目中，溫度傳感器的選擇是一大重點。因為在石油、化工、冶金等領域，有相當多的重要工藝是在高溫、高壓和強腐蝕環境中實施的，因此對于傳感器的選擇，同樣也必須具有耐高溫、高壓及抗腐蝕的特點。這些都需要學生分析了解。其次，還需要讓學生解決以下問題：1）根據信號給傳感器選用調理電路；2）根據傳感器設計運放、模數/數模轉換及選用專用芯片設計檢測電路；3）設計單片機與溫度傳感器接口電路并完成相應軟件設計等。整個設計過程讓學生掌握檢測系統各部分的功能及其特性。項目在實驗臺上完成試驗調試。采用模塊化結構的CSY-2000實驗平臺，利用傳感器和相應實驗模塊開展實驗。再引入虛擬儀器開發軟件LabVIEW，完成數據采集、處理、顯示、查詢程序設計，實現虛擬儀器開發。（4）項目完成。整個項目[7]框架為：被測信號傳感器信號處理板數據采集卡PC/LabVIEW。在分析完每一步驟后，每組學生各自通過不同設計完成項目。項目完成流程：首先繪制電路原理圖，并根據需要列出元件儀器設備清單。其次學生自行選擇元器件組建實驗平臺，完成系統的整體設計及調試，再通過采用LabVIEW完成虛擬儀器功能。項目中LabVIEW采用串口通信方式，在LabVIEW平臺下采用標準的輸入輸出應用程序接口VISA處理串口，同時設計前面板，如圖2所示，實現數據采集及顯示，執行程序可在屏幕上看到當前溫度的動態采樣值和圖表顯示及最高溫度、最低溫度、平均溫度顯示。并可實現溫度上限報警功能同時還可將采樣數據保存到用戶指定文件中。整個項目使學生從設計到實現、從局部到系統、從硬件連接到軟件設計得到多方面的訓練，既拓寬了知識面又提高了綜合能力。教師分階段及時跟進，促其達到預期目標。最后，完成項目報告，報告內容應包括：設計方案、設計步驟等方面的總結性闡述；還應有對原始數據的記錄、處理及分析。整個實驗過程拓展了實驗內容，鍛煉了學生的動手能力，拓寬了知識面，提高學生實驗的主動性和積極性。（5）項目評估及考核。項目完成后，教師首先要求學生結合項目進行自我評估，由每組學生分別介紹項目實施的具體任務、目標、方法以及收獲和體會。教師的評估除了考核項目成果外，還要指出學生項目整個過程中存在的問題及解決的方法，重點分析項目相對應的知識點掌握情況，[8]并總結、比較各組的特點，重在考核學生在學習過程中的積極性和主動性，包括與人合作的能力等，引導學生積極參與項目學習，掌握好基本技能。在評定學生成績時注重鼓勵學生的創新思想，及時表揚新思想、新創意、新方案，培養學生的創新能力，實現教與學最佳的統一。
在實際教學中，這種基于項目驅動模式下“傳感器技術”與“檢測技術”課程整合已經在逐步應用，借助虛擬儀器技術進一步豐富了教學內容，淡化了理論教學，強化了實驗教學及應用，這些改進使學生更透徹地掌握了理論知識，極大地擴展了課程知識，開闊學生視野，同時增強他們的動手、創新、交流和組織的能力，真正培養了技能，提高了綜合素質和學生參加課外科技活動的興趣和信心。測控2007級至2009級學生中超過30%的學生參加了課外創新實踐活動，包括積極參加校級電子科技大賽、省級電子設計大賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽等等，例如結合當前的物聯網、無線傳感器網絡等研究熱點完成環境監測、智能家居等等，并獲得很好的獎項?？梢?，課程改革已取得了初步的成效，當然，在實施過程中也遇到一些問題，例如設備資金不足、師資力量欠缺等等，還需不斷改進、完善、實踐，進一步全面提高學生的綜合能力。
本文作者：徐小玲劉美工作單位：廣東石油化工學院
虛擬儀器技術論文范文6
【關鍵詞】通信原理；虛擬儀器；教學平臺；LabVIEW；教學改革
【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009―8097（2009）06―0107―04
一 通信原理課程的地位及教學特點
當今世界已進入了飛速發展的信息時代，通信技術與傳感技術、計算機技術緊密結合，成為21世紀國際社會和世界經濟發展的強大推動力。培養滿足社會需要的通信專業人才成為高等院校通信工程專業教學改革的重點問題。通信原理是通信工程專業的一門重要專業基礎課程，也是一門專業標志性課程，是以概率論與數理統計、電路、模擬電子線路、信號與系統、隨機信號分析等課程為先修課的專業基礎課，為后續專業課程奠定基礎，在專業課程設置中起著承上起下的關鍵作用，占有重要的教學地位。課程所包含的內容是通信工程專業本科生的知識結構中必須具備的重要部分，為學生形成通信專業的理論體系與技術思想 發揮著重要作用，對于專業建設等教學研究工作有著重要的支持作用[1]。
課程的教學特點是：（1）基本概念和基本原理都很抽象，數學公式和理論推導相對較多，數學基礎要求高，理論性比較強，是信號理論和系統理論的延伸和推廣，教材偏重數學分析，對通信原理的物理過程講述不夠，學生感覺枯燥難懂，難以引起學習興趣。（2）內容較多，涉及的知識面寬。隨機信號的分析是全書的基礎，模擬調制、數字調制、信源編碼和信道編解碼、數字基帶系統、數字系統的最佳接收等在課程中都非常重要，需要一系列先修課程的支持，學生知識儲備不足。（3）教師在講課中不僅要使同學扎實掌握各個基本知識點，而且要將通信系統的各部分內容有機串聯起來，使學生掌握各個知識點和整個通信系統的關系，如何在有限的學時內完成教學任務也是一個難題。總之，本課程教與學的難度都很大[2][3]。
二 課程教學改革的現狀、難點及對策
在高等院校中，針對通信原理課程的特點，進行了廣泛的課程教學改革，取得了很多優秀成果，如省級、國家級精品課、優秀教學成果獎。目前本課程教學改革的主要優秀成果如下：
（1） 采用綜合實驗箱。將每箱一個實驗的傳統實驗箱改變為可做多個實驗的模塊化綜合實驗箱，提高了性價比，增加了實驗項目。
（2） 將仿真軟件應用于通信原理實驗，豐富實驗內容。目前通信系統的仿真主要分為軟件仿真和硬件仿真。軟件仿真是依據通信原理實現通信系統的虛擬仿真； 主要有MATLAB/Simulink、SystemView等；硬件仿真是從系統的硬件實現的角度仿真實際電路，主要有EWB/Multisim、PSpice、Protel、QuartusⅡ、ADS等[4]。
（3） 采用現代教育手段。采用幻燈片、多媒體課件、網絡等現代化教學手段和一些仿真軟件等搭建網絡通信原理教學平臺，共享教學資源，學生能夠通過網絡進行理論學習并可進行網上仿真實驗等，教學內容更加豐富生動，便捷的網絡溝通手段和互動的網絡平臺打破了傳統教學模式的時空限制，擴大了學生的自學空間，提供了交互式、開放式、自主式的新學習模式[5]。
從當前教學改革成果來說，綜合實驗箱、軟件仿真實驗、建立網絡教學系統等豐富的教學形式取得了很好的效果，非常值得學習和借鑒。但也存在下列突出的熱點、難點問題：
（1） 綜合實驗箱仍存在一些不足。沒能克服硬件驗證性實驗固有的動手多、動腦少的缺點；實驗數目增加了，但由于通信原理課程內容較多以及硬件的制約，綜合實驗箱不可能全部覆蓋理論教學內容，仍然存在盲區。
（2） 基于MATLAB/Simulink、SystemView等平臺提供的通信模塊都是封裝好的，模塊的內部結構看不到，通信原理課程講授的恰恰是內部的具體實現，是要求學生掌握的主要內容，因此只能進行系統級仿真，不能進行波形級仿真，沒能從根本上脫離驗證性實驗的模式。
（3） 以MATLAB/Simulink、SystemView等為代表的軟件仿真是虛擬的、原理級仿真，沒有相應的硬件支持，不能硬件實現。以EWB/Multisim、PSpice、ADS等為代表的硬件仿真，從系統的硬件實現角度仿真實際電路。這兩類仿真各自獨立進行，兩者之間缺乏聯系和銜接，使學生感覺理論和實際之間有距離。沒有既能實現原理級的仿真，又可作為硬件實現的通信平臺將理論和實際銜接起來。
（4） 網絡課堂的電子資源有待進一步完善。在電子教案中，有些含有Flash制作的動畫，幫助學生理解原理，但Flas也只停留在演示結果的層面上，不是真的通信系統。以 MATLAB/Simulink、SystemView等軟件仿真只能進行系統級仿真。
為解決上述教學改革中突出的熱點、難點問題，在多年的教學中不斷摸索積累，結合通信系統構成具有模塊化的特點，采用虛擬儀器開發工具LabVIEW開 發了通信原理教學平臺。
三 虛擬儀器通信原理教學平臺的組成和特點
LabVIEW是圖形化編程環境，它的最大優點是直觀易學，編程效率高，在開發各種儀器及虛擬電路方面有其獨到之處。LabVIEW不僅僅是一種編程語言，更是一種高度交互式的開發環境，用來快速設計原型和進行應用程序的漸進式開發，從測量、 自動化到實時嵌入式系統，再到通用場合。LabVIEW具有對FPGA編程下載的能力，具有數據采集卡驅動程序，所以LabVIEW也是一個硬件設計工具。其計算、分析、顯示功能，豐富的信號分析和處理方面的庫函數以及軟、硬兼備特性非常適合通信系統的設計與分析[6]。
但LabVIEW的商用通信軟件包提供的通信模塊都是封裝好的，內部結構看不到，這一點與MATLAB/Simulink、System View等仿真語言的語句類似。通信原理課程要學習的恰恰是內部的具體實現，要使LabVIEW應用于通信原理教學中必需花大力氣自主開發通信軟件包。為解決此難題，在我校實驗技術基金的支持下進行了教改立項，項目組成員分工合作，結合通信原理的教學，針對各種基本通信系統的各種調制方式和編碼方式，編寫出了具有自主知識產權的虛擬儀器通信原理教學平臺。
平臺的硬件系統由計算機、連接外部的端口、數據采集卡、射頻卡等構成，在LabVIEW軟件控制下可完全模擬和替代傳統的儀器。射頻前端+A/D+計算機=一臺接收機，計算機+ D/ A +射頻輸出=一臺發射機。因此，平臺不僅是一個用于教學演示的仿真軟件，同時也是硬件實現方式的一種，與傳統硬件不同的是采用了 較先進的軟件無線電理論，在此平臺上，只需改變軟件程序，就可以構成不同的通信系統。
平臺的軟件部分包括：模擬通信系統、數字基帶系統、數字頻帶傳輸系統、模擬信號的數字傳輸、數字信號最佳接收系統、信道編碼器、信源編碼器、碼分復用系統，涵蓋了通信原理課程的主要內容。每個通信系統的軟件部分都由兩部分組成：（1）各種調制方式和編解碼方式的可供調用的通信模塊，給出了模塊的內部實現。（2）調用模塊構成了基礎通信系統和綜合通信系統。平臺功能完善、內容豐富、形式新穎、模塊化設計符合通信系統的方框圖特點，將通信系統如動畫般展示，使通信系統的設計像搭積木一樣有趣，枯澀難懂的通信理論變得形象生動，學生愛學、易學，充分調動學生的學習積極性，提高學生學習興趣，解決了理論教學難題。
四 虛擬儀器通信原理教學平臺程序舉例
圖1為虛擬儀器通信原理教學平臺進入界面。點擊“系統概述”和“系統組成” ，可初步了解該系統。點擊“系統選擇” 進入圖1。再點擊各個系統，可進入相應系統。點擊“STOP”或“返回” 鍵，返回上一界面。如點擊“模擬信號的數字傳輸” ，進入圖2“模擬信號的數字傳輸”進入界面。在圖2中點擊“PCM脈沖編碼調制” 進入圖3“PCM脈沖編碼調制” 前面板。在圖3中點擊“波形選擇” 的上下鍵來選擇多種輸入信號，可以改變輸入信號的頻率、振幅等，可觀察各種輸入信號下的抽樣值、映射值、每個映射值對應的PCM編碼、信道中的PCM波形、譯碼輸出波形等，會看到譯碼輸出波形隨著輸入信號的變化而變化，從而驗證了系統設計的正確性。
在LabVIEW環境下，可在前面板的標題欄中選“窗口--顯示程序框圖” 進入后面板，后面板為LabVIEW的框圖化程序，前、后面板中的輸入、輸出控件是一一對應的，在后面板中可以看到前面板的功能是如何具體編程實現的。
圖4為“PCM脈沖編碼調制” 后面板，可清楚地展示PCM系統的詳細工作過程：發送端抽樣、映射、編碼后送入信道，接收端反映射、PCM譯碼、恢復原信號。其中“映射”、“PCM編碼” 等是作者編寫的模塊化子程序，雙擊程序模塊，可進入子程序的前、后面板，如“PCM編碼” 模塊 ，是一個包含若干子程序的逐次比較（類似砝碼稱重物）編碼程序，如圖5“PCM編碼子程序” 后面板所示，PCM編碼中極性碼、段落碼、段內碼的復雜編碼過程被清晰地展現。
五 結束語
虛擬儀器通信原理教學平臺涵蓋了通信原理課程的主要內容，提供了可供調用的通信模塊，既給出了模塊的內部實現，又調用這些模塊構成了各種基礎通信系統和綜合通信系統，該平臺具有的特點如下：
（1） 平臺形式新穎，模塊化設計符合通信系統的方框圖特點，非常適合通信原理課程的教學，將通信系統如動畫般展示，使通信系統的設計像搭積木一樣有趣，枯澀難懂的理論變得形象生動，學生愛學、易學，充分調動學生的學習積極性，提高學生學習興趣，解決了理論教學難題。
（2） 平臺功能完善，內容豐富，平臺涵蓋通信原理課程的全部主要內容，實現了課程教學內容的無盲區全方位覆蓋，彌補實驗箱覆蓋面有限的不足。
（3） 平臺通過系統運行結果及每一步具體實現過程的詳盡解析，使學生真正學懂理論，改變了驗證性實驗中學生動手多，動腦少，只知其然，不知其所以然的被動局面，彌補了實驗箱等驗證性實驗的不足。
（4） 平臺能實現通信系統的波形級及系統級仿真，而且生動形象、寓教于樂，嵌入到網絡課堂上，網絡課堂內容更加完善，使交互、開放、自主的網絡學習模式發揮更大的作用。
（5） 本通信平臺，不僅僅是一個用于教學演示的仿真軟件，同時也是軟件無線電方式的一種硬件實現，在此
平臺上，只需改變軟件程序，就可以構成不同的通信系統，實現了原理級的軟件仿真與硬件實現的銜接，縮小了理論和實際之間的距離。
（6） 平臺中設計了可供調用的模塊化通信軟件包，為基礎實驗、課程設計、畢業設計各實踐教學環節提供了新的平臺和手段。
總之，虛擬儀器通信原理教學平臺的創立為高校通信原理課程的教學提供了新的途徑，為課程的理論教學、實驗、課程設計、畢業設計和科研提供支持，具有廣泛的應用前景。平臺的軟件部分在遼寧省第九屆教育軟件大賽高等教育本科組的壹百多名獲獎者中名列第一。配套著作《通信系統仿真設計及應用》詳細介紹了平臺的全部內容，將由電子工業出版社近期出版發行。平臺的演示版可由遼寧教育網優秀教育軟件展免費下載，希望能對相關教師和學生有所幫助。
參考文獻
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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)
