硕士论文-基于LabVIEW的虚拟应用物理实验室的设计与实现.pdf

合肥工业大学 硕士学位论文 基于LabVIEW的虚拟应用物理实验室的设计与实现 姓名：徐玓 申请学位级别：硕士 专业：课程与教学理论 指导教师：高峰 20071101 基于L a b V I E W 的虚拟应用物理实验室的设计与实现 摘要 虚拟仪器作为现代仪器的一个主要发展方向，在测量和控制方面都有无以 伦比的强大功能和灵活性，如今它作为传统仪器的主要替代方式，在科学研究 和工业生产中得到广泛的应用。 物理实验室是院校教学体系的重要组成部分，在培养学生科学素质、实验 技能和创新能力方面具有不可替代的作用。高起点、高标准的建设物理实验室， 为教学和科研提供坚实的基础，对提高院校办学水平和教学质量有十分重要的 意义。现代科学技术日新月异，这要求物理实验要不断引入新的实验方法，建 立新的教学模式。 本课题尝试将虚拟仪器技术引入传统的应用物理实验室。利用虚拟仪器技 术进行物理实验，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，改变长期以来实验技术跟不上新 技术的局面，同时培养学生掌握现代科学技术的能力和动手能力，增强了学生 的创新能力，提高了学生的综合素质。 本文首先分析了将虚拟仪器技术引入物理实验室的意义，接着对虚拟仪器 的硬件系统、软件系统及开发平台进行了介绍，然后以N I 公司的L a b V I E W8 2 0 E x p r e s s 为平台，基于U S B ，6 0 0 9 数据采集卡，开发出一系列虚拟仪器，如：函 数信号发生器、双通道虚拟示波器、相位检测器等实验仪器。利用虚拟相位差 计对光学纤维中光速的测定实验进行了重新设计。设计了基于虚拟仪器技术的 减振实验系统，该实验系统的分析部分充分利用L a b V I E W 数据处理能力有效 地实现了对两自由度振动和动力减振的观测和分析。最后本文对对虚拟仪器技 术和物理实验的结合存在的问题进行了总结。 关键词：物理实验，虚拟仪器，L a b V I E W ，实验教学模式，实验室建设 课题来源：安徽省教育厅教改项目：基于W E B 的远程教育与教学模式研究( 项目 编号：1 0 8 0 3 3 0 2 2 ) I V T h eD e s i g na n dR e a l i z a t i o no f V i r t u a lA p p l i e d P h y s i c s L a b o r a t o r yB a s e dO nL a b V I E W A b s t r a c t A sm a i n s t r e a mi nm o d e mi n s t r u m e n t s v i r t u a li n s t r u m e n th a se x h i b i t e dp o w e r f u l f u n c t i o na n df l e x i b i l i t yi nm e a s u r g m e n t sa n dc o n t r o la p p l i c a t i o n s T od a t e i th a sb e e n a p p l i e di ns c i e n t i f i Cr e s e a r c ha n di n d u s t r ya st h es u b s t i t u t eo f t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s P h y s i c a ll a bi si m p o r t a n tc o m p o n e n to ft e a c h i n gs y s t e mi nc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s a n dp l a y st h ek e yr o l ei nt r a i n i n gt h es t u d e n t s s c i e n t i f i cc h a r a c t e r s ，e x p e r i m e n t a ls k i l l sa n d c r e a t i v ec a p a b i l i t i e s E s t a b l i s h i n gt h eh i g hl e v e lp h ) 7 s i c a ll a bb u i l d ss o l i db a s ef o rt e a c h i n g a n dr e s e a r c ha n di sv e r ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v ee d u c a t i o nq u a l i t ya sw e l l W i t ht h e e v e r - c h a n g i n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i ti sn e c e s s a r yf o rp h y s i c a le x p e r i m e n t st oi n t r o d u c e t h en e we x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n db u i l dt h en e w t e a c h i n gm o d e l s T h i sp r o j e c th a se s t a b l i s h e dt h ee x a m p l et oi n t r o d u c et h ev i I t u a li n s t r a n a e n tt e c h n i q u e i n t ot r a d i t i o n a lp r a c t i c a lp h y s i c a ll a b U s i n gv i r t u a li n s t m m e n t si nt h eP h y s i c a le x p e r i m e n t s w i l lh e 岫t or e f o r i nt r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ，t a k ef u l la d v a n t a g eo fi n t e m e t r e s o u r c ef o rw e b s i t ee x p e r i m e n t s ，a n dd e s i g nt h en e we x p e r i m e n t ss u i t a b l et ot h eC O u r s e s w h i c hC a nc h a n g et h es i t u a t i o nt h a tt h ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ec a n n o tc a t c hu pt h er a p i d l y d e v e l o p i n gt e c h n o l o g y T h ev i r t u a lp h y s i c a ll a bC a nt r a i nt h es t u d e n t s a b i l i t yt om a s t e rt h e s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lk n o w l e d g ea n de x p e r i m e n t a ls k i l l 。s t r e n g t h e nt h es t u d e n t s e r e a t i v i t ya n de v e n t u a l l yi m p r o v et h es t u d e n t s c o m p r e h e n s i v eq u a l i t y T h eP a o e rb e g i n sw i t ht h ea n a l y s i so f i m p o r t a n c eo f i n t r o d u c i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n t i nt h ep h y s i c a l1 a ba n df o l l o w e db yi n t r o d u c t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e ma n d d e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t T h e nb a s e do nL a b V I E W 8 2 0E x p r e s sf N I c o m p a n y ) p l a t f o r ma n dU S B 6 0 0 9d a t ac o l l e c t i o nc a r d ，as e r i e so fv i r t u a li n s t n n n e n t ss u c h a sf u n c t i o ns i g n a lg e n e r a t o r , d o u b l e c h a n n e lv i r t u a lo s c i l l o s c o p e ，p h a s ed e t e c t o r , e t c h a v e b e e nd e v e l o p e d T h ee x p e r i m e n to fl i g h ts p e e dm e a s u r e m e n ti nt h eo p t i c a lf i b e r sh a sb e e n r e d e s i g n e db yu s i n gv i r t u a lp h a s ed i f i e r e n c em e t e r T h ed a m p i n ge x p e r i m e n ts y s t e mb a s e d o nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t sh a sb e e nd e s i g n e d i nw h i c ht h ea n a l y s i sp a r te m c i e n t l yo b s e r v e a n da n a l y s e st h et w of r e e d o m sv i b r a t i o na n dd y n a m i cd a m p i n gb yu s i n gL a b V I E Wd a t a p r o c e s s i n ga b i l i t y I nt h ef i n a lp a r t ，t h ep r o b l e m si nt h ec o m b i n a t i o no ft h ev i r t u a l i u s t n m a e n tt e c h n i q u ea n dP h y s i c a le x p e r i m e n t sh a v e b e e ns u m m a r i z e d K e yw o r d s ：p h y s i c a le x p e r i m e n Lv i r t u a li n s t r u m e n t ，L a b V I E W , e x p e r i m e n t a lt e a c h i n g m o d e l ，l a b o r a t o r yc o n s t r u c t i o n T h i st o p i co r i g i n a t e sf r o mA n h u iP r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n te d u c a t i o n a lr e f o r m p r o j e c t ：R e s e a r c hA b o u tD i s t a n c eL e a r n i n gA n dE d u c a t i o n a lM o d e lB a s e d o nW E B ( P r o j e c ts e r i a ln u m b e r ：1 0 8 0 3 3 0 2 2 ) V 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图4 1 图4 2 图4 _ 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 插图清单 北京谱仪慢控制系统中两个子系统的主界面1 2 】2 虚拟仪器的内部功能划分7 虚拟仪器系统的构成8 L a b V I E W 这2 0 年的发展历程【”1 2 L a b V I E w8 2 0 启动界面1 2 二具模柱t 1 4 控制模板1 4 函数模板1 5 前面板编辑窗口及编辑工具1 5 流程图编辑窗口及编辑工具1 5 模拟信号和采样显示1 7 不同采样结果1 8 混频偏差1 8 差分测量系统2 1 参考地单端测量系统2 1 无参考地单端测量系统2 2 基于L a b V I E W 的数据采集系统2 3 U S B 6 0 0 9D A Q 数据采集卡2 5 D A Q 数据采集卡任务的配置2 6 输入端配置流程图的建立2 7 控制量p h y s i c a lc h a n n e l s 的建立2 8 采样率和采样数的建立2 8 D A Q 数据采集卡读取程序的流程图。2 9 虚拟信号发生器的程序框图3 0 波形发生模板3 1 B a s i cF u n c t i o nG e n e r a t o r v i 图$ i 3l F o r m u l aW a v e f o r m v i 图标3 2 u n i f n r mW h i t eN o i s eW a v e f o r m v i 图标3 2 L a b V I E W 结构控制k 3 3 虚拟信号发生器的流程图3 4 虚拟信号发生器的面板图3 4 虚拟信号发生器的测试3 5 示波器的原理框图3 5 虚拟示波器的功能框图3 7 仿真与实际信号采集程序框图3 7 双通道仿真信号子V I 前面板和流程图3 8 不同垂直灵敏度的波形图3 9 两帧连续的信号4 0 信号触发截取示意图4 0 触发并截取波形程序设计框图4 0 V I I l 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 5 图5 7 图5 8 图5 9 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 ，6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 l 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图6 1 8 图6 1 9 图6 2 0 触发检测子v I 图标4 l 触发并截取波形子v I 流程图4 l 不同扫描因数的波形图4 2 波形显示的程序框图4 3 波形显示子v I 的流程图4 4 波形测量予v l 4 4 波形存储程序框图4 6 波形存储模块前面板4 6 波形存储模块流程图4 6 数据加载模块前面板。4 6 数据加载模块流程图4 7 虚拟数字示波器的前面板。4 7 虚拟数字示波器的流程图一。4 8 测定光导纤维中光速实验装置的方框图。4 9 主机前面板图5 0 相位检测器前面板图5 0 测量系统联接图。5 l 虚拟相位检测仪程序流程框图5 3 C r o s s C o r r e l a t i o n v i 图标5 3 a r c o s 图标5 3 虚拟相位检测仪程序流程图5 3 虚拟相位检测仪程序面板图5 4 力学模型图5 5 无阻尼两自由度系统力学模型图。5 6 无阻尼动力消振器及力学模型5 8 主系统的幅频响应曲线5 9 z o 与“的关系曲线5 9 两自由度动力减振实验系统图及力学模型图6 0 两自由度动力减振实验系统系统构成图6 1 数据采集系统原理图6 2 系统软件框图6 3 本系统的主界面软面板模块设计“ 数字滤波和傅立叶变换子程序框图( 部分) 6 5 激振频率为2 0 H z 的两通道振动信号频谱图6 6 激振频率为2 0 H z 的两通道振动信号图6 6 激振频率为2 4 H z 时两通道振动信号频谱图6 6 激振频率为2 4 H Z 两通道振动信号图6 7 激振频率为2 8 H z 时两通道振动信号频谱图6 7 激振频率为2 8 H z 时两通道振动信号圈6 7 自相关函数及自功率谱图6 9 互相关及互功率谱密度图一7 0 自相关函数、互相关函数及功率谱子程序框图( 部分) 7 0 1 x 表格清单 表2 1 传统仪器与虚拟仪器的比较 表4 1 常用波形测量v I 表5 1 L a b V | E W 中常用的几种滤波器及其特点 X 7 4 5 6 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金月B 王些厶堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 r J ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期；2 唧年，z 月，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目B 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁王些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 谂约 签字日期：2 僻胆月汐日 学位论文作者毕业后去向：解放军蚌埠坦克学院 工作单位：解放军蚌埠坦克学院 通讯地址： 安徽蚌埠市解放军蚌埠坦克学院 I I I 导师签名： 高嘞 I 签字日期：名卿年Jz ，月，p 日 V 电话：0 5 5 2 4 6 7 8 5 5 1 邮编：2 3 3 0 1 3 致谢 首先要感谢我的导师高峰老师，由衷感谢在我的硕士学习期间导师在学业上的指 导和鼓励，生活上的关心和帮助。高老师严谨严格的科学研究态度、积极工作的敬业 精神、敏锐的知识洞察力和敏捷的思维给我很大激励和启迪，使我受益匪浅。 特别感谢理学院的何晓雄院长对我的关心和帮助，感谢邓铁如教授、邓小玖教授、 罗乐副教授、梅忠义副教授、马利平副教授、吴本科副教授等老师的指导和帮助。 感谢袁润、赵永礼、朱辉同学，他们给予了作者许多无私帮助和精心指点。在课 题开展的每一阶段，都记忆下我们的苦和乐。 感谢万宝礼、张晶、郑明春、杨娟、韩从梅、宋倩、毛小丽、孔文、宋玲玲等同 学，同处一个实验室将是我一生中难忘的时光。 感谢我的室友陈安顺同学，是你使宿舍总是有热水。 同时我还要感谢王勇、王东、李怀龙、符晓四、王星烁、王朝群、候秀芳、王钰、 李珊珊等同学给予的关心和帮助。 特别感谢父母的养育之恩，对我多年来默默的始终如一的支持。感谢我的妻子孙 雪芹和即将出世的宝宝。 最后感谢每一个支持我进步的、给予我关心的、在此没有提到的长辈、老师和朋 友。 V I 作者：徐约 2 0 0 7 年1 1 月 第一章导论 1 1 引言 物理实验室是院校教学体系的重要组成部分，在培养学生科学素质、实验 技能和创新能力方面具有不可替代的作用。高起点、高标准的建设物理实验室， 为教学和科研提供坚实的基础，对提高院校办学水平和教学质量有十分重要的 意义。现代科学技术日新月异，这要求物理实验要不断引入新的实验方法，建 立新的教学模式。 虚拟仪器作为现代仪器的一个主要发展方向，在测量和控制方面都有无以 伦比的强大功能和灵活性，如今它作为传统仪器的主要替代方式，在科学研究 和工业生产中得到广泛的应用。让在校学生认识虚拟仪器知识，掌握一定虚拟 仪器测量技能，成为当前工科院校教学的一项任务。为了这个目的，我们尝试 着将虚拟仪器技术引入应用物理实验室。 1 2虚拟仪器技术 虚拟仪器( V i r t u a l l n s t r u m e n t s ，简称v 1 ) 的概念最早由美国国家仪器公司( N I ) 提出来的，它以透明的方式把计算机资源( 如微处理器、内存、显示器等) 和仪 器硬件( 5 0A D 、D A 、数字I 0 、定时器、信号调理等) 的测量、控制能力结合 在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。这样 用户便可以通过友好的图形界面( 通常叫做虚拟前面板) 操作这台计算机，就象 在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。由于V I 的模块化、开 放性、灵活性以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便地 由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。 虚拟仪器从功能上划分，可以分为数据采集、数据分析和结果显示三大功 能模块；从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成 的；从构成方式讲，则有以D A Q 板和信号调理为仪器硬件而组成的P C D A Q 测试系统，以G P I B 、V X I 、S e r i a l 和F i e l d b u s 等标准总线仪器为硬件组成的G P I B 系统、V X I 系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种V I 系统都 是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式P C 或工作站等各种计算机平台加上应 用软件而构成的。 虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处在于应用的灵活性和功能的可重构性 上。在虚拟仪器中，硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出，软件才是整个仪 器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、 增减仪器系统的功能与规模。虚拟仪器克服了传统仪器的功能在制造时就被限 定而不能变动的缺陷，摆脱了由传统硬件构成一件仪器再连接成系统的模式， 为用户提供了一个充分发挥自己的才能和想象力的空间。 1 3 虚拟仪器引入物理实验室的意义 1 3 1 虚拟仪器技术是现代测量技术的一个重要发展方向 虚拟仪器是g O 年代末出现的新的仪器概念，它是计算机技术、测量仪器技 术和软件技术的高速发展共同孕育出的一项革命性新技术。虚拟仪器的出现， 彻底改变了传统的仪器观，开辟了测量测试技术的新纪元。虚拟仪器现在已经 广泛应用于电子测量、振动分析、声学分板、故障诊断、航天航空、电力工程、 机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方 面。 1 3 2 虚拟仪器适合物理学的研究 物理学的研究对象很丰富，会涉及到光、电、温度、压强等众多类型的物 理量，对信号分析的要求也较高，传统的定制仪器常常不能满足要求。虚拟仪 器技术在物理学的研究大有用武之地。 在美国L a w r e n e e L i v e r m o r e 国家实验室，一个花费2 0 0 0 万美金的极为复杂 的飞秒激光切割系统就是基于L a b V I E W 开发的。该系统中，4 台W i n d o w sN T 工作站用网络连接起来，L a b V I E W 用来给激光提供测量、控制和自动定序，同 时作为半熟练操作者的高层用户界面。北京正负电子对撞机二期工程北京谱仪 慢控制系统中，大约有3 0 种物理量共7 0 0 0 多点的现场数据点需要实时采集控 制和分析记录等。该系统由8 台计算机与两台服务器组成。8 台计算机不间断 地采集来自于十几种硬件设备的数据，并将其分析、汇总和本地显示。两台服 务器实现数据的存储和网络发布，以供科学家们随时随地获得或控制探测器的 状态。该大型分布式监控系统的上层软件完全基于L a b V I E W 及其D S C 模块实 现，共创建了约3 0 0 个v I 。图1 1 是其中两个子系统的主界面。【2 1 图1 1北京谱仪慢控制系统中两个子系统的主界面【2 】 1 3 3 虚拟仪器能提高实验教学效果 虚拟仪器在基础实验教学中最简单的应用就是代替常规的仪器，如函数发 生器、示波器、万用表等。但是虚拟仪器不仅仅有常规仪器的功能，而且凭着 其计算机平台，在实验现象的观察和数据的记录存储等方面提供更多的便利。 比如在电学实验中，信号发生器是许多实验中必备的设备，虚拟信号发生器不 仅能产生正弦波、方波、三角波等常用信号，还可以产生锯齿波、对数波、梯 形波、随机信号等波形，频率、幅度、占空比都能调节，这就满足了一些实验 的特殊要求。而用虚拟示波器，不仅具有常规示波器的功能，还可同时显示、 记录、存储测量实验电路对激励信号的响应和打印多通道输入的波形，对存储 的曲线可通过“回放”功能显示在屏幕上，“回放”速度可调，“回放”过程可暂停 波形扫描，以便能更清楚地观察波形的变化，所存储的曲线可以在任描何时间 打印输出，学生可以及时进行数据处理，观察和分析，从而提高了学生的实验 兴趣、实验效果和效率。而对于某些综合性实验，由于数据采集点多，信号分 析任务重，实验现象短暂，采用虚拟仪器来完成实验已经成为唯一的选择。【3 】 1 3 4 虚拟仪器便于开展设计性实验 传统的实验室的实验器材为定制的，只能具有固定的功能。实验室常常只 能应付学生按教学大纲要求做一些最简单的验证实验，学生很少有机会去反复 熟悉常用仪器仪表的使用，更很少有机会做设计性实验，这对调动学生积极性， 培养创新精神，加强实际动手能力都十分不利。虚拟仪器的出现很好的解决了 这个问题，在虚拟仪器系统中，用计算机灵活强大的软件代替传统仪器的某些 部件，用人的智力资源代替许多物质资源，通过组软件和硬件，形成既有普 通仪器的基本功能，又有一般仪器所不具备的特殊功能的新型仪器。学生在实 验过程中可以更多的器材选用空间，可以修改仪器的参数，甚至可以自行设计 仪器。从而充分发挥学生的主动性和创造力。1 4 1 【5 1 1 3 5 虚拟仪器便于建设虚拟实验室和网上教学 目前，在许多院校中，一方面，由于实验室场地和课时的限制，学生只能 在固定的有限时间内使用实验室的仪器设备，对些常用仪器如示波器、信号 发生器等使用并不熟练。比如在普通物理实验中已经开设了两个学时的“示波 器的使用”实验，但在下一学期的近代物理实验中，有几个实验也需要用到 示波器，学生却表示几乎完全忘记了使用方法。另一方面，学生拥有个人电脑 的比例大大增加，并且在宿舍就可利用网络资源。虚拟仪器设计开发软件( 如 L a b V I E W ) 不仅提供了功能强大的高级数学分析库以完成测量，而且充分考虑 了网络应用，很容易实现虚拟仪器的网上发布和虚拟实验室。利用这些技术， 将虚拟仪器网络互连，将拥有仿真面板的虚拟仪器在网上实验室主页上共享， 学生可以不受任何限制地使用虚拟仪器，便于学生实验谋后复习，也可让学生 在相关实验课前先在网上操作虚拟仪器，全面了解和掌握仪器的使用方法和操 作要点，为实际使用真实的实验仪器设备打下较好的基础。这样，既可减少仪 器设备的损坏，又可提高实验教学质量与效果。【4 J 5 1 1 4 国内外研究情况 随着计算机技术、仪器技术、软件技术的迅速发展，虚拟仪器技术的研究 有了很大的进展。目前，国内外都对虚拟仪器实验室展开了研究，如剑桥大学、 斯坦福大学、新加坡国立大学、清华大学等都已开展了虚拟仪器实验室方面的 研究，并取得了一定的进展。北方交通大学将自己研制的虚拟仪器用于教学实 践，N I 已与华中科技大学电子科学与工程系合作建立了虚拟仪器实验室，都收 到了良好的效果。美国L i k n s t u m e t 仪器公司推出了虚拟数字存储示波器、频谱 分析仪及波形发生器。东方振动和噪声技术研究所与北京英雄维卡科技有限公 司联合卡法了“虚拟仪器与移动实验室”。四川翼龙公司研制了“Y L S J A 型电 子技术虚拟仪器实验教学系统”。所有这些表明，虚拟仪器实验室在基础实验课 程中的优势，正逐步为高校所认识，并逐步用虚拟仪器实验室补充和取代传统 实验室。 通过对国内外发展现状的分析，我们发现，如果购买现成的虚拟仪器实验 产品，虽然简单方便，但是存在以下不足： ( 1 ) 价格高。 ( 2 ) 由于实验电路和虚拟仪器都由厂家“固化”生产，电路联机都已接好， 而厂家不会向用户提供全面开放的软件平台，也不会向用户提交关键技术，很 难在此基础上进行后续开发，不利于实验的更新。学生只能进行简单的验证性 实验，不利于学生动手能力的培养，也不利于综合性实验的开发。 ( 3 ) 现成的虚拟仪器的设计不符合应用物理实验室的需要。应用物理实验室 某些测量尤其特殊性，而且为了教学实验的需要对虚拟仪器有特殊的要求。此 外某些现成的虚拟仪器开发的过于复杂不便于实验使用。 1 5 本论文的研究内容、拟解决的关键闯题及创新之处 一、研究内容和拟解决的关键问题 本课题重点研究将虚拟仪器技术应用到应用物理实验室，利用虚拟仪器代 替传统的定制仪器，并以此为基础进一步探讨新的教学模式。具体实现： ( 1 ) 虚拟信号发生器 信号发生器是许多实验中必备的设备，设计完成的虚拟信号发生器不仅能 产生正弦波、方波、三角波等常用信号，还可以参生锯齿波、随机信号波形， 频率、幅度、占空比都能调节，并可以人为添加噪声。 ( 2 ) 虚拟双踪示波器 示波器也是许多实验中要用到的设备，利用虚拟仪器技术实现的示波器不 仅显示波形，在测量过程中还可以对信号进行滤波、时域分析、频域分析，以 及对波形进行存储和读取。 ( 3 ) 光学纤维光速的实验测定 把用传统仪器完成的光学纤维中光速实验中用到的实验主机和相位检测器 虚拟化。 ( 4 ) 基于虚拟仪器技术的减振实验系统 4 振动是工程实际中普遍存在的一种现象，故振动分析已成为各项工程技术 研究与设计必不可少的环节。此实验系统的分析充分利用L a b v I E w 数据处理 能力有效地实现了对两自由度振动和动力减振的观测和分析。 二、本论文的创新之处 本论文的创新之处在于： ( 1 ) 将现代测量技术引入传统的应用物理实验室，利用虚拟仪器技术进行物 理实验，将有助于改革传统的实验教学，改变长期以来实验技术跟不上新技术 的局面，同时培养学生掌握现代科学技术的能力和动手能力，增强了学生的创 新能力，提高了学生的综合素质。 ( 2 ) 利用虚拟仪器技术设计了多个物理实验仪器，如：函数信号发生器、双 通道虚拟示波器、相位检测器等实验仪器及两自由度振动和动力减振实验系统。 ( 3 ) 分析了将虚拟仪器技术应用到物理实验室的可能性和必要性及意义，对 虚拟仪器条件下物理实验的模式进行了探讨。 第二章虚拟仪器技术及L a b V I E W 2 1虚拟仪器的概念、特点及构成 2 1 。l 引言 现代科技的进步以计算机的进步为代表，不断创新的计算机技术，正以不 可逆转之势从各个方面影响着各行各业的技术进步，今天的测控仪器行业同样 经历着一场翻天覆地的变革【l 】。 一方面，计算机的进步为新型测控仪器的产生奠定了现实基础，主要表现 在：微处理器和D S P ( D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s i n g ) 技术的快速进步以及其性能价格 比的不断上升，促进了测控仪器的数字化和智能化，大大改变了传统电子行业 的设计思想和设计观念，原来许多由硬件完成的功能，今天能够用软件来实现； 面向对象技术、可视化程序开发语言在软件领域为更多易于使用、功能强大的 软件开发提供了可能性。 另一方面，传统的测控仪器越来越满足不了科技进步的需要，主要表现在： 现代测控要求仪器不仅仅能单独测量到某个量，而更希望它们能实现测量过程 自动化、智能化，测量功能多样化，能够互相通信，实现信息共享，从而完成 对被测各系统的综合分析、评估，得出准确的判断。对于复杂的被测系统，面 对各个厂家的测试设备，使用者需要的知识很多，这样的仪器不仅使用频率和 利用率很低，而且硬件存在冗余。 鉴于上述原因，将计算机技术与测量控制技术相结合的新型测控仪器一“虚 拟仪器”就应运而生了。虚拟仪器的出现和广泛使用对测控仪器产生了较为深 刻的影响，不仅解决了许多传统仪表不能或不易解决的问题，而且简化了仪表 电路，提高了仪器的可靠性，降低了仪器的成本，加快了新产品的开发速度。 2 1 2 虚拟仪器的概念川 虚拟仪器( V i r t u a lI n s t r u m e n t ) 是在通用计算机上添加一层软件和或必要的 仪器硬件模块，使用户操作这台通用计算机就象操作一台自己专门设计的传统 仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。虚 拟仪器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，是一种高 档低价的新型仪器。 与传统仪器一样，虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显 示结果三大功能块( 如图2 1 所示) 。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬 件测试能力相结合，实现仪器功能的运作。 6 插入式D A Q 卡 信号处理网络传输 G P I B 仪器数字滤波硬复制 v x I 仪器统计文件I O R S 一2 3 2分析图形用户接口 采集处理数据分析 结果表达 图2 1虚拟仪器的内部功能划分 应用程序将可选硬件( 如G P I B 、V X I 、R S 2 3 2 、D A Q ) 和可重复使用的源码 库函数等软件结合起来，实现模块间的通信、定时与触发，源码库函数为用户 构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户测试要求变化时，可 以方便的由用户来增减硬件模块，或重新配置现有系统以满足系统的测试要求。 所以虚拟仪器是由用户自己定义，自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完 成系统功能所需附件，而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上所 达不到的。 2 1 3 虚拟仪器的特点 与传统仪器相比，虚拟仪器自身不带有任何仪器面板，而是利用P C 计算机 强大的图形环境和在线帮助功能建立中( 英) 文界面的虚拟仪器面板，完成对仪 器的控制、数据采集、数据分析与显示功能，它改变了传统仪器的使用方法， 提高了仪器的功能和使用效率，大幅度降低了仪器的价格。虚拟仪器与传统仪 器的比较如表2 1 所示。 表2 1 传统仪器与虚拟仪器的比较 传统仪器 虚拟仪器 仪器厂商定义用户自己定义 硬件是关键 软件是关键 仪器功能、模式固定系统功能，规模可以通过软件修 封闭的系统，与其他设备连接受 改，增减 限基于计算机的开发系统，可方便地 同外设、网络及其它应用连接 价格昂贵价格低，可重复使用 技术更新慢( 周期为5 1 0 年)技术更新快( 周期为1 2 年) 开发和维护费用高软件结构化大大节省了开发和维 护费用 从表2 1 中可见，虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处在于应用的灵活性和 功能的可重构性上。在虚拟仪器中，硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出， 软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法， 很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模。虚拟仪器克服了传统仪器的功能 在制造时就被限定而不能变动的缺陷，摆脱了由传统硬件构成一件仪器再连接 7 成系统的模式，为用户提供了一个充分发挥自己的才能和想象力的空间。 2 1 4 虚拟仪器的构成1 1 1 从构成要素上讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。 从构成方式上讲，则有以D A Q 板和信号调理部分为硬件方式组成的P C D A Q 测试系统，以G P I B 、V X I 、串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件组成的 G P I B 系统、V X I 系统、串行总线系统、现场总线系统等。虚拟仪器系统的构成 如图2 2 所示。无论哪一种虚拟仪器，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台 式计算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。因而虚拟 仪器的发展已经与计算机技术的发展完全同步。 U 目互盟娶r r _ 1 塾堡丕墨工r 测 砷P 1 1 3 接口仪器m 哪接口卡| - 控 对 l 甲1JL | 队自，f L Lr 7静c 机测试软件 象 爵虿万i 五 、 7 匕全! 坠翌1 1 畹场总缱( F i e I d h m ) 设备 图2 2虚拟仪器系统的构成 2 2 虚拟仪器的演化与发展趋势 2 2 1 虚拟仪器的演化【6 l 电子测量仪器经历了由模拟、带G P I B 接口的智能仪器到全部可编程虚拟仪 器的发展历程，其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力的。由于计算机 技术特别是计算机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在V X I 和P X I 两个领域 中得到了快速发展，它们将成为未来仪器行业的两大主流产品。 给定计算机运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键 在于应用软件。基于软件在虚拟仪器中的作用，美国国家仪器( N I ) 公司提出了 “软件即仪器”( T h es o f t w a r e i s t h e i n s t