（机械电子工程专业论文）虚拟仪器及其在中职《电子技术》课程实验教学中的应用研究.pdf

虚拟仪器及其在中职电子技术课程 实验教学中的应用研究 摘要 中等职业学校电工及电子类课程中电工基础、电工学、电 子技术等课程均为实践性较强的专业技术基础课。实验是一种重要 的教学手段，通过实验，学生可以加深对所学知识的理解，增强学习 的兴趣，提高能力，然而目前各级学校的电子技术实验室，滞后的实 验设备和死板的实验模式制约了实验教学的发展和人才培养质量的 提高，改革传统的实验教学势在必行。 采用虚拟仪器技术是解决这一问题的途径之一。虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计 算机强大功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与p c 机结合 起来融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同， 又充分享用了p c 机智能资源的全新的仪器系统。 本文首先介绍了中等职业学校电子仪器设备现状，分析了本课题 的研究意义，然后从硬件和软件两部分概述了虚拟仪器的总体组成方 案及软件专用开发平台l a b v i e w 。在此基础上，以模块化的设计思路 提出了基于u 1 8 多功能数据采集卡的虚拟示波器的设计方案。文中重 点研究开发了适合中职教学特点的虚拟示波器，给出了各模块的具体 的设计方法，包括：数据采集模块、数据处理模块、波形存储和回放 模块、波形显示控制模块等。最后将虚拟示波器应用于中职电子电工 的实验教学，收到了良好的教育教学效果。 关键词：中等职业教育，电子技术，实验教学，虚拟仪器，l a b v l e w 。 数字示波器 浙江丁业人学硕j j 论文 v i r t u a li n s t r u m e n ta n di t sa p p l i e dr e s e a r c hi nt h ee o u r s e o f e x p e r i m e n t a r yt e a c h i n gf o rt h ee l e c t r o n i c sc u r r i c u l u mi n s e l o n d a r yv o c a t i o n a ls c h o o l a b s t r a c n 地e l e c t r i c i a na n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yr e l m e dc o u i s c si nm i d d l ev o c a t i o n a l s c h o o l ，s u c ha s “e l e e t r i c i a nf u n d a m e n t a l ”，“e l e c t r o t e e h n i c s a n d “e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , h a v ea c o m m o nc h a r a c t e r i s t i ct h a tt h e ya l lr e q u i r e sh a n d s - o np r a c t i c eo f s t u d e n t s t ot h i se n d ，t h el a bi sa l li m p o r t a n tm e t h o d , w h i c hc o u l dh e l pt h es t u d e n tg e t d e e p e ru n d e r s t a n d i n go ft h ek n o w l e d g e l e a r n tf r o mt h et e x tb ) o ki n c r e a s et h e i r l e v e lo fi n t e r e s t st ol e a r n 越w e l la sd e v e l o pt h e i rh a n d a - o ns k i l l h o w e v e r , t h e a d v a n c eo fl a b - b a s e dt e a c h i n gt e c h n i q u ea sw e l la st h er e s u l t e de d u c a t i o nq u a l i t yi s l a r g e l yh i n d e r e db yt h eo u t - o f - d a t el a be q u i p m e n t sm a de x p e r i m e n tm e t h o d o l o g y c o m m o n l yf o u n di nt h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yl a b so f t o d a y ss c h o o l s t h e r e f o r e i ti s am u s tt oi n n o v a t et h et r a d i t i o n a ll a b - b a s e dt e a c h i n gm e t h o d o l o g y 1 1 1 es o - c a l l e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi so r eo ft h es o l u t i o n st ot h i si s s u e v i r t u a li n s t r u m e n ti sap c b a s e ds y s t e m ，w h i c hu s e ss o t h v a r em o d u l e sr u n n i n go nt h e p ct o i m p l e m e n tm a n ys p e c i a l i z e df u n c t i o n a l i t y o ft r a d i t i o n a ln o n p cb a s e d i n s t r u m e n t s i t sf u n c t i o na n dl o o k a n d f e e la r cs i m i l a rt ot h o s et r a d i t i o n a ln o n p c b a s e di n s t r u m e n t s h o w e v e r , i ti sm u c hm o r ei n t e l l i g e n ta n dm o r ep o w e r f u lt h a n t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s n i i st h e s i sp a p e rf i r s tg i v e sa ni n t r o d u c t i o no f t h ec u r r e n ts t a t n so f t h ee l e c t r o n i c l a bi n s t r u m e n t sf o u n di nm i d d l ev o c a t i o n a ls c h o o l sa n dd r a w st h ei m p o r t a n c eo ft h e r e s e a r c ho ft h i st h e s i s i tt h e nd e s c d b e st h eo v e r a l lh a r d w a r ea r e h i t e c t u r eo ft h e v i r t u a li n s t n l m e n ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ed e v e l o p m e n tf r a m e w o r k ，l a b v i e w , f o rv i r t u a li n s t r u m e n t i nn e x t ，au i 8m u l t i f u n c t i o n a ld a t ac a p t u r ec a r db a s e d m o d u l a r i z e dv i r t u a l o s c i l l o g r a p h s o l u t i o ni s p r o p o s e d m o d u l a r i z e d v i r t i | a l o s c i l l o g r a p h s o l u t i o ni ss t u d i e da n dd e v e l o p e di nd e t a i l ，w h i c hi sf i tf o rt h e d i c c m t c t e r i c sf o rv o c a t i o n a lt e a c h i n g 1 1 忙d e t a i l e dd e s i g no fe a c hm o d u l e sa r ef u r t h e r e l a b o r a t e d ，i n c l u d i n gt h ed a t ac a p t u r em o d e l ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，w a v ef o r m s t o r a g ea n dp l a y b a c km o d u l e ，w a v e f o r md i s p l a yc o n t r o lm o d u l e ，e t e f i n a l l y , t h i s 1 1 1 浙江工业大学硕士论文 p a p e ri l l u s w a t e dt h ea d v a n t a g eb yu s i n gt h ep r o p o s e dv i r t u a lo s c i l l o g r a p hi nt h e e l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c i a nl a b sf o rm i d d l ev o c a t i o n a ls c h o o l s k e y w o d s ： m i d d l ev o c a t i o n a le d u c a t i o n ，e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , l a b b a s e d t e a c h i n g ，v t r t u a li n s t r u m e n tl a b v i e w , d i g i t a lo s c i l l o g r a p h i v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明本人承担本声明的法律责任。 作者签名：一十免日期：知嘧7 年f 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本文授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：了j ) 、免日期：抛7 年月) ，7 日 新懿：删嗍印年；胡节 c 船忾 灏江丁业大学颈士论盅 第一章概述 本文所研究的虚拟仪器实验教学系统是在中职学校电电工及子类专业对实 验要求逐步提高，而传统仪器相对的中职实验教学已严重滞后的背景下，利用美 国n i 公司的虚拟仪器开发平台l a b v i 明自行设计开发的虚拟仪器实验教学 系统。它可用于信号的采集、分析、存储和读取，以及电工、电子、自动控制等 课程的实验教学。本文的课题背景知识包括：虚拟仪器技术、l a b v i e w 软件开发 平台等。 1 1 课题背景 本文所开发的虚拟仪器是在计算机技术、电子测量技术、信号处理技术、自 动控制技术高速发展，而传统仪器卜的中职实验教学已严重滞后于信息时代和工 程实际需要的背景下，利用美国n i 公司的虚拟仪器开发平台一l a b v i e w 自行设 计开发的虚拟示波器。它可用于信号的采集、分析、存储和读取，以及电工、电 子、自动控制等课程的实验教学。本文的课题背景知识包括：虚拟仪器技术、 l a b v i e w 软件开发平台等。 i i 1 中职电子电工实验教学的现状 我们对温州地区的十余所中职电子电工实验教学内容和实验设备进行了考 察调研。调研中发现目前中职电子电工实验教学仍然沿用着传统的实验教学方法 【“，主要表现在以下几个方面： 实验设备重复建设，沉积较多。 实验设备层次不齐，大部分设备落后于课程建设的需要。 实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，每个学生的实验内容千篇一 律，将学生的思维限定在一个狭窄的范围内，缺乏对学生刨新意识的培养和综合 能力的提高。 滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，实验 教学处于应试教育。 浙江工业大学硕士论文 这些在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。究其原 因，不能不说在科技迅猛发展的今天，以教育有限的投入无法满足实验设备价格 昂贵、更新速度快的要求，是其最根本的原因。这就要求从事实验教学研究的工 作者，开发能够满足现代实验教学要求、物美价廉的实验教学仪器，以提高实验 教学水平，培养高素质的适应时代要求的合格人才。本文正是在这种背景下进行 的。 1 1 2 虚拟仪器在教学上的运用前景 随着低成本高性能的计算机资源普及运用，数字化测量平台逐渐成为测量仪 器的基础。在2 0 世纪8 0 年代末美国研制成功虚拟仪器，代表了仪器发展的一种新 方向。虚拟仪器是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式，它 通常是由个人计算机、模块化的功能硬件与用于致据分析、过程通信及图形用户 界面的应用软件有机结合构成，使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化测 量平台。它利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，完成对数据的处理、表达、传 送、存储、显示等功斛”运用虚拟仪器技术，以微机为基础，构建集成化测试 平台，代替常规化仪器仪表，不但满足电工、电子实验教学的需要，而且可将这 批微机作为其它有关计算机课程教学用机，大大提高设备利用率实现资源共享， 降低实验建设成本，同时虚拟仪器的引入，确立了实际操作与计算机仿真相结合 的实验教学方式。 虚拟仪器的关键技术是应用软件，仪器的主要功能多是由软件来体现的，正 所谓“软件即仪器【l 】”。通过虚拟仪器的软件开发平台，如n i 美国国家仪器公司 的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 编程设计环境。使用者无需软件专业背景，在短时 间培训后即可根据图标用鼠标自行编程设计测量仪器和测量程序。由于它提供了 大量虚拟仪器面板设计用的输入输出控件以及用于数据采集、仪器通信与控制系 统、建立网络和数据分析等的程序库，其编程效果是常规编程方法效率的几十倍。 由于虚拟仪器具有的许多优势，且价格不断下降，在工业、农业、通信和科 学研究等众多方面得到了广泛的应用。如果我们不局限于将虚拟仪器仅仅当作测 量分析仪器，从更多方面分析虚拟仪器及虚拟仪器技术的话，可以发现，虚拟仪 器系统及技术在学校教育特别是在计算机辅助教学方面可以发挥更多的作用。 2 浙扛1 = 业人学预i ：论文 中等职业学校，教学、科研需要大量的测量分析仪器设备，特别是实验教学， 每种仪器都必须配置多套，而且有的仪器设备价格昂贵，因此仪器设备所需投资 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。如果运用虚拟仪器系统，情况就大不一样了。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。 实验教学是中职电子电工专业必须进行的一项教学活动。掌握测量仪器和设备的 操作使用方法是每个学生进行科学实验的基本前提。传统的教学方法是让学生在 教师的指导下进行实际的操作使用，随之而来的问题是教师的工作量很大而很难 对所有学生进行指导，既影响教学效果又容易造成仪器损坏运用c a i 教学软件 辅助实验教学，能较好克服存在的部分困难。但是，由于电子技术实验教学方面 的c a i 软件还很少，而且功能不强，交互性、操作性和界面的真实程度较差，适 应范围窄，在一定程度上限制了教师和学生使用的积极性 如果用虚拟仪器开发平台如l a b v i e w l a b w i n d o w s 开发各种不带相关功能硬 件的“虚拟仪器”( 真正的虚拟仪器是由计算机、软件、功能硬件组成的，为了 与之区分，故用引号) ，不但简单易行，且交互性、可操作性和真实感与实际的 虚拟仪器基本相同。由它们组成一个个虚拟实验室，让学生先在虚拟实验室通过 对“虚拟仪器”的模拟操作使用，全面了解和掌握各种虚拟仪器的使用方法和操 作要点，为实际使用虚拟仪器设备和传统的实验仪器设备打下较好的基础，既可 降低教师的劳动强度，减少仪器设备的损坏，又可以提高实验教学质量与效果呻1 。 以仪器的学习与使用的实验教学为例，根据实际使用的虚拟仪器设备，将各种虚 拟仪器及工作原理、操作使用方法设计成独立的教学模块，共同组建一个基于网 络的虚拟实验室。 将虚拟仪器技术和计算机模拟仿真技术通过数据交换共享结合起来建成虚 拟仿真实验室，对一些科学现象和规律进行仿真实验，能够代替部分实际实验项 目供教师和学生进行教学与研究。学生利用计算机模拟仿真软件对实验进行模拟 仿真，仿真的结果通过虚拟仪器系统进行观察、分析、处理。由于仿真软件和虚 拟仪器均具有人机交互能力，这样在这个虚拟的交互式仿真世界，给人创造一种 近乎进行真实实验的感觉。以电子技术教学为例利用电路系统设计仿真软件如 p s p i c e , s y s t e m v i e w 等能够完成与电子技术相关专业的多数电路与系统仿真实验。 当对电子电路或系统进行仿真时，如需要运用虚拟仪器进行分析，虚拟仪器通过 3 浙江工业大学硕士论文 数据接口接收需要处理显示的数据，进行实时的分析处理、并生动直观地显示出 数据、波形、图像和分析处理的结果，如学生对结果不满意，可以修改电路或调 整电路参数，很快就能得到新的结果。 虚拟仪器技术与i n t e r n e t 技术结合可在远程教育中发挥作用。利用i n t e r n e t 资 源和技术如a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ，动态服务器主页) 、s o c k e t 套接字等，将 i n t e r n e t 与虚拟仪器结合起来，可以为远程教育中实验教学这一公认的难题提供一 种全新的解决方案。一是将t n t e r n e t 与上述的虚拟仿真实验室组成一个基于w e b 的虚拟实验室，使远端的学员可以不受地域、时间的限制，通过i n t e r n e t 利用浏览 器在自己的计算机上进行各种虚拟实验，学习掌握各种虚拟仪器的工作原理及操 作使用方法。二是将实际的虚拟仪器与i n t e r n e t 结合组成远程虚拟仪器系统，将 中心实验室的虚拟仪器和远端学员计算机上的“虚拟仪器，i 恿过i n t e m e t 联系起来， 建成网络实验系统【矧。这种方式由于只需传送小量的数据与文本，完全能在现有 的网络条件下进行，从而为远程教育如电大、网校解决实验教学难的问题提供一 种全新的解决方案。 1 2 研究意义 传统仪器下的中职实验教学，己严重滞后于信息时代和工程实际的需要。其 根本原因在于实验教学内容依附于课程设立，基本处于割裂状态，仪器设备不可 能实现资源共享，在科学技术以摩尔定律发展的今天。学校不可能支付巨额的仪 器设备更新资金。而且，现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自 动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器 正可以实现这些要求。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下优点： 1 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能： 2 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由生产厂家定义 好的： 3 仪器性能的改进和功能的扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要购 买新的仪器： 4 研制周期较传统仪器大为缩短，且成本低廉； 5 虚拟仪器具有开放性和灵活性，可与计算机同步发展，与网络及其它周边 4 浙江t 业大学顾i 论文 设备互联。 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强 劲。虚拟仪器赖以生存的p c 计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟 仪器的发展奠定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。据统 计，1 9 9 5 年我国进口电子测量仪器7 3 5 万台，价值3 2 亿美元。据专家预测，到本 世纪初我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器发达国家虽然在此领域比我国起步较 早，但差距并不是很大，我们应当充分把握时机，取长补短，学习国外先进经验， 将我国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢。 l a b v i e w 作为虚拟仪器开发系统的杰出代表，在我国由于引进的时间不长，了 解和熟悉它的人还不多，还远远没有被认识和推广应用。本文就l a b v i e w 在开发 虚拟仪器过程中的应用做初步的探讨，愿其中成功的经验、失败的教训对于应用 此软件的读者来说能够有所帮助。 1 3 研究的内容 本文主要阐述如何在l a b v i e w 环境下开发虚拟实验教学系统中的各个虚拟仪 器，以及利用该教学系统进行工科基础理论课程的实验教学 第一章，简要介绍了虚拟仪器研究的背景和意义以及本文所作的主要工作。 第二章叙述了近年来在仪器测试领域内出现的新型仪器虚拟仪器的组 成、功能及特点，同时简要介绍了虚拟仪器近几年国内外研究现状与前景。 第三章介绍了用于虚拟仪器开发的集成软件包l a b v i e w 开发平台简介的特 点 第四章详细叙述了基于l a b v i e w 虚拟示波器的开发过程，仪器的主要功能及 特点，各软件功能模块的设计与实现和 第五章简要介绍了作者开发的虚拟仪器在中等职业学校电工基础、电子 技术基础等课程的实验教学中的应用。 第六章，对论文进行了简单总结，提出了存在的问题和今后努力的方向。 5 浙江工业丈学硕士论文 第二章虚拟仪器简介 2 1 电子测量仪器的发展 电子测量仪器是电子行业必不可少的工具。电子技术的发展往往是和测量仪 器技术并驾齐驱的。电子技术的发展促进了测量仪器和技术的进步，反之。测量 仪器技术的发展往往能更进一步的推动电子技术的更新变革。电子测量仪器发展 至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器“1 。 第一代：模拟仪器，目前这类仪器的应用已经比较少见了，但在某些实验室 仍能看到，如指针式万用表、晶体管电压表等等。这类仪器是最早的测量仪器， 它的特点是电路较简单，但精度不够高。 第二代：数字仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。 这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出结果。适用 于快速响应和较高准确度的测量。 第三代：智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定 的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全 部都以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，用户不能更改。相对虚拟仪器而言，无 论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 第四代：虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产 物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展的一个重要方向。 2 2 什么是虚拟仪器 在个人计算机技术出现之前，工程技术人员使用传统仪器进行数据采集和处 理，或者依赖于某些高端传统仪器自身所具有的功能，或者使用手工进行数据 处理。个人电脑技术出现之后，人们开始考虑使用电脑来处理传统仪器所得到的 数据。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，是美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p 简称n i ) 于1 9 8 6 年提出的。虚拟仪器是由计算机硬 件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成 的测控系统；是一种由计算机操纵的模块化仪器系统，它不但可以完成传统仪器 6 新江丁：业大学硕士论文 的功能甚至可以代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、 频谱分析仪等等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系 统嘲。 。虚拟”二字主要包含两个方面的含义： 第一，虚拟仅器的面板是虚拟的。 虚拟仪器上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种控件所完成的功能是相 同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断”；被测信 号的“输入通道”、。放大倍数”等参数设置；测量结果的“数值显示”、“波 形显示”等等。 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”、“触摸”来进行 操作的；而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的“图标”，“通”、“断”、 。放大”等操作，对应着相应的控件程序。这些软件已经设计好了，用户不必设 计，只需选用代表该种软件程序的图形“控件”即可，由计算机的鼠标点击来对 其进行操作。因此，设计虚拟面板的过程就是利用虚拟仪器的软件开发工具，尤 其是图形化编程语言l a b v l e w ，在短时间内就可以轻松完成一个美观而又实用的 “虚拟仪器前面板”的设计整个设计过程轻松而有趣0 3 。 第二，虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。 在以p c 机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实现仪器的测 量功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能，因 此有在硬件平台确定后“软件就是仪器”“1 的说法，它体现了测试技术与计算机 深层次的结合。 虚拟仪器代表着从以传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统 的根本性转变。以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机或工作平台的 计算、显示和互联网等诸多用于提高工作效率的强大功能。虽然p c 机和集成电路 技术在过去的2 0 年里有显著的发展和提高，但是，软件才是在功能强大的硬件基 础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。新的以软件为中心的虚拟仪器系统为用 户提供了创薪技术并大幅度降低了生产成本。有了虚拟仪器，工程师和科学家就 可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定( 完全由 厂家提供) 的传统仪器的限制。 虚拟仪器技术经过十几年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬 7 浙江工业大学硕士论文 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进步，虚拟仪器技术 在发达国家的推广应用已十分普及。在国内，近几年来也陆续出现了利用虚拟仪 器实现检测、控制等功能的例子。虚拟仪器系统已成为仪器领域的一个基本方法， 是技术进步的必然结果。目前虚拟仪器主要在以下几个方面得到应用“1 ： ( 1 ) 虚拟仪器在测量方面的应用 虚拟仪器系统开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展，将之应用在测量 方面可以提高精确度，降低成本，并大大节省用户的开发时间，因此已经在测量 领域得到广泛的应用。 ( 2 ) 虚拟仪器在监控方面的应用 用虚拟仪器系统可以随时采集和记录从传感器传来的数据，并对之进行统 计、数字滤波、频域分析等处理，从而实现监控功能。当前， 各种传感器正朝 着快速响应、小型化和经济化发展，这种发展趋势引起了微电子传感器的发展。 ( 3 ) 虚拟仪器在检测方面的应用 在实验室中，利用虚拟仪器开发工具开发的专用虚拟仪器系统，可以把一台 个人计算机变成一组检测仪器，用于数据图像采集、控制与模拟等等。 ( 4 ) 虚拟仪器在教育方面的应用 现在，随着虚拟仪器系统的广泛应用，越来越多的教学部门也开始用它来建 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，使得教学方法也更加灵活了 ( 5 ) 虚拟仪器在电信方面的应用 由于虚拟仪器具有灵活的图形用户接口，强大的检测功能和网络通信功能， 同时又能与g p i b 和v x i 等仪器兼容，因此很多工程师和研究人员都把它用于电信 检测和场测试方面。 此外虚拟仪器还在其他很多领域，包括航空、汽车、生物医学等方面得到广 泛应用。从交通监控系统到大学实验室，从部件自动测试到工业过程控制，虚拟 仪器应用的例子不胜枚举，相信在未来虚拟仪器将得到更多的发展，应用范围也 将越来越广。 8 浙江工业大学硕士论文 2 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的特点可归纳为： ( 1 ) 通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器硬件来完成仪器功能，也 就是说软件才是虚拟仪器技术的核心。 ( 2 ) 仪器功能是由用户根据需要由软件定义而不是事先由厂家定义的，用 户可以根据自己的需要随意更改。 ( 3 ) 仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要 购买新的仪器。 ( 4 ) 研制周期较传统仪器大为缩短。由于软件的调试较之硬件的调试要简 单容易，因此虚拟仪器的设计周期和精力都大大减少。 ( 5 ) 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其他周边设 备互联。 决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪 器的关键是软件”“1 。 虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出优势。目前，我国高档台 式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加 工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破困难，而采用虚拟仪器技术，可以通 过只采购必要的通用仪器硬件设备来设计自己的高性能价格比的仪器系统。虚拟 仪器与传统仪器的比较如下表2 1 所示。 表2 1 虚拟仪器与传统仪器比较 传统仪器 虚拟仪器 功能由仪器厂商定义 功能由用户自己定义 与其它仪器设备的连接可方便的与网络外设 十分有限及多种仪器连接 图形界面小。人工读取数据。 界面图形化计算机直接 信息量小读取数据并分析处理 数据无法编辑数据可编辑、存储、打印 硬件是关键部分软什是关键部分 价格昂贵价格低廉仅是传统仪器的 五至十分之一 9 浙江工业大学硕士论文 系统封闭，功能固定、基于计算机技术开放的功能模块 可扩展性差 可构成多种仪器 技术更新馒技术更新快 开发和维护费用高基于软件体系的结构 可大大节省开发费用 2 4 虚拟仪器中的硬件系统 硬件是虚拟仪器工作的基础。它的主要功能是完成对被测信号的采集、调理、 传输和显示测量的结果。虚拟仪器的硬件主要是由计算机和信号采集调理部件 ( 或测控功能硬件) 组成的“1 。其中计算机包括微处理器、储存器和显示器等， 它主要用来提供实时高效的数据处理性能。而信号采集调理部件可以是g p i b 仪器 模块、v x i 仪器模块、p x i 仪器模块或数据采集卡等等，它主要用来采集、调理、 传输信号。 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算 机、工作站、嵌入式计算机等计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪 器的硬件基础。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方 面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展，也使得虚拟仪器系统获得了传统仪 器不可比拟的性能。 按照测控功能硬件也就是信号采集调理模块的不同，v i ( 即虚拟仪器) 可分 为g p i b 、v x i 、p x i 、d q 、串口通信等五种标准体系结构“1 。其实物连接示意图 如图2 - i 所示： 图2 - i 虚拟仪器的硬件体系结构实物示例图 浙江工业大学硕士论文 ( 1 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线，是计算机和仪器自j 的标准通讯协议。g p i b 的硬件规格和软件 协议已纳入国际工业标准一i e e e4 8 8 1 和i e e e4 8 8 2 。它是最早的仪器总线，目 前多数仪器都配置了遵循i e e e4 8 8 的g p i b 接口。典型的g p i b 测试系统包括一台计 算机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器。每台g p i b 仪器都有单独的地址，由计 算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件 作相应改动，这种概念已被应用于仪器的内部设计。在价格上，g p i b 仪器覆盖了 从比较便宜的到异常昂贵的仪器。但是g p i b 的数据传输速度一般低于5 0 0 k b s ， 不适合于对系统速度要求较高的应用。( 标准接口总线在2 0 m 距离内，若每2 m 等效 的标准负载相当于使用4 8 m a 的集电极开路式发送器，则最高工作速率是2 5 0 k b s ， 若采用三态门发送器，一般速率为5 0 0 k b s ，最高可达1 0 0 0 k b s ) ( 2 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 即e 总线在仪器领域的扩展，是1 9 8 7 年在v m e 总线、e u r o c a r d 标准( 机械结 构标准) 和i e e e4 8 8 等的基础上，由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线 标准。v x i 系统最多可包含2 5 6 个装置，主要由主机箱、0 槽控制器、具有多种 功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更 换，即插即用组成新系统。目前，国际上有两个v x i 总线组织。第一个是“v x i 联盟”，负责制定v x i 的硬件( 仪器级) 标准规范，包括机箱背板总线、电源分 布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性以及系 统资源管理和通讯规程等内容；第二个是“v x i 总线即插即用系统联盟( v x i p l u g & p l a y ，简称v p p ) ”，其宗旨是通过制订一系列v x i 的软件( 系统级) 标准来 提供一个开放性的系统结构，真j 下实现v x i 总线产品的“即插即用”。这两套标 准组成了v x i 标准体系，实现t v x i 的模块化、系列化、通用化以及v x i 仪器的互 换性和互操作性。v x l 的价格相对较高，适合于尖端的测试领域。 ( 3 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) p c i 在仪器领域的扩展，是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、模块化 仪器总线规范。其核心是c o m p a c t p c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o , s 软件。p x i 是在 p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。p x i 增加了用于多板同步的 触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速 通信的局部总线等，用来满足试验和测量用户的要求。p x i 兼容c o m p a c t p c i 机械 浙江工业大学硕士论文 规范，并增加了主动冷却、环境测试( 温度、湿度、振动和冲击试验) 等要求。 这样，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。 ( 4 ) d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集 指的是基于计算机标准总线( 如i s a 、p c i 、p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡。它 更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用d a q 可方便快速地组建基于计算机的仪器( c o m p u t e r b a s e di n s t r u m e n t s ) ，实现。 一机多型。和一机多用”。在性能上，随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混 叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展，d a q 的采样速率已达到1 g b s ，精度高达 2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结合数字i 0 ，模拟i o 、计数器定时器等通 道。仪器厂家生产了大量的d a q 功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、 串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等等。在p c 计算机上挂接若 干d a q 功能模块，配合相应的软件就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器。 ( 5 ) 串口( s e r i a lp o r tr s 一2 3 2 4 8 5 ) r s - - 2 3 2 总线是早期采用的通用串行总线，最初多用于数据通信上，但随着 工业测控行业的发展，许多测量设备都带有r s - 2 3 2 串口总线接口。将带有r s - 2 3 2 的总线接口的仪器作为i o 接口设备，通过r s - 2 3 2 串口总线与p c 机组成虚拟仪器 系统目前仍然是构成虚拟仪器的方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。与 g p i b 总线、v x i 总线、p x i 总线相比，它的接口简单，使用方便。当今，p c 机己更 多的采用t u s b 总线和i e e e1 3 9 4 总线，尤其是i e e e1 3 9 4 总线，它是一种高速串 行总线，由它构建的虚拟仪器系统的数据传输速率已经达到1 ( 综上所述，虚拟仪器系统的硬件体系结构如下图2 - 2 所示： 一图像采集| r r 1 + i ! ! ! ! 堡墨卜一! ! ! ! 堡旦 一 旧 + + _ _ _ 一 v x i 总线仪器 i 一 - 一串行口仪器| 一现场总线设名i 图2 - - 2 虚拟仪器硬件体系结构 浙征工业大学硕士论文 目前用得比较多的是通用数据采集卡和v x l 仪器模块，尤其是数据采集卡特 别为广大科技人员所钟爱。另外，虚拟仪器还有一个优秀的硬件平台v x i 总线系 统，它是一种在世界范围内开放的、适于多供货商的3 2 位高速模块化仪器总线m 。 2 5 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬软件资源，使本来需要 由硬件实现的技术软件化( 即虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增强系 统的功能与灵活性。基于软件在v i 系统中的重要作用，n i 提出了“软件就是仪器 ( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) ”的口号。v p p 系统联盟提出了系统框架、 驱动程序、v i s a 、软面板、部件知识库等一系歹o v p p 软件标准，推动了软件标准 化的进程。 虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、 应用软件9 1 。 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 虚拟仪器软件 体系结构，实质就是标准的i o 函数库及其相关规范的总称，一般称这个i o 函数 库为v i s a 库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪 器之间的软件层接口，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是 一个个可调用的操作函数集。 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器( 主要是硬件，如数据采集卡等) 的控 制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有 自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。它是虚拟仪器与底层 硬件的接口。 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好 的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。 虚拟仪器采用软件来编写，其大致可分为两种方式： ( 1 ) 用通用编程软件进行编写。主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 与 v i s u a lc 十+ 、b o r l a n d 公司的d e l p h i 、s y b a s e 公司的p o w e r b u i i d e r ： ( 2 ) 用专业图形化编程软件进行开发。如h p 公司的v e e 、n i 公司的l a b v i 明 和l a b w i n d o w s c v i 等。采用图形化编程的优势是软件开发周期短、编程容易， 浙江工业大学硕士论文 特别适合不具有专业编程水平的工程技术人员。 应用软件还包括了各种通用数字处理软件包伽。通用数字处理软件包括用于 数字信号处理的各种功能函数，如频域的功率谱估计、f f t 、f h t 、逆f f t 、逆f h t 和细化分析等；时域的相关分析、卷积运算、均方根估计、差分积分运算和排序 等。以及数字滤波，各种窗口函数等等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪 器的功能提供了基础。 2 6 虚拟仪器的国内外研究现状与前景 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便 使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统， 并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是n i 公司的l a b v i e w 软件和 l a b w i n d o w s c v i 开发软件。l a bv i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的开发 软件。l a bw i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的、在w i n d o w s 环境下 的标准a n s ic 开发环境。除了上述的优秀开发软件之外，美国h p 公司的h p v e e 和h f r r i g