（电路与系统专业论文）虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用.pdf

摘要 随着电子计算机技术和软件开发技术的日新月异，微机的使用范围 将会越来越普遍，因而发展虚拟仪器已经成为一个不可阻挡的历史潮流。 美国n i 公司率先发起了对虚拟仪器的研究，推出了l a b v i e w 软件开发平 台，为虚拟仪器开发提供了新的路径。 针对当前国内职业教育由于经费不足，导致电工电子实验室仪器 的更新频率跟不上社会先进技术的要求，使职业教育的教学内容与社会 技术要求之间出现脱节现象，严重影响着当前职业教育的教学质量以及 科研项目的发展。为了解决上述问题，提出了以虚拟电工电子仪器作为 实验设备，改善当前传统的实验教学模式，对实验室教学方案进行了创 新的改进。本文基于l a b v i e w 开发平台上研究虚拟仪器的开发与设计， 使用现有计算机的软硬件资源，以计算机作为统一的硬件实验平台，将 仪器的各项功能和面板控件按钮集中在计算机上，通过l a b v i e w 虚拟开 发软件实现电工电子虚拟仪器开发，从而完成实验室教学内容。使用电 工电子虚拟仪器实现职业教育教学内容，不仅解决了当前高校由于财政 紧缺未能完全配套的实验硬件仪器荔乏备翔题，还处理好实验室空间地方 不足等难题。 在职业教育中使用电工电子虚拟仪器，是对当前传统教学模式的 一次全新的改革。虚拟仪器的使用不仅使用丰富了电工电子实验室的实 验教学内容，而且增加了很多传统实验室不能开设的实验教学课程，更 一步加深学生对理论知识的认识，同时提高了学生的动手操作能力。由 于虚拟仪器是通过软件编写出来，因而虚拟仪器的功能可以根据实际情 况需要，通过修改软件结构从而实现新功能。基于虚拟仪器的功能可修 改的特性，在进行科技研究当中，提供了很大的方便性，还可以节约科 研经费中，仪器购买支出，从而提高了职业教育的科研能力以及科研质 t 量。 本课题研究的内容涉及了以l a b v i e w 平台开发电工电子实验室常用 的仪器，以及论述了电工电子虚拟仪器对当前职业教育的影响。该课题 的研究成果为职业教育以后的教育改革方案提供了有益的经验，为以后 虚拟仪器的推广提供有力的依据，在当前职业教育中有实际的应用价值 以及推广意义。 关键词：职业教育，l a b v i e w ，电工电子虚拟仪器 a b s t r a c t w 岫m e d e v e l o p 匾i l e l l to fe l e c 枷cc 0 m p 咖a n ds o 南a 坞，c 0 m 吣s u s e sa r eb e ：c 0 峨黼a n d 黼删缸t h l l s ，d e 帆1 1 0 p i l l gv i m l a l 证蛐咖 i s b e i 卿n 吨o v e n 7 m l i l l 吨的n d u s n ic 唧矗r s td e v e l 叩s 谛叫 证觚m 吣肭c e sl a b 唧s o d e v e l o p 洒gp l a t f l o n 删d e san e w p a mf o r d e 、d 叩吨删舢咄 加l n e da tp r e s e n tu p d a t es p e e do fd o m e s t i ce l e c t r i c 小e l e 删cl a b i 1 1 s 臼删u n 擞et o 删s o c i a l 缸【v 删t e c h m c a lr e q ：u i r e m e n td u et 0l a c ko f m o 匹l | e m m u sp i 髑锄惚d i 匈o i n t e ds i l 聩缸o nb 吒舰旧e nv ( ) c j | 土i o n a l 文l u i 谢妇1 t e a j 啦培删砌s o c i a l 浏：1 1 1 i c a ld 黝d 刚0 u s 盘c t s 蛐 郇i a l i 够o f w c 瓶衄a le d 【u c ：撕o na 1 1 ds c i 锄c er e a 础p r o 萨s s h 1 油幻s 咖e 恤i sp i d ) l i 毗i i i l p 砌v ep 佗s 哑位| d i t i o n a le ) 驴e r 诎钯a c m n gm o d ea n dc a y 吡i 1 1 i l 帜i 肌啦砌，e m 僦衙e x p t e a c h 堍p l a i lb yu s i l l g 砌= u a l h 栅m i e n t 弱嘲陴唧坤账疵b a s e d0 nd e 、伧l o p 删斌锄dd e s i 伊o f 啊巾l a 】i n 咖n e n to nl ，伽砌 雎s e n t 咖哦衄 s o 脚a r e觚d h a m w a r e删s ，a c k e v el a bt e 乏曲i n gt b l 跏曲l a b 、佃wt 0 彻l l i z e d 骶湘p m e n to fd e c t r i c a l _ e l e c 心证cv i i t l d i n 曲n 毹。歪蹑翻珥掰曲国u i l i _ f b r m h a r d 州p l a l f o 眦，w k c h h a si n s t l u i n e m s 删o n sa 1 1 dp a n e lc 0 n t 1b l 桃 1 a k n g 欲i ：v a n ：c a j 薛 o fe l 洲c a l e l e c 伽cv 矾u a l 访曲n e n tt 0r e a l 谊 v o c a 士i k a le d u c a 血mt e a c l l i n g i n t ：c n 使o i 岖r e s o l v e sm ep 椰b l e mo f 嘲斌- 瞄铋t 1 1 a 】慨d u e t 0 础o f 删i 1 1 删曲e r s 咄b u t a l s 0 鲥v e s 恤p 曲l e m o f l a c k 迦协印a c e n i s a e w 佗f o m f o r 雕s 眦缸断砌蛐础b y 啦 e l e 砌c a l e l e 醴h ) n i c 啊咖a 】i 1 】s 蚋l m e ti 1 1v o c a j c i o n a io d l 蒯o n 1r 右l i z a ：t i o n o fv i 嘲j a lj 1 1 s n l u 删n m0 i 蚵e n r i c h e se ) 驴日碱t e a c 牺n g 删o f e l 枷c 吐d e c l 蛐l a b 土 u ta ：i s 0a d d sc 伽r s e sw 1 1 i c h 删b ed e v e l o p e di 1 1 t t t 的跚。蹦协，觚撤社恤妯d w l 吨eo f 恤o r y 斯舭a n d 吣s 此i rp 瑚i 以c a l 幽1 1 s b e c 撇询= u a li 1 1 s l n 胍e 栅a r ee d i _ t e d 缸0 u 曲s 0 胁a r e ， 询= u a li 1 1 s t 眦1 础c a l l 僦豳n 删删o n s 埘c h a n g e 舰， 蛳d so n 融sd e m a n d b a s e d o nt h e 谳，i s 证g 胛) p e 啊o fv 衲】a 1 i i l s 臼彻n i 印：t s ，i t 删d e s1 a 昭ec o 删e 1 1 c ei 1 1t e 蛳c a lr e s e 疵ha l l d 阴v e 1 1 1 0 n e yi i lh l y i n gi i l 曲彻删l u s 既i l l ：麟l e 他础址 丑i 够锄dq 嘶o f v o c 撕o n a i 甜u c 撕o n t m sp 啊e c ti 1 1 ：v o l v e sn ( n 砌i n s 臼皿n | 即砖d e s i 阻o fe l e c t r i c a l e 1 默t 面c l a ba sl a b v 匝wm e p 1 瓶 m 舭d d i s c u s s e s 缸砌u e n c e so f e l e c t r i c a l e l e ( 沲1 c i 血cv i i t l 煽，l 访咖m ：1 e n to fv i 删o i r 谢耐u c a d o n ，也er e 双】i to f 也i s p 啊e c tw m 删e d 磷矧眦e ) 币e d e n c ei 1 1 文i u c 撕o nr e 缶- 0 r mo f ) c a 主砌 e d u c 撕o na i l d p 毗南m ，o r d s u b s t 枷a lp r o o 自f 研删a r i s 洫g 访r t l _ l a l i 1 1 s t m m 鹏，雠r e 蹦r e 汕h a s 删c a l 池砌卿幽溅 m e a 血g 缸p 1 瑚眦v ( ) c 鲥砌文l u i 。a 触l k 锣，t r d s ： v o c a t i o n a le d u c a t i o n ； l a b v i e w je l e c t r i c a l - e l e c t r o n i c v i r t u a lm s l = r u m e n t 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 研究背景 职业教育是职业院校为了培养学生掌握专业技术的能力，因此职业院校对学 生的实践操作技能也就有比较高的要求。实验操作则是学生在学校锻炼动手能力 最有效的途径，同时也是对所学知识进行实践的最直接有效的手段之，因此职 业院校在职业教育中对实验方面更加重视。实验的开展必须依赖着实验仪器，仪 器的好坏以及更新程度，直接对实验实践操作造成影响。故要提高实验的教学质 量，开展更多的实践操作课程，丰富职业教育，就必须根据社会对技术的要求购 置各种先进而昂贵的仪器设备参与职业教育当中。可是目前职业院校一直处于教 育经费投入不足，同样在实验室的建设上也存在各种各样的问题。例如：大多数 职业院校现有的实验设备已经使用多年了，仪器固件已经严重老化，面临报废的 状态；某些实验设备并不具备特定环境下的功能；加之，职业院校的学生具有好 动的特点，难免学生在实际操作过程中产生失误，对仪器造成了物理性损坏；学 生对虚拟仪器进行实验室确保了实验过程中的安全性。这一系列的实验室问题都 是当前各个职业院校所面临的难题，如果我们在职业院校的实验室引入了虚拟仪 器建立虚拟实验室，这些问题也就得到了一定的缓解。 本课题希望通过l a b v i e w 开发平台设计各种电工电子实验需要使用的虚拟仪 器，在实践操作的过程中使用虚拟仪器代替对传统实验仪器的需求，逐渐减少对 传统仪器的依赖，解决当前职业教育所面临的实验仪器设备购买问题。虚拟仪器 是以通用计算机作为仪器开发的硬件平台，在这个硬件平台的基础上，通过使用 微机里面的l a b v i e w 开发软件设计出虚拟仪器的各项功能和面板控件按钮。虚拟 仪器的整个开发过程都是在计算机上编程实现，是通过软件实现的，因此提出了 软件就是仪器这一观点。 硕士学位论文 1 1 2 课题研究的应用价值 在当今社会，由于科技的快速发展，促进了职业教育对仪器设备的更新换代， 无形之中给职业学校在实验室仪器购买上带了很大的压力。由于许多职业学校实 验室的仪器更新速度跟不上社会发展要求，导致了许多职校的学生毕业后难以适 应社会的生产工作，阻碍着生产力的快速发展。因此，对职业学校的实验室的进 行资源调控，成为了当前职业院校一个关键性的问题。其中，电工电子实验室首 当其中。 随着n i 公司l a b v i e w 开发平台的虚拟仪器技术的推广，虚拟仪器的出现给 职业院校带来了新的希望。虚拟仪器不仅在多方面解决了实验室硬件资源不足问 题，还推动职业院校教学模式的改革进度。同时，由于当前网络的推广加速了人 与人之间的交流，大大加强了各职校之间的学术交流与教学交流。职业院校作为 培养技术人才的地方，更要不断的与其他兄弟院校交流，不断提高教学质量。通 过虚拟实验实现对外交流是一个低成本，高效益的途径。随着社会的发展，虚拟 仪器将会逐步深入职业教育当中，因此虚拟实验室的建设推广，将会是未来实验 室建设的趋势。 目前，我国职业教育开始研究虚拟仪器的开发，并逐步使用虚拟仪器投入教 学当中去。1 9 9 6 年天津大学开发了虚拟校园，国内一些高校开始逐步推广和使 用虚拟校园模式，但是以实现浏览功能为主。2 0 0 4 年，重庆大学秦树人教授牵头 并组织完成国产虚拟仪器的研发与面向机械测试的系列仪器项目。秦树人教 授发明出一种零编程开发系统工d s 系统，用户不需要掌握过多的编程技巧，可 以根据自己的需要设计一种虚拟式仪器。随着网络教育的深入，基于教学、教务、 校园生活的三维可视化虚拟校园呼之欲出，中央广播电视大学远程教育学院将网 络学院的诸多具体功能整合在图形引擎中，在虚拟校园的应用方面进行了有益的 尝试。 ，盎e 惑曼 * w 。一t 燕巍掺l 。；聂二乏 乙j i。 懑虢瓣糍蘩鞫嘲鼢赣 脚爨鬻黎鬻溪瀵滚 甜 。l 螂 l 辩# 摊麟神州l l 。* 萋州州_ - 至_ 唧童 一鲞翌瀵蘩魏 一 鬻簿一辍辎鞲赫 蜜$ 瑟攀攀簿燕翻嘲聃瞬 图卜1 虚拟仪器的功能 2 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 虚拟仪器是当前职业教育仪器开发的比较热门的技术，它代表了未来仪器技 术的发展趋势。虚拟仪器实验室逐步在职业教育当中推广，不断充实实验的教学 内容，提高职业教育的教学质量。由于在职业院校的机电及电气自动化等专业大 都备有电工电子实验室，在学生在进行电工电子实验室时经常要用到数据的采 集、数据的分析及显示，现在，在国内的一些学校已经开始重视电工电子虚拟实 验室的建设。职业院校通过虚拟软件开发一些我们常见的电工电子实验虚拟仪 器，搭建一些小的实验平台，遵循职业院校电工电子实验的教学特点，结合电工 电子实验的实例，结合自身实验室的实际情况，建设一个虚拟实验室是很有必要， 也是一种当今社会发展的需求。 1 1 3 虚拟仪器在当前职业教育实验室领域中的状况 在当前国内职业教育实验中，虚拟仪器对实验教学的作用越来越受到人们的 关注。近几年，国内职业教育逐步建立了以虚拟仪器为核心的电工电子类的虚拟 实验室。以下对国内职业教育中使用虚拟仪器的情况进行分析。 1 、虚拟仪器还主要运用于学校的实验教学：根据虚拟实验技术的实际应用 范围，它的应用在机电及电气自动化等专业的教学实验中的作用备受关注。在国 内的很多高校都根据自身教学需求建立了虚拟实验室，虚拟实验室成为优化实验 室功能建设、改善实验教学模式的一个重要发展方向； 2 、虚拟技术还只是停留在应用于校园模拟和简单的测试仿真，没有完全应 用到职业教育当中去； 3 、目前职业教育逐渐调改教育模式，努力朝着应用虚拟仪器作为实验工具 这一方向前进，加以辅助科学研究进度。 1 2 虚拟仪器的介绍 虚拟仪器从结构上是由硬件系统和软件系统相互结合，硬件系统主要是以 通用计算机作为硬件开发平台，软件系统主要是以专业虚拟软件作为软件开发平 台。建立高集成度的模块化硬件，与灵活多样的软件结合实现各种仪器的功能。 从虚拟仪器实现仪器功能的角度上看，硬件系统的主要工作是处理检测部分 的信号采集，而软件系统是对信号进行数据分析，因此软件系统是仪器的核心部 分。因为虚拟仪器的功能实现主要是依靠软件，因此用户可以通过修改软件系统 硕士学位论文 的结构，从而实现仪器的功能修改或者添加，真正达到“软件就是仪器这一境 地。 从虚拟仪器技术中出现的虚拟仪器投入职业教育实验教学当中去，从根本上 打破了依赖实际的仪器的教育模式。在职业教育中可以根据教学的需求，设计相 应功能的实验教学仪器，满足教学当中对仪器的多样性需求。 1 2 1 仪器的发展经历 根据仪器的发展过程，仪器的成长总共经历了四个历程： l 、第一代仪器：模拟仪器。 模拟仪器的特点就是使用模拟电子技术来实现仪器的功能，自身不具备处理 跟存储数据的能力，显示部分都采用的是指针式的描述。模拟仪器最大的缺陷是 由于信号在整个检测过程中都是以模拟信号出现的，在这个过程中信号会衰减并 且不稳定，造成检测不准确。 2 、第二代仪器：数字化仪器 数字化仪器相对模拟仪器来说，是其的升级版本。通过模数转换模块，实现 将模拟仪器检测的模拟信号转化为数字信号，并以数字的格式方式输出。数字化 后的仪器，在很大程度上减少了信号的衰减，保证了信号的稳定性。 3 、第三代仪器：智能仪器 智能仪器最大的特点体现在智能控制模块，由于其内置微处理器芯片，能自 动的进行数据测量，并可以进行自我数据的处理。由于智能仪器本身的特征，所 有的功能都是由硬件决定韵。因而智能仪器在生产时已经把仪器的功能固化，防 止使用者修改，造成了智能仪器缺乏灵活性。 4 、第四代仪器：虚拟仪器 虚拟仪器最大的亮点在于软件就是仪器，虚拟仪器只需要在微机上实现，功 能根据需要可以任意调整，这是其他传统仪器不可具备的优点。由于仪器功能可 以根据使用者的需要任意修改，大大减少了仪器购买的需求，而当前微机的使用 越来越广，虚拟仪器等到很好的发展，逐步成为仪器发展的一个新的方向。 1 2 2 虚拟仪器的发展阶段 虚拟仪器这一概念在2 0 世纪7 0 年代开始出现，由于当时社会计算机使用并 不是非常普遍，虚拟仪器难以推广。随着社会的科技发展，计算机已经逐步饱和 4 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 社会，虚拟仪器也随着从概念的提出逐渐趋向完善，体现了计算机技术对人类社 会的影响力。回顾虚拟仪器一直经历的过程，总体上可以分为三个阶段。 第一阶段，利用计算机作为辅助设备，从数据处理上加强传统仪器的功能。 通过g p i b 和r s 一2 3 2 等接口，把传统仪器与电脑连接通信起来，用户通过计算机 对传统仪器进行实时控制，完成所需数据的测量。 第二阶段，开放式的仪器。仪器在硬件上已经有了两个大的技术进步：一是 有了插入式计算机数据处理卡( p l u g i np c d a q ) ；二是确立了v x i 仪器总线 的标准。 第三阶段，虚拟仪器技术得到了广泛的推广与应用。在通用计算机的硬件平 台上使用虚拟软件把每一个使用者需要构建虚拟仪器的东西封装起来。 1 2 3 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器所具备的功能是由用户自己通过计算机进行设置，而传统的仪器其 功能再生产的过程中已经有厂商固化，难以修改。 传统仪器 厂商定义功麓 虚拟仪器 用户定义功能 + 秽， 日q 叼 a 露l l 毯 图卜2 传统仪器与虚拟仪器的比较 传统的电工电子仪器( 如双踪示波器，函数信号发生器以及数字电压表等 等) ，其特定功能和仪器外观是由生产商家在生产的时候设置固化的。传统仪器 的共同特点是都是由生产厂家来制造，具有一些固定不变的操作面板，都采用固 定的系统操作软件，采用一成不变的硬件电子线路和通用的接口器件。仪器在使 用的过程中，直接通过仪器内部的硬件对信号进行处理，然后把数据结果直接显 示在仪器的显示硬件模块上，提供使用者观察。由于传统仪器的功能都是在出厂 的时候已经由仪器生产商固化在硬件上或者软件上，因此传统仪器的功能和外观 一般都是固定不变的，使用者无法随意根据自身的需求改变仪器的功能以及外 硕士学位论文 观。并且传统仪器大多数都是一个完全独立而且封闭的系统，在使用时难以与其 他的传统仪器进行一定的组合使用。从经济价值方面考虑，传统仪器的功能主要 依赖于硬件，因此其制作的成本价格比较昂贵。从仪器功能更新的角度来看，传 统仪器的功能都是在出厂的时候己固化，因而仪器的功能更新技术相对比较缓 慢，仪器功能的开发费用比较高。 虚拟仪器在当前仪器的领域中是一个全新的概念，其通过数据采集连接到计 算机上，利用计算机上的软件开发设计出使用者需要相应功能的测试仪器。虚拟 仪器的功能并不是由商家固化，而是根据使用者自身的需要，自我修改功能。例 如，现有一台双通道示波器在使用，使用者如果在操作示波器的时候需要用到信 号发生器，或者同事时需要用两种功能的仪器，用户只需要通过对微机上的软件 进行调整，就能得到相应的功能仪器。虚拟仪器的出现，给使用者实现了仪器的 模块化、多样化和智能化。虚拟仪器的出现，给我们使用者实现了仪器的模块化、 多样化和智能化。虚拟仪器的功能实现完全由使用者来定义，并不需要仪器生产 商生产，虚拟仪器的生产只需要使用者通过微机里的软件就可以生产出不同功能 的仪器。 1 2 4 虚拟仪器相对于传统仪器具有的优越性 与传统仪器来比较，虚拟仪器存在着多方面的有优势。虚拟仪器具备数据处 理能力强、开发费用比较低、可操控性强等方面明显的优越性，其具体表现在以 下几个方面： ( 1 ) 数据处理能力强。虚拟仪器是以微机坐为硬件支持的j 种散j 磐；因而 其对数据的处理能力主要取决于微机的性能。用户完全可以根据实际实用的要 求，适当地调整硬件性能，从而将虚拟仪器的水平提高到一个新的程度。 ( 2 ) 仪器开发费用低。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。由于虚拟仪器的功能只需要通过微机对软件进行 调整就能得到相应功能的仪器，这样的仪器功能修改灵活多样，以至于虚拟仪器 的开发成本更低。 ( 3 ) 可操作性强。虚拟仪器的控制面板可由用户自身根据需要进行定义， 因而其操作面板是针对相应功能而调整，大大提高了用户操作的流畅性。由于虚 6 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 拟仪器实以计算机为硬件平台，因此虚拟仪器对数据的处理操作更加快捷方便、 更加直观，使用户容易接受理解。以计算机为硬件平台，还能把测量的数据通过 网络进行对外交流或者共享，还能通过外接外籍电路，实现数据、波形或者曲线 等信息的打印。根据以上功能，在使用虚拟仪器的过程中，在很大程度上提高了 仪器的可操作性能。 传统仪器 待瓣模织信号 辘疆模报信号 比 虚拟仪器 图卜3 传统仪器与虚拟仪器的系统对比图 1 3 本课题的研究内容 目前，我国在科学技术方面与世界顶级国家还有一定距离，现在我国高校实 验室的高档仪器大部分还要依赖进口，这种仪器往往价格昂贵，使用面窄，花很 多的外汇只能起到有限的作用，因此，研究虚拟仪器对电工电子实验室来说具有 很重要的意义，同时也是社会发展的趋势。 结合中国当前西北地方经济发展落后，教育经费紧缺等情况，提出虚拟仪器 应用到职业教育当中去，有利于西北地区的教育事业发展，拉近西北地区与沿海 发达地区教学设备的使用差距。 开发虚拟仪器不仅可以实现仪器的自我生产，而且虚拟仪器易于改进，提升 性能，通过软件和硬件的更换，还可以实现多方面的用途，大大提高了仪器的性 价比。 7 面j 茎蠹章堕 硕士学位论文 1 3 1 本课题主要完成的工作 ( 1 ) 针对当前职业教育的情况，对电工电子课程实验提出使用虚拟仪器应用 到职业教育当中的设计方案； ( 2 ) 利用l a b v i e w 软件对职业院校电工电子课程中常用的虚拟仪器进行设计 与开发； ( 3 ) 对已开发的虚拟仪器进行一些简单的操作，检验虚拟仪器在实际当中的 可靠性； ( 4 ) 使用虚拟仪器进行电工电子实验，检测的数据跟传统仪器的数据进行对 比，分析虚拟仪器在电工电子实验中的应用意义。 1 3 2 本课题的章节安排 第一章绪论 本章主要介绍了课题研究的背景和意义，阐述了前职业院校电工电子实验教 学的现状以及对虚拟仪器和传统仪器在功能上、结构上等方面进行对比。 第二章虚拟软件l a b v i e w 开发平台的介绍 本章节主要讲解l a b v i e w 软件的基本功能模块，为后文的虚拟仪器开发做一 定的铺垫。 第三章虚拟仪器的开发与设计 本章通过分析当前虚拟仪器的设计方案，简单总结出各个虚拟仪器设计方 案的特点，最后围绕着l a b v i e w 开发平台分析设计虚拟仪器的过程。 第四章虚拟仪器的调试 本章主要是使用第三章开发的虚拟仪器进行信号调试，观察开发的虚拟仪器 能否正常工作，实现实验仪器功能。 第五章虚拟仪器在当前职业教育的应用 本章主要是综合当前职业教育的情况，讨论前文开发并给以验证的虚拟仪器 应用到职业教育当中所起到的影响。 第六章结论与展望 本章回顾整个课题研究的成果，对虚拟仪器在职业教育中所做的内容进行总 结，同时对当前职业教育在虚拟仪器方面作出了未来的安排。 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 1 4 小结 本章描述了使用虚拟仪器的意义以及分析了当前虚拟仪器在职业院校的状 况，把虚拟仪器引入到职业院校的实验教学，这给实验教学带来了极大的方便。 结合课题研究的方向，提出了本课题的要求。随着虚拟仪器技术的发展，对我们 职业院校教育教学在一定程度上有了进一步的深入，对于探索职业院校的教育模 式、改善职业院校教学环境、提高教学质量、培养高技能人才必然具有很大的帮 助。 9 硕士学位论文 第二章虚拟软件l a b v i 酬开发平台 2 1l a b v i e w 的基本概述 l a b v i e w 是基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ) 的虚拟仪器开发软件，其特点 是用图形化的符号来代替传统的文本语言，从而达到直观，简洁，易懂的目的。 1 9 9 2 年8 月l a b v i e w 2 5 实现了从m a c i n t o s h 平台到w i n d o w s 平台的移植， 从l a b v i e w 3 o 版本开始，l a b v 工e w 作为一个以图形化作为开发环境的软件得到 专家的好评，并逐渐在市场上推广流行。 它的基本特点是： ( 1 ) 类似于c 和b a s i c 开发环境，l a b v i e w 软件与其他计算机编程语言最明 显的区别是：其他计算机编程语言大多采用的是基于文本的语言编写出程序代 码，但l a b v i e w 使用的是图形化编辑语言g 编写程序，程序是以框图的形式书写。 ( 2 ) l a b v i e w 与c 和b a s i c 一样是一种通用的编程系统，有一个可供编写 任何程序的函数库。 ( 3 ) l a b v i e w 提供了许多外观与传统仪器相似的控件，可供用户方便地创建 程序用户操作界面。 ( 4 ) l a b v i e w 与多数编程软件一样具有常见的程序调试工具，如设置断点、 以动画方式显示数据及其子程序的结果、单步执行等等，便于用户进行程序的调 试。 ( 5 ) l a b v i e w 包含各种类型的数学运算函数，非常适合进行模拟、仿真、原型 设计等工作。在操作电工电子电路之前，可以先在计算机上用l a b v i e w 搭建仿真 原型，验证电路设计的合理性，找到电路存在的问题。 2 1 1l a b v i e w 创建虚拟仪器过程 基于l a b v i e w 开发平台开发虚拟仪器，根据软件的特点以及仪器开发的顺 序，主要可以分为四个步骤： ( 1 ) 创建前面板 在前面板窗口中，主要是添加用于用户输入的输入控件和用于显示的显示控 件。它模仿了实际仪器的操作面板，包含了传统仪器的控制旋钮、按键以及显示 1 0 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 模块。 ( 2 ) 程序框图的创建 程序框图与前面板的控件相对应为接线端，在程序框图中可以添加函数对 象、编辑对象和各种和编程有关的函数对象。 ( 3 ) 创建图标 创建v i 图标就是使用图标编辑器对v i 图标进行编辑。在右上角的v i 图标 上单击，从弹出的快捷菜单中选择“笔记图标 ，进入图标编辑器窗口，使用图 标编辑工具设计修改图标。 ( 4 ) 运行和调试程序 运行和调试程序是在完成虚拟仪器的基本结构后，进行的一种简单的测试， 同时也是整个虚拟仪器开发过程的最重要的步。在l a b v i e w 开发平台里，运行 编写程序的方法有两种，分别是：运行和连续运行。在运行的过程中寻找设计的 不足以及错误的地方，及时修改。经过多次的运行调试，确定没有错误才能继续 设计下去。 2 2 la b vie w 开发平台分析 l a b v i e w 是一个对用户开放的虚拟仪器仪器开发平台，其前面板与程序框图 如图2 1 与图2 2 所示。 图2 1 前面板 图2 2 程序框图 l a b v i e w 在虚拟仪器v i 程序的开发过程中，主要运用模板的创建和运行程 序。操纵模板共有三类：工具( t 0 0 1 s ) 选板、控制( c o n t r o l s ) 选板和功能 ( f u n c t i o n s ) 选板或称函数选板。 硕士学位论文 图2 3 工具选版 2 2 1 工具模板 工具选板为程序编写者提供了用于创建、修改和调试v i 程序的工具( 如图 2 5 所示) 。模板可以在w i n d o w s 菜单下选择s h o wt 0 0 1 sp a l e t t e 命令用以显 示该模板。当从模板内选择了任何一种编程工具后，鼠标箭头就会变成该工具相 应的形状，它包括了以下工具包。 l 剑操作工具：用该工具来实现操作前面板的控制和显示。 使用该工具向数字或字符串控制中键入值时，工具就会变成标签工具的形状。 圈选择工具，在选择、移动或改变对象的大小当它用于改变对象的连框 大小时，会变成相应形状。 幽标签工具：用于输入标签文本或者创建自由标签。在创建自由标签的时 候就会变成相应形状。 豳连线工具：用于在框图程序上连接对象。如果联机帮助的窗口被打开时， 把此工具放在任一条连线上，就会显示出相应的数据类型。 圆对象弹出菜单工具：用左鼠标键就能弹出对象的弹出式菜单。 幽漫游工具：使用此工具后就不需要使用滚动条而可以在窗口中漫游。 l 劐断点工具：使用此工具在v i 的框图对象上设置所需的断点。 幽探针工具：在框图程序内的数据流线上放置探针。编程人员就可以通过 控针窗口来观察数据流线上的数据变化的状况。 | 矿；颜色提取工具：使用此工具来提取颜色就可以编辑其它的对象。 1 2 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 颜色工具：用来给对象定义颜色。这样做就可显示出对象的前景颜 色和背景颜色。 鋈鞫 自动选择工具。 2 2 2 控件选板 挚裂芋查看qi ，基z p r e s ：i r 麓| f ：d l 窖蒜|，苓| 黎 ll 垃| 獬i 耐卜国卜 l 爝p 差律 塾 造撵棒律 r 婷 图2 4 控件选版 控件选板的作用主要是模拟传统仪器的面板，让用户在使用虚拟仪器的过 程中的操作与传统仪器的操作相同，更加容易适应虚拟仪器的使用。控件选板通 过软件的性能，把各种传统仪器上的旋纽、开关、显示屏等需要用到的操作部件， 做成外形比较相似的“控件”分类存储在控制模板上。 在虚拟仪器的开发过程中，设计仪器韵面板时，仅需要根据设计的要求， 选择合适的“控件”放在相应的面板位置上就可以了。每个图标代表着一个子模 板( 如图2 6 所示) 。控制模板可以用w i n d o w s 菜单的s h o wc o n t r o l sp a l e t t e 功能打开，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，就弹出控制模板。只有在 打开前面板窗口的时候才可以调用。 2 2 3 函数选板 只能在流程图窗口中使用，通过流程图窗口w i n d o w s h o wf u n c t i o n s p a l e t t e 打开，也可以在路程图面板中空白处单击右键打开。函数选项板提供创 建流程图的工具。其与控制选项板基本相同，模块图标右上角有的表示有子选项 板，单击模块图标可以访问子选项板。 硕士学位论文 图2 5 函数选板 巾辅疆 溷l 镣约 囵壤 莎 数值 唪i 较 囝| 艾件i ，o i 嗣步 礤 d e ：k t o p g 罄i ； 簇、樊与变体 圈i 嚣蓟| 字符串 蒸髻； 一、l 珊活援与用 罨； 应用疆序控制 基蕃； 强国； 摄表生成 氅l v i n i l ”e r 图2 6 函数选板子选板 结构( s t r u c t u r e ) ：包括了过程控制结构的命令，例如顺序控制等，以及全 局变量和局部变量。 数组( a r r a y ) ：包括数组转换函数、数组运算函数和常数数组等。 比较( c o m p e r a t i o n ) ：包括各种比较运算函数，如小于、大于、等于。 数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) ：包括数据采集硬件所需的驱动，以及信号 调理时所需的各种功能的模块。 1 4 型辫墅塾剑熟瑙哆笺岬鹫 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 信号分析( a n a l y s i s ) ：信号发生、时域及频域分析功能模块及数学工具。 2 3l a b v l e w 编程语言 l a b v i e w 是一种图形化的编程语言，它是直观的前面板与流程图式的编程方 法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。同时也是一种面向对象的模块化编程语 言，使面向对象技术程序的复用性达到最佳，被誉为工程师和科学家的语言。 2 4 小结 本章主要分析虚拟仪器的开发平台l ，a b v i e w 虚拟软件各个模块单元的介 绍以及功能讲解，总体上对l a b v i e w 软件的结构与使用有一个初步的认识。为后 面虚拟仪器的设计做准备，起到承上启下的作用，更好地引入到虚拟仪器设计的 思想当中。 硕士学位论文 第三章电工电子虚拟仪器的开发与设计 3 1 虚拟仪器的结构 虚拟仪器从结构的角度来说，都是由硬件系统跟软件系统相互构成的。而硬 件系统结构又可以分为两个大部分：通用计算机以及数据采集硬件设备，软件系 统结构同时也包含了两个层次：接口程序以及用户应用程序。 虚拟仪器总体的硬件系统结构框图如下所示。 | 鹪鞭h 瓣黼卜 h | 街啵整嘲| 1 氆攘口爱| _ 爨 7 l 辜抒a i 冀i j l ，g - l 、 r ll 袭 j - 一l1 淼酾嚯秘r 软坪台i 甜 1 一l 埘嘲 一 囊 1 l 踟赚1 1 - - _ - l 躺觥溉 骼卜 一 一黼瓣卜一 l l 1 7 l 懒黻黼珏r 一 图3 1 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器总体的软件系统结构框图如下所示。 图3 2 虚拟仪器的软件结构 1 6 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 3 1 1 虚拟仪器技术的概述 虚拟仪器技术是指通过使用微机的高集成度硬件结构与灵活多变的软件系 统相结合来完成各种虚拟仪器功能，虚拟仪器技术主要包括三大部分，其分别为： 信号采集技术、数据分析处理技术以及数据显示技术。其技术概况如图3 3 所示。 图3 3 虚拟仪器技术的概况 1 高度集成的软件系统 虚拟仪器技术的最关键的部分是软件开发部分，软件系统直接是虚拟仪器功 能能否实现的关键。设计者在设计虚拟仪器的过程中，都会针对自身的情况使用 高集成的软件系统开发出相对应功能以及便利的人机交互界面。 l a b v i e w 是当前虚拟仪器开发的热门软件，该软件不仅对各种软硬件的兼 容牲非常好，能很好地扩展外围线路，而且具备了强大的数据处理能力，能对数 据进行复杂的运算，还能与其他器件之间实现数据传唤以及存储，并能将数据结 果通过显示模块显示给用户观察。 2 硬件具备了强大的兼容性 随着社会技术的不断发展，各种硬件的接口类型逐渐增多。面对丰富多样的 硬件结构，l a b v i e w 具备了全方位的解决办法。不管你使用的是那种硬件类型， l a b v i e w 都可以兼容。强大的兼容性，让l a b v i e w 开发平台处于优先地位。 综合上述分析，虚拟仪器技术是人性化的技术，不仅提供了很大的便利，而 且还能根据自身的情况适当地修改。这是虚拟仪器技术带带来给你的无可比拟的 优势，虚拟技术的应用范围如图3 4 所示。 1 7 硕士学位论文 图3 4 虚拟仪器技术的应用范围 3 1 2 虚拟仪器设计平台的分析 在现实当中，虚拟仪器的开发与设计平台有着多种多样的选择，如何选择适 当的开发平台也是本课题的重要部分之一。 常用的虚拟仪器的开发平台有基于v i s u a lb a s i c 的虚拟仪器开发平台、基 于v i s u a lc + + 的虚拟仪器开发平台、基于a c t i v e x 控件的虚拟仪器开发平台、 l a bw i n d o w s c v i 下的虚拟仪器开发平台以及基于l a b v i e w 的虚拟仪器开发平台。 在这样多的虚拟仪器的开发平台中，如何选择开发平台呢? 我们通过分析各 种虚拟仪器开发平台的优缺点，对虚拟仪器开发平台进行比较。 从设计的工作量来说，开发平台越简洁，越容易操作软件，设计的工作量 也会随着减少。对于上述各种虚拟仪器的开发平台，在理论上都是行之有效，可 以实现虚拟仪器开发。但是只要详细分析上述的方案，我们发现上述有些软件并 不是为了开发虚拟仪器而创造的软件。因而在虚拟仪器开发的过程中，会出现很 多的不便利，导致开发的工作量增加很多，同时也会提高虚拟仪器的开发难度， 加长了开发周期。 l a b v 工e w 开发平台是一个提供的图形开发调试和运行程序的集成化编程环 境，同时具备了高度集以及高速处理数据的能力。面对不同的使用者，l a b v i e w 提供了不同的版本，其它分别为：基本系统、全开发系统和专家开发系统。从各 个层面考虑了用户的需要，使用户更加合理地分配资源。 以l a b v i e w 作为虚拟仪器开发平台的优点： 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 ( 1 ) l a b v i e w 采用图形化编程语言g 语言，产生的程序是框图的形式，比 较容易学也比较容易使用，尤其适合硬件工程师、生产线工艺技术人员、实验室 技术人员的学习及使用，能在较短时时间内掌握它的使用并应用到实践中去。 ( 2 ) l a b v i e w 是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包 括数据采集、串行仪器控制、g p i b 、数据分析、数据存储及数据显示，甚至还有 目前十分热门的网络功能。 ( 3 ) l a b v i e w 具有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。l a b v 工e w 的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察所编程序中的数据的变化情况，比 其它编程语言的开发环境更为方便有效。 ( 4 ) l a b v 工e w 与其它计算机编程语言相比较，有一个重要的不同点：其它计 算机语言都是采用基于文本的编程语言产生程序代码，而l a b v i e w 采用图形化的 编程语言一g 语言。 ( 5 ) l a b v i e w 是n i 推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的 编程方式、众多的源代码的设备驱动程序、各种各样的分析和表达功能支持，较 快的为使用者构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了必要的条件。 即使不用上述的l a b v i e w 开发平台作为虚拟仪器开发的工具，而是使用其 他开发平台设计虚拟仪器，但由于不是虚拟仪器开发专业软件，开发出来的仪器 的稳定性，可运行性也会受到一定的影响，因此其他的开发软件并不适合作为长 期开发平台。 关于虚拟仪器的开发平台的总结 由于l a b v i e w 可以为用户提供简明、直观、易用的图形化编程方式，能够将 繁琐复杂的编程语言简化成为以菜单方式选择的功能，并且用线条将各种功能模 块连接起来，十分节省时间而且简便，受到许多人使用者的青睐。与传统的编程 语言相比，l a b v i e w 图形编程方式能够节省8 5 以上的程序开发时间，其运行速 度却几乎不受影响，体现出其极高的效率。使用虚拟仪器的产品，使用者可以根 据实际需要重新构筑出新的仪器系统。例如，用户可以将原有的带有r s 2 3 2 接口 的仪器、v x i 总线仪器以及g p i b 仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样 新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作。 根据当前虚拟仪器的开发平台使用情况，我做了一个系统的调查，发现各个 1 9 硕士学位论文 开发平台所占的比例数据如下图所示。 h 硼辑 赫i c 掩s 喇l 、，l s l 凄l 酗s 泌 e + e 矗霸l o 融v e h 嘲n d 艄，湖 赫嚣毫s 蠊障m 霉l t 筑u d o s 0 黝撑 o 力 蚤，o 翳2 0 力拳e 詹鏊4 0 番 5 0 i o 图3 5 当前虚拟仪器的开发平台使用情况 根据上图的数据分析，以l a b v 工e w 作为开发平台的比例超过4 0 9 6 ，而且这个 数字还在一直增长之中。同时，这也是这次虚拟仪器开发平台选着l a b v 工e w 的原 因之一。 图3 6 虚拟仪器开发的过程总框图 3 2 基于l a b v ie w 的电工电子虚拟仪器开发与设计 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，缩写为v i ) 的开发与设计，主要建立在 硬件系统和软件系统。硬件系统主要是以计算机作为硬件开发平台，软件系统主 要是l a b v i e w 开发软件。虚拟仪器的本质是以计算机作为仪器的硬件，把仪器功 能完全安装入计算机当中，以实现仪器功能的一种新型仪器。仪器外观根据使用 者的意思进行定义，而仪器功能以软件系统来定义。实际上，虚拟仪器= 总线模 2 0 虚拟电工电子仪器的开发及其在职业教育中的应用 块+ 算法。 虚拟仪器的开发，实质上是以计算机作为硬件资源，在计算机里面安装虚拟 软件，通过计算机与软件相结合，完成数据的测量。这样子的仪器完全抛开传统 仪器对各方面硬件模块的依赖，把传统仪器虚拟在电脑资源里，如图3 7 所示。 图3 7 虚拟仪器构思图 3 2 1vl 的建立 v i 是虚拟仪器v i r t u a li n s t r u m e n t 的首字母缩写版，在l a b v i e w 开发平台 作为虚拟仪器程序。从结构上分析，v i 是用户根据需求在计算机硬件上使用 l a b v 工