（课程与教学论专业论文）基于声卡的中学物理实验虚拟仪器系统的研究与实现.pdf

摘要 计算机的应用已成为提高工作效率的最佳手段 如何让学生适应未来的工作环 境 教育面临着前所未有的挑战 基础教育改革纲要 指出 教育改革必须基于 现代信息技术发展的需要 以培养学生创新精神为重点的新课程体系 呼唤新的教 育理念和能够贯彻新的教育理念的现代化教育设备 应用虚拟仪器技术的中学物理 实验系统因其为物理教学提供的创新性的手段 对物理课程的教学模式和内容产生 深远影响 而引起越来越多的关注 如何设计有效辅助中学物理实验教学的虚拟仪 器实验系统是实现虚拟仪器技术与实验教学整合的关键 也是本研究要实现的主要 目标 另外 针对价格偏高限制了虚拟仪器实验系统在中小学的应用 本文尝试利 用已装备了各级中小学校的多媒体电脑之声卡所具有的数据采集功能 对其进行适 当的开发 实现虚拟仪器数据采集部分的功能 使得基础教育部门可以用较低投资 获得先进的虚拟仪器实验系统 关键词 教学仪器虚拟仪器教育装备实验教学基础教育 a b s t r a c t i ti st h eb e s tw a yt ow o r ke f f i c i e n t l yu s i n gc o m p u t e r h o wt om a k es t u d e n t sf i tf o rt h e f u t u r ej o b s e d u c a t i o ni sf a c i n gt h eg r e a tc h a l l e n g e t h ed e v e l o pc o m p e n d i u mo fb a s i c e d u c a t i o np o i n to u tt h a tt h ed e v e l o po fe d u c a t i o ns h o u l du s i n gm o d e r ni n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y t h en e wc o u r s e ss y s t e mw i t he m p h a s i so nt r a i n i n gs t u d e n t s c r e a t i v es p i r i t c a l lt h en e we d u c a t i o n a lp h i l o s o p h ya n dt h en e wm o d e r ne d u c a t i o n a le q u i p m e n t s t h e m i d d l es c h o o lp h y s i c a le x p e r i m e n ts y s t e mu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yd e e p l y a f f e c tt h et e a c h i n gp a t t e r na n dc o n t e n to fm i d d l es c h o o lp h y s i c a l a si to f f e r st h e c r e a t i v em e a s u r e h o wt od e s i g nt h ev i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e mt oh e l pm i d d l es c h o o l p h y s i c a le x p e r i m e n ti st h ek e yo fi n t e g r a t i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n d e x p e r i m e n tt e a c h i n g i sa l s ot h ep r i m a r i l yg o a lo ft h i sa r t i c l e a n df o rl o w e rc o s t w et r y t oa c c o m p l i s hd a t aa c q u i s i t i o nu s i n gs o u n dc a r d a n dd e v e l o pt h ep r o g r a mw h i c h c o l l a b o r a t ew i t hs o u n dc a r dt oa c c o m p l i s ho u rg o a l k e y w o r d s e d u c a t i o n a li n s t r u m e n t v i r t u a li n s t r u m e n t e d u c a t i o n a le q u i p m e n t e x p e r i m e n tt e a c h i n g b a s i ce d u c a t i o n 3 2 1 智能测量仪器的基本结构框图 2 2 测量仪器的三大功能块 2 3 虚拟仪器系统构成的基本框图 2 4 舆型数据采集系统框图 3 1 测试系统功能模块图 3 2 基本型的现代测试系统 图表目录 3 3 具有g p i b 总线接口的现代测试系统 3 4 闭环控制系统中的测试系统 3 5 系统基本构成 3 6 数据记录的显示界面 3 7 晟大静摩擦力实验数据曲线图 3 8 单摆振动周期的实验记录 3 9 弹簧振子振动图象 3 1 0 音叉振动的波形图象 3 1 l 固体融化时的温度曲线 3 1 2 玻意耳实验结果 3 一1 3 螺线管内部磁感应强度曲线 3 1 4 电容充电曲线图 3 1 5 电流传感器记录的实验数据 3 1 6 声卡结构框图 3 1 7 声卡工作流程 3 18 声卡频率响应 上图为r e a l t e k 声 下图为v i a 声卡 3 1 9 小 芯插头 左 与大二芯插头 右 3 2 0 莲花式插头 3 2 1 三芯插头 3 2 2 卡依式插头 4 软件功能构成图 4 2 欢迎界面 4 3 初始界面 4 4 数据采集界面 6 4 7 7 墟 拇 坶 甜 舱 舱 b m 拍 拍 勰 拶 弛 玎 m 拍 强 粥 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图醢图图图图图图图图图图 图4 5 数据采集模块程序流稃图 图4 6 参数设置面板 图4 7 波形回放面板 图4 8 缩放程序流程图 表格1 传统仪器与虚拟仪器比较 7 3 9 4 0 4 l 4 2 6 第1 章引言 1 1研究背景 第1 章引言 二十一世纪 整个世界步入了信息时代 各个行业都在发生着翻天覆地的变化 可以说信息时代已经改变了人们的生产方式和生活方式 也改变了人们的思维方式 和学习方式 在这样的环境下 我国的基础教育要想适应当前社会的需要 要想培 养适应信息时代需要的人才 要想与世界发达国家的教育相接轨 必须培养出掌握 并能在工作学习中应用信息技术的学生 实验教学是各类理科课程不可缺少的实践活动 根据实际问题来构建实验仪器 系统和利用先进的测试 测量技术来获取实验数据的能力是现代学生应具备的科学 素养的重要内容 测试 测量技术在信息时代已经由传统的独立仪器发展到用户自定义功能的虚 拟仪器 传统测量仪器是一个自封闭的系统 一般设计成能独立完成一项具体的测量任 务和功能 并由以下三大功能块组成 信号的采集与控制 信号的分析与处理 结 果的表达与输出 这些功能块全部以硬件的形式存在 这种框架式的结构 决定 了传统仪器只能由仪器厂家来定义 制造 单台仪器的功能单一 固定 用户无法 根据实际需要改变或扩展仪器功能 虚拟仪器把由厂家定义的传统仪器方式转变为用户定义的 由计算机软件和其 它通用仪器组成的专用仪器 利用通用的仪器硬件平台 调用不同的测试软件就可 以构成不同功能的仪器 于是 就有了 软件就是仪器 的说法 这不仅仅是强调 软件的重要性 更说明软件是现代仪器的核心 测试设备的未来属于软件 1 就在实验技术飞速发展的同时 我们的实验教学设备却还停留在以电磁机械式 为主的模拟仪器时代 因此尽快改进 更新我国基础教育部门的实验手段和设备 使我们的学生们在 学习阶段就能接触 使用 了解最新的思想和技术 使我们的教育能够跟上时代的 步伐是一项重要而紧迫的任务 第l 章引言 1 2研究意义 1 有助于丰富我国信息技术教育装备研究开发的理论和实践 教育信息化需要能够贯彻新的教育理念的现代化教育装备的支持 我国的教育 装备一直落后于发达国家 在信息技术教育装备方面更是主要停留在引进 学习的 阶段 本文在学习国内外教育装备研发经验的基础上 开展物理实验虚拟仪器系统 的研究 有助于丰富我国信息技术教育装备研究开发的理论和实践 2 可以为学校提供符合教育信息化要求的实验教学设备 社会发展到信息时代 要求我们的教育培养具有应用信息技术能力的学生 要 求我们的教育能够推陈出新 采用信息技术的手段进行教学 本文所实现的物理实 验虚拟仪器系统有助于学生学习最新的信息技术 培养应用信息技术的能力 3 有助于素质教育的开展 有助于探究性学习的开展 新的教育理念强调学生开展探究性学习 虚拟仪器实验系统由于其为物理教学 提供的创新性的手段 成为开展探究性学习的有力工具 并将促使物理课程的教学 模式 教学内容 教学方法向着素质教育的方向发展 4 有利于为教育经费不足的贫困地区提供先进的虚拟仪器实验系统 本研究尝试利用已装备了各级中小学校的多媒体电脑之声卡所具有的数据采 集功能 在其上进行适当的软硬件开发 实现虚拟仪器硬件部分的功能 从而充分 利用了现有设备的功能 降低了成本 有利于帮助教育经费紧张的贫困地区采用这 一较先进的信息技术教育装备 1 3 本文工作 本文分析中学物理实验需测量的物理量 选用所需的传感器 并且利用声卡的 数据采集功能 构建虚拟实验系统 设计软件平台 控制传感器采集物理量 控制 声卡完成数据采集功能 存储采集到的数据 并生成图表显示 回放 1 4本文结构 第二章论述相关技术及理论 第三章根据现代测试系统设计理论 分析本实验 系统的测试需求 阐述设计方案 第四章介绍软件部分设计 第五章总结了本文的 研究工作 提出本研究进一步发展的余地 2 第2 章相关技术发理论基础 第2 章相关技术及理论基础概述 物理实验教学为学生提供通过观察物理现象理解物理理论的途径 是培养学生 理工科科学素养的重要内容 目前的中学物理实验使用的仍主要是电磁机械式设 备 另有部分数字式设备在使用 这些设备不仅笨重不便 而且往往需要人眼目测 判断 误差大 更无法实时记录实验数据 生成数据图表 信息技术的发展早已提 出了改进物理实验的方法 虚拟仪器技术就是当前最先进的实验技术 本文研究的 物理实验虚拟仪器系统是虚拟仪器技术在中学物理实验教学领域中的应用 试图利 用虚拟仪器的优越性改进中学物理实验 2 1虚拟仪器 测量 有多种定义被提及 而多数强调其试验 量值可比及单位统一 从本质 上讲 测量应该是客观世界信息或特征的一种展示 而信号是信息的一种载体 因 此 所有与测量有关的仪器设备 总体上可分为两种 一种是提供被展示信息的设 备 称为信号源 另一种是获取信息并进行变换 分析 处理和展示的仪器 称为 测量仪器设备 测量仪器技术经历了这样两条发展主线 模拟仪器一数字化仪器一智能仪器 单台仪器一叠架式仪器系统一虚拟仪器系统 1 2 1 1 从模拟仪器到智能仪器 模拟仪器的基本结构是电磁机械式的 借助指针来显示最终结果 采用模拟器 件组成各种电路 精度低 速度慢 适应性差 在我们的中学物理实验中仍主要使 用这类仪器 数字化仪器主要由数字电路实现 它把模拟仪器的精度 分辨力 测量速度等 提高了几个量级 为实现测试自动化打下了良好基础 智能仪器被认为是虚拟仪器的初级阶段 它具有一定的可程控能力 并常配有 g p i b 总线 接口多以a s e i i 码输入输出 面板控制采用灵活的功能键和数字键 或 兼有这类按键的编程能力 面板显示十进制数 或兼能显示若干拉丁文字符或英文 字符 也有用c r t 显示字符或图形的 个别的附有打印机 智能仪器具有数据处理 能力 包括均值计算 方差计算 变换 误差修正等 从而提高了仪器的精确度 3 第2 章相关技术及理论基础 并扩展了测量或执行功能 智能仪器具有一定的可编程自动化能力 据存储 自动调零 自动故障与状态检验 自动校准等 智能仪器一般分为两大类 智能化的测量仪器 包括分析仪器 行仪器 智能终端 智能测量仪器的基本结构框图如图2 一l 所示 数据艘制总线 包括指令和数 和智能化的执 图2 1 智能测量仪器的基本结构框图 智能终端有输入智能终端和输出智能终端 输入智能终端把外部的一系列行为过程 加以识别和变换之后 以数据形式加以大容量的记录 例如 数字化仪 输出智能 终端把大批量的数据加以识别和交换之后 转化为外部的一系列动作 例如 自动 绘图仪 虽然电子计算机技术的发展给传统仪器注入了强大的活力 特别是微电子技术 和大规模集成电路的发展 促进了数字化仪器 智能仪器的快速发展 使其功能越 来越强 精度越来越高 性能越来越好 但是 传统测量仪器的固有的局限性并没 有改变 1 传统测量仪器是一个自封闭的系统 它作为一个独立的设备拥有自己的机箱包 括各种开关旋钮的操作面板 信号输入输出端 指针式或l e d 显示表 c r t 或l c d 波形显示窗口 打印输出端口 仪器内部包括有传感器 信号处理器 a d 传感器 微处理器 存储器和内部总线等专门化的电路 通过这些电路来转换 测量 分析 实际信号 并将结果以各种方式显示 传统测量仪器一般设计成能独立完成一项具 体的测量任务和功能 通常为了构成具有一定功能的测试系统 往往配置了一整套 4 第2 章相关技术及理论基础 各种功能的仪器 这就是典型的机架层迭式测试系统 在这样的系统中 对其中的 某些仪器 只用到了其中一部分功能 而将它作为其它功能使用时 却不具备或达 不到所需指标 如果另外配置新的仪器来满足需要 则造成很大浪费 剖析一下传统仪器的功能构成 可以发现传统仪器一般由以下三大功能块组 成 信号的采集与控制 信号的分析与处理 结果的表达与输出 如图2 2 所示 图2 2 测量仪器的三大功熊块 这些功能块全部以硬件的形式存在 这种框架式的结构 决定了传统仪器只能 由仪器厂家来定义 制造 单台仪器的功能单一 露定 用户无法根据实际需要改 变或扩展仪器功能 饽1 由于在每一台仪器中都具备这三大功能块 在一个机架层迭 系统中就存在着可观的功能浪费 而为了完成新的测试任务 需要构造新的测试系 统时 不得不更换整台的仪器 这也造成了极大的功能浪费 在实际应用中 往往 需要用到多种不同的测量功能 在进行野外实地测量的情况下 在测量的信号种类 较多的情况下 传统测量仪器就体现了诸多的不便和功能上的局限 2 1 2 虚拟仪器 将上述三大功能块放到计算机上来完成 在计算机上插数据采集卡 用计算机 屏幕形象 方便地模拟各种仪器控制面板 以各种形式表达输出检测结果 用计算 机软件实现各种各样的信号分析 处理 完成多种多样的测试功能 1 充分利用计 算机丰富的软硬件资源 就可以大大突破传统仪器在数据的处理 表达 传送 存 储等方面的限制 达到传统仪器无法比拟的效果 这就是虚拟仪器 虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和硬件 使得使用者在操作这台计 算机时 就象在操作一台他自己设计的专用的传统电予仪器 传统的单台仪器只有 一块仪器面板 而虚拟仪器的 面板 显示在p c 的屏幕上 以软件的形式存在于 计算机中 一套完整的虚拟仪器系统可以包含多个可切换的操作面板 仪器的操作 是通过鼠标选中不同的按键和旋钮来完成的 这不仅仅只是一些图形用户界面和用 小图块搭成的模块 它更是一个新颖的概念 它把由厂家定义仪器功能的传统方式 转变为由用户定义的方式 这种自定义的系统自然更灵活 功能更强 更能满足用 5 第2 章相关技术及理论基础 户不断变化的需求 在这样的系统中 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 很方便地 改变 增减仪器系统的功能与规模 从而用同一套硬件系统可实现多种传统仪器的 功能 所以有 软件就是仪器 之说 表1 显示了传统仪器与虚拟仪器的比较 特点虚拟仪器传统仪器 仪器用户自己定义功能由仪器厂家定义 功能 外设基于计算机的开放系统 封闭的系统 与其它设备 连接可方便的同外设 网络及其它连接受限 应用连接 关键软件是关键硬件是关键 部分 技术 技术更新快技术更新慢 更新 价格 低廉可重复利用昂贵 开发费用低 时间少费用高 耗时 维护 表格1 传统仪器与虚拟仪器比较 从这个比较中不难看出虚拟仪器技术的巨大优越性 正是虚拟仪器的出现 彻 底改变了传统仪器测量系统的局面 推动着传统的测量仪器突破数据处理 表达 传输 存储方面的限制 突破功能单一的限制 朝着模块化 虚拟化 网络化的方 向发展 2 1 3 虚拟仪器的系统构成 虚拟仪器系统构成的基本框图如图2 3 所示 6 第2 章相关技术及理论基础 一 l 信号调理u 黼采集卡i 一 1 lr i 一 雾 一删嘴口仪器卯m 舳卡卜 w i 富行n 位器肌cl i 象 7 i l 7 其它软件开发平台 i 仪器 l 1 i1 1 现场总线设备卜 机 工作蛄 其它计算机硬件 l 7 图2 3 虚拟仪嚣系统构成的基本榧圈 硬件系统 目前较常用的虚拟仪器系统是数据采集系统 仪器控制系统 仪器 系统以及它们三者之间的任意组合 一 数据采集系统构成方法 一个典型的数据采集控制系统如图2 4 所示 由四大部分组成 1 现场信号 俺 信号调理 放数据采集板 1 寻计簿机数据采集 感器执行机 大 滤波 隔离 一 控制软件 构激励等 图2 一典型数据采集系统框图 一个好的数据采集产品不仅应该具备高的性能 高的可靠性 还应该提供高性 能的驱动程序 简单易用的高级语言接口 只有这样才能为用户快速建立高可靠的 应用系统提供最大的方便 目前 由于多层电路板技术 可编程仪器放大器技术 即插即用技术 系统定时 控制器技术 多数采板实时系统集成总线技术 高速数据采集的双缓冲区技术以及 实现数据高速传送的中断 等高新技术的应用 使得最新的数据采集板卡能 第2 章相关技术及理论基础 保证仪器级的性能 精度与可靠性 为用户建立功能灵活 性能价格比高的数据采 集控制系统提供了很好的解决方案 二 g p i b 仪器控制系统构成方案 g p i b 技术可以说是虚拟仪器技术发展的第一阶段 g p i b 通用接口总线 尤如一 座金桥 把可编程仪器与计算机紧密地联系起来 从此电子测量由独立的手工操作 的单台仪器向组成大规模自动测试系统的方向迈进 一个典型的g p i b 测量系统由 一台p c 机 一块g p i b 接口板卡和若干台g p i b 仪器通过标准g p i b 电缆连接而成 在标准情况下 一块g p i b 接口板卡可带多达1 4 台仪器 电缆长度可达2 0 米 通 常这已经足够了 利用g p i b 扩展技术 一个g p i b 自动测量测试系统的规模无 论是仪器数量还是距离都可以进一步扩展 利用g p i b 技术 可以用计算机实现对 仪器的操作和控制 替代传统的人工操作方式 排除人为因素造成的测试测量误差 同时 由于可以预先编制好测试测量程序 实现自动测试 提高测试测量效率 利 用g p i b 技术 可以很方便地将多台仪器组合起来 形成较大的自动测量测试系统 高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务 利用g p i b 技术 还可以很方便地 扩展传统仪器的功能 因为仪器是同计算机连接在一起的 仪器测量的结果送到计 算机里头 在计算机这边增加各种不同的分析处理算法 就相当于增加了仪器的功 能 例如 把示波器的信号送到计算机后 增加频谱分析算法 就可以把示波器扩 展为频谱分析仪 三 v x i 仪器控制系统构成方法 v x i 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在仪器领域的扩展 由于它的标准 开放 结构紧凑 具有数据吞吐能力强 定时和同步精确 模块可重复利用 众多 仪器厂商支持等优点 很快得到了广泛的应用 1 在近十年时间内 随着v x i 总线 规范的不断完善和发展 v x i 即插即用系统联盟的不懈努力 v x i 系统的组建和使 用越来越方便 其应用面也越来越广 尤其是在组建中大规模自动测量测试系统 以及对速度 精度要求较高的场合 有着其他仪器系统无法比拟的优势 一个基本的v x i 仪器系统可以有三种不同的配置方法 1 g p i b 控制方案 该控制方案的组件包括插于通用计算机的g p i b 接口板 位于v x i 零槽的 g p i b v x i c 模块 连接两者的g p i b 电缆 一个v x i 机箱以及若干v x i 仪器模块 g p i b 控制方案的数据传输速率约为1 m b y t e s s 如果使用h s 4 8 8 协议可使g p i b 的 数据传输速率提高到i 6m b y t e s s i s a 总线 和3 4m b y t e s s e i s a 总线 最高可达 8m b y t e s s 其中零槽模块起g p i b 和v x i 总线翻译器的作用 该方案的优点在于可 以利用熟悉的g p i b 技术如同控制一台g p i b 仪器一样来控制v x i 仪器系统 且系 8 第2 章相关技术及理论基础 统造价较低 缺点是由于g p i b 总线的数据传输速率远远低于v x i 总线 形成整个 系统的数据交互的瓶颈 2 嵌入式计算机控制方案 该控制方案的组件包括一个v x i 机箱 插于v x i 零槽的嵌入式计算机模块 若干v x i 仪器模块以及v x i 软件开发平台 一个嵌入式计算机模块除具有v x i 系 统控制功能外 还具备一台通用p c 机的全部功能 这种配置方案中 所有的模块 均直接插在v x i 机箱的背板总线上 能实现高速的数据传送 4 0m b y t e s s 左右1 且 体积最紧凑 是实现v x i 自动测试系统的最佳配置方案 但这种配置方案的造价及 升级费用均较高 3 m x i 总线控制方案 这是另一种外部计算机控制的v x i 系统配髯方案 这种控制方案的组件包括一 个v x i 机箱 插于通用计算机的m x i 接口板 位于v x i 零槽的v x i m x i 模块 连 接两者的m x i 电缆 若干v x i 仪器模块以及v x i 软件开发平台 m x i 是由美国 n a t i a o n a li n s t r u m e n t s 简称n i 提出的一种多系统扩展接口总线 相当于把v x i 机箱 的背板总线拉到外部计算机上来 同时可实现多个v x i 机箱间的3 2 位数据交互 出于它可以直接把v x i 内存空间映射到外控计算机上来 因此在提高数据传输速率 方面具有很大优势 1 9 9 6 年n i 又推出了m x i 2 系列新产品 v x i a t 4 0 0 0 系列和 p c i 8 0 0 0 系列 其总线传输速率有较大提高 以p c i 8 0 0 0 为例 其持续数据传输速率 可达2 3 m b y t e s s 峰值传输速率可达3 3 m b y t e s s 这一性能指标已接近嵌入式计算 机 m x i 总线控制方案综合了第一种方案使用外部计算机灵活方便 易于升级以及 第二种方案高性能的优点 且造价适中 同时还可以在外部计算机上加插g p i b 接 口卡 数据采集卡 实现更大规模的系统集成 但同内嵌式方案相比 体积偏大 数据传送速率略低 比较以上三种v x i 控制方案 g p i b 控制方式适用于对总线控制的实时性要求 不高 并需在系统中集成较多g p i b 仪器的场合 嵌入控制方式由于在系统的紧凑 性 控制速率和电磁兼容方砸具有优势 因而在性能要求较高和投资较大的场合 如航天 军用等应领域倍受青睐 m x i 控制方式具有较高的性能价格比 便于系统 扩展和升级 适合于在各种实验室中实现科研系统以及对体积要求不高的场合使 用 1 b 软件系统 虚拟仪器技术最核心的思想就是利用计算机的软硬件资源 使本来需要硬件实 现的技术软件化 虚拟化 以便最大限度的降低系统成本 增强系统的功能与灵 9 第2 章相关技术及理论基础 活性 基于软件在虚拟仪器中的重要作用 n i 提出了 软件就是仪器 的口号 并 逐步提出了系统框架 驱动程序 v i s a 软面板 部件库等一系列软件标准 推动 了虚拟仪器软件标准化的进程 虚拟仪器的软件框架从底层到顶层 包括三个部分 v i s a 库 仪器驱动程序 应用软件 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 即虚拟仪器软件体 系结构 实质就是标准的i o 函数库及相关规范的总称 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系统总线的特殊功能 是计算机与仪器之间 的软件层连接 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驱动程序 仪器厂商以源代码的形 式提供给客户 应用软件建立在驱动程序之上 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 对虚拟仪器应用软件的编写 大致可分为两种方式 一是用通用编程软件编写 如v c v b 二是专业图形化编程软件 女i l a b v i e w n i 的l a b v i e w 为简化计算机编程技术 使广大普通用户也能使用计算机编程做出了 巨大贡献 n i 的虚拟仪器的开发平台l a b v i e w 把复杂 烦锁 费时的语言编程简化 成用菜单或图标提示的方法选择功能 图形 并用线条把各种功能 图形 连接起来 的简单图形编程方式 l a b v i e w 中编写的源程序 很接近程序流程图 所以 只要 把程序流程框图画好了 程序也就差不多编好了 应用软件还包括通用数字处理软件 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 如频谱分析 功率谱估计 f f t 逆f f t 时域分析的相关运算 卷积运算 反卷运算 均方根估计 差分积分运算和排序等 这些功能函数为用户 进一步扩展虚拟仪器的采样数据分析能力提供了基础 2 1 4 虚拟仪器的发展概况 发展趋势 a 发展概况 国外的仪器产业早在上个世纪8 0 年代末就开始了虚拟仪器的研究工作 在9 0 年代以美国国家仪器公司 n i m o t o r o l a 公司等著名企业为代表 开始了仪器产 业从数字化仪器 智能仪器向虚拟仪器的过渡 1 9 8 6 年美国国家仪器公司 n i 第 1 0 第2 章相关技术及理论基础 一次正式推出了虚拟仪器的概念 到1 9 9 7 年9 月1 日 n i 发布了一种全新的开放 性 模块化仪器总线规范一一p x i 为止 按照测控功能硬件的不同 业界已经存在 g p i b v x i p c d a q 和p x i 四种标准虚拟仪器硬件体系结构 5 3 从1 9 9 0 年开始 国际上陆续有虚拟仪器面市 此后 虚拟仪器产品成倍增加 到1 9 9 4 年底 虚拟仪器制造厂已达9 5 家 共生产1 0 0 0 种虚拟仪器产品 销售额 达3 亿美元 占整个仪器销售额7 3 亿的4 美国是全球最大的虚拟仪器制造国 生产虚拟仪器的主要厂家有h p 公司 目前生产1 0 0 多种型号的虚拟仪器 t e k t r o n i x 公司 目前生产8 0 多种型号的虚拟仪器 a g l e n t 公司 目前生产6 0 多种型号的 虚拟仪器 目前 这些厂家的产品已经进入我国市场 在虚拟仪器的标准化定制方面 目前国际上已经成立了两个虚拟仪器的总线组 织v x i 联盟和v p p 系统联盟 v x i 联盟负责制定虚拟仪器的硬件 仪器级 标准 规范 v p p 系统联盟负责制订一系列系统级的软件标准来提供一个开放性的系统结 构 以实现虚拟仪器总线的 即插即用 而在全世界范围内 目前有近4 0 0 家公 司在v x i b u 8 联合会申请了制造v x i b u a 产品的识别代码 i d 号 其中7 0 是美 国公司 2 5 为欧洲公司 亚洲各国仅占5 在大约1 3 0 0 种v x i 产品中 8 0 以 上是美国产品 其门类几乎覆盖了数据采集和测量的各个领域 虚拟仪器在国内的现状和发展态势不容乐观 由于虚拟仪器是随着传统电子测 控技术 计算机技术和通讯技术不断发展 不断完善而产生的一项综合性结构化电 子测量与控制技术 雨我国计算机 通信及电子产业的发展和欧美国家相比呈相对 滞后的地位 因而决定了我团虚拟仪器产业底子薄 缺少必要的软硬件技术支持 起步较晚 发展缓慢的特点 直到上世纪九十年代中后期虚拟仪器这一概念才逐渐 的被引入到我国的计算机应用行业中 先天的不足使得我国的虚拟仪器行业还处在 起步阶段 就虚拟仪器的种类来说 在信号源类虚拟仪器系统中 种类不是很多 主要有 d a 卡系统和任意波发生器 另外还有函数发生器 合成信号源等 在测量仪器类 虚拟仪器系统中 则有许多种类 其中最主要的是a d 卡系统和数据采集系统 另 外还有数字存储示波器 瞬态记录仪 数字化仪 数字多用表 频率计数器 信号 分析仪 相位计 失真仪 噪声分析仪 阻尼计等多种 原则上 非虚拟仪器里的 仪器 都可以用虚拟仪器方式实现 但在大功率领域以及射频微波领域里的仪器设 备 虚拟仪器实现比较困难 模块也较少 低频领域 以及小功率领域里 虚拟仪 器已经具有了良好的发展态势 b 发展趋势 一 软件发展趋势 第2 章相关技术及理论基础 由于软件在虚拟仪器中的特殊地位 在可以预见的将来 它有以下几个方向的发 展趋势 虚拟仪器软件的模块化 标准化 专业化 系列化和网络化 由于测量 原理 测量方法 数学模型和软件算法都不等于仪器 因而虚拟仪器的软件有若按 仪器通用要求模块化的发展趋势 将其基本硬件平台的参数作为边界条件 使用相 应的数学模型 以软件技术构建并封装成具有一个个典型仪器特点的软件模块是可 能的 在强大的市场需求下也是可行的和必要的 如数字电压表模块 频谱分析仪模 块 数字示波器模块 正弦函数发生器模块等 它们需要像硬件模块那样 由专门的仪器丌发人员研制 并形成行业标准 使其 基本功能 通用性能及指标标准化 并逐步将那些具有典型推广价值和意义的数学 模型仪器化和标准化 使人们可以像购置硬件模块那样购置软件模块 i v i i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t 基金会制定的v p p v x ip l u g p l a y 规 范 应该属于这方面的工作和技术进展 同样 种仪器功能 通常可以使用多种不同的数学模型和软件算法来实现 一般 说来 它们的运算量的大小体现了结果精度的离低 且精度与实时性之间存在着矛 盾 在不同应用场合的侧重点又各不相同 如过程控制 工程测量及动态测试通常更 强调实时性和速率 而计量校准则更关注其准确度以及各仪器参数的极限值 适合 前者的软件模型 不 定适合后者 反之亦然 这在客观上就要求虚拟仪器的软件专 业化和按照客观实际需求而分类化 以便更好地适应实际需求 这应是一个具有非 常良好前景的发展方向 软件模块的系列化是虚拟仪器的另一个重要发展方向 在实际应用过程中 有两 个比较有影响的系列化分支 将会具有广阔的前景 一个是由软件模块的专业化引 起的系列化 例如相位计虚拟仪器模块 可以使用过零检测求取时间差法 可以使用 相关分析法 可以使用正交分解法 也可以使用曲线拟合法等多种方法来实现 它们 之中 可以有实时性最好的模块 有准确度最高的模块 有适应性最广的模块等不同 特征 可以有适合闭环控制用 计量校准用 一般工程测量用等多种不同应用场合 和要求 可以按照不同的要求特点排序分类形成系列供应用者选择 从根本上说 同系列中功能相同而方法不同的软件模块 理所当然地应视为不同的仪器模块 软件模块的标准化 在客观上将对构成虚拟仪器的硬件平台提出标准化的通用 要求 同一种硬件平台 可以由于软件模块的不同而产生另一个系列化分类 将可以 在同一个标准化硬件平台上运行的软件模块 按功能特点排序 形成另一种有意义 的系列化模块软件 它将有助于节省硬件资源 促进一机多用 形成强大的 集成仪 器 功能 例如 可以在通用数据采集平台上使用软件模块 构造出 数字电压表 数字存储示波器 相位计 失真度仪 频谱分析仪 频率计数 第z 章相关技术及理论苹础 器 等多种虚拟仪器 形成具有强大测量分析功能的 集成仪器系统 而同样可 以在d a 转换卡硬件平台上使用软件模块 构造出 正弦信号发生器 方波 三角波 调幅 调频 调相 直流 等多种信号源类虚拟仪器 它们也将形成以硬件同一性为特征的 集成信号源 系统供使用者选择 当今世界是一个网络化的世界 网络延展了人们的社会空问 技术空间和生命空 问 打破了以往许多关于距离 尺寸的概念和禁忌 虚拟仪器也将顺应这一需求而发 展 网络化的虚拟仪器有可能与目前的仪器模式截然不同 它可能只是跨越时间和 空间的 个技术存在而已 使人们无法确切表述其尺寸 重量 放置场所等经典的 仪器信息 目前已经有的需求和应用 诸如远程教育 已经在提出并筹划的如远程网 络化计量校准和溯源 都属于这个方向上的进展 二 给出测量不确定度 测量结果的不确定度给出问题 一直是测量行业的一个基本阃题 在非虚拟仪器 条件下 它的给出极为困难 而虚拟仪器有着智能化和软件模型化特点 在已知硬件 极限参数和执行参量这些基本的边晃条件下 其软件模型参数的不确定度可望已知 并有希望在测量结果给出的同时 给出其不确定度 这也应该是虚拟仪器的一个发 展方向 7 1 至少在计量校准行业和社会公用计量标准中 它有着广泛的需求空间 三 硬件平台的趋势 目前的虚拟仪器硬件平台 已经有了标准化和通用化趋势 如v x i 联盟 p x i 规 范 p c i 规范 i v i 基金会等自发性标准化组织和措施 另一些要求 如标准化触发 方式 不同通道的共用时基 同步 延迟以及执行参数是否连续可调或断续可调等 涉及信号及其质量和相互关系等方面 尚未形成标准化和通用化 可能将影响虚拟 仅器软件的标准化和通用化 也将影晌其在不同平台上的互换性和移植性 故与软 件模块的标准化发展趋势一样 虚拟仪器硬件标准化也是其发展的一个重要方向 该方面的需求态势已非常明显 8 四 计量测试溯源难题的解决 计量测试仪器设备中 总有一些指标最高者 其校准溯源极为困难 由于虚拟仪 器的软件仪器化 模块化 专业化 系列化以后 有可能通过使用计量专用软件仪 器模块解决它们的校准溯源问题 这也应该是虚拟仪器的一个非常广阔的发展空 间 这种做法的根本意义在于 硬件条件相同的情况下 可以通过变化虚拟仪器的软 件模块 将其测量准确度极大提高 从而真正体现出软件在仪器中的强大作用和价 值 五 新概念仪器的提出及实现 目前的虚拟仪器 基本上是沿袭和使用着非虚拟仪器的概念和定义 完成着相同 13 第2 章相关技术及理论基础 的功能 具有同类的性能 只不过是将一部分仪器功能软件化而已 未来虚拟仪器的发展 有必要突破原来非虚拟仪器的概念 诞生新型仪器设备 它符合测量是对客观世界的一种展示这静实质理念 由于软件模型的强大能力 在 技术上也是可行的 同时 最根本的原因在于 客观上始终存在这方面的需求 六 虚拟仪器式的测量分析仪器的发展趋势 测量有两个基本问题 信号的获取 它包含对信号的采集 记录存储和使用 一般有参数获取 波形获取 特征值获取等 信号的表述 它包含对信号的分析 分解基础上的重构技术 可以有序列表述 参数表述 函数表述等 关于虚拟仪器式的测量分析仪器 很多功能都类似于m a t l a b 中的函数或数学处 理功能 不同的是 它有仪器特征和边界条件 且针对的是信号 而非数据 对于静态测量仪器 仪器特征和边界条件体现在量程和分辨力上 对于动态测量仪器 仪器特征和边界条件主要是波形量程 波形分辨力 包括幅 度范围及分辨力 时闻范围和分辨力 还有动态过程响应能力 测量分析仪器的发展方向将依信号模式的不同而不同 对于具有明确形状或函数关系的确定信号 基于各种正交变换和分解原理的测 量分析仪器将具有广阔的发展空间 同时 各种数字滤波技术和最优化技术将使这 一方向的软件技术更加强大和丰富多彩 o 们 对于随机信号 以及信号的随机特征 预计人们可以研制一系列用于统计特性分 析的虚拟仪器 例如 幅度特征参数的直方图分析仪 高阶累量分析仪 时频分析仪 短时傅里叶变换分析仪 随机信号谱分析仪 最大熵谱分 析 最小交叉熵谱分析等 等 随着现代信号处理理论与实践的深入发展 相应技术 的仪器化应用进程 将是虚拟仪器又一个重要的发展方向 七 信号源类虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器信号源的主要目标 是以尽量简洁的方式 按人们可以想象出来的数学 关系式产生信号波形以及产生无法用简单数学关系式表述的陷线波形 这要求虚拟 仪器信号源提供强大的软硬件资源 以能够按函数关系式及足够密集的时间间隔 足够快的响应时间和足够小的失真产生所要求的信号波形 另外 配合分析仪器类 的需求的一些标准化 功能化的通用模块的发展和研制 也是其发展方向之一 1 4 第2 章相关技术及理论基础 2 2 中学物理教学相关理论 2 2 1 物理实验能力是物理教育的能力发展目标之一 物理教育的基本目标之一是要提高学生的文化素质和思维素质 使学生在德 育 智育 美育和劳动技能教育四个方面获得全面发展 文化素质 是指人通过后 天拥有的各种文化知识总合 促使自身感官和大脑提高认识各种社会意识形态的速 度 深度 灵敏程度和正确程度 思维素质 是指人通过后天拥有的各种思维能力 总和 促使自身的感官和大脑提高思考各类问题的速度 深度 发散程度和正确程 度 物理学首先是一门科学文化 这提供了通过物理教育发展文化素质的可能性 物理教育又是一种科学教育 物理教育的中心环节是物理教学 物理现象与物理实 验的教学 主要培养着学生的观察 实验能力 物理概念和规律的教学 主要培养 着学生的思维能力 物理知识的应用则主要使学生应用物理知识解决问题的能力得 到锻炼 渗透在这一切知识教学内容中的物理方法教学 主要丰富着学生对物理学 科学方法的认识和理解 如物理学是以实验为基础的科学 物理实验将对学生观察 思维 动手等各方面进行训练 物理实验能力的增强 能帮助学生在实际劳动中全 面考虑和具体处理问题 物理实验的操作技能技巧 不但能提高学生肢体反应的灵 敏 准确 和谐 而且有些技能技巧可以直接丰富学生的劳动技能 物理实验还能 够培养学生尊重科学 实事求是的态度 不怕失败 追求真理的毅力和爱护仪器 善于和别人合作等良好最质 物理教育的原则之一是要发挥物理实验的综合作用 这一原则旨在通过物理实验的多种功能提高物理教学效率 其基本含义是 在物理 教学中要注重发挥物理实验对传播知识 培养能力 提高素质以及培养非智力因素 的多种功能 这一原则的提出是基于要充分利用物理实验的多种功能 让学生在较 短的时间内通过物理研究的基本模式受到综合教育 从准备用实验的方法研究一个 问题开始 设计实验 选择仪器 直到处理数据 得出结论并分析误差 写出报告 其全过程几乎可以容纳物理教育全面发展的全部目标 所以认为物理实验仅能培养 学生动手能力的看法是片面的 特别是 物理实验对发展兴趣 培养分析 归纳与 创造性思维能力 培养操作能力 观察能力 提高劳动技能以及感受简单美 进行 莱些品德教育等等 都是其他物理教学手段很难集于一身的 2 2 2 物理实验能力的构成 物理实验能力是一种综合能力的表现 从实验前的设计 至实验实施中的操作 第2 章相关技术及理论基础 和观测 再到实验数据的分析处理和实验报告的撰写 都是物理实验能力的表现 在这诸多的实验能力的构成因素中 主要的是实验设计能力 实验操作能力 实验 观测能力和实验数据处理能力这四种能力因子 1 实验设计能力是指在理解与掌握了实验目的 实验原理 实验方法等的 基础上 具体设计实施实验的能力 为此 首先 每次实验都要让学生明确设计实验的目的 掌握正确的实验设计 原理 所谓实验的目的 就是回答为什么做实验的问题 有明确的做实验的露的 才能进一步去理解实验原理 其次 要求学生掌握实验的基本方法 实验的基本方法有三种 一是实验归纳 法 这是通过实验事实归纳出物理概念和规律的认识方法 二是实验验证方法 这 是指根据已有的经验和知识 经过推理 提出假设和预见 然后再通过实验来证实 的方法 这是一种结论在前 实验在后的科学方法 三是理想实验的方法 这是根 据科学抽象的理想纯化作用 有意识地突出研究的主要因素 摊除次要因素和无关 因素的干扰 在头脑中构思成理想化实验 用以代替难以实现的实验来进行研究 再次 应教给学生实验设计的基本思想方法 要设计一个物理实验 就要首先 对这个实验进行构思 实验的设计与构思大致有以下几种 一是平衡法 其实质就 是利用偏离平衡的因素的抵消效应 用已知的物理量去检测另外未知的物理量 二 是转换法 就是借助于力 热 电 光 机械等方法之间的相互转换 依据等效的 思想 把一些不易观察不易测量的量转换为可观察 可测量的量 三是放大法 就 是借助予声 光或叠加等方法将物理现象域要测的物理向放大看再去观测 四是比 较法 就是利用异中求同或同中求异 对物理现象或物理量进行比较 五是再现法 就是利用实验 模拟自然现象 2 实验操作能力是指对实验仪器 工具 实验过程等的动手操作能力 它 是实验得以顺利进行的一种动手能力 实验操作能力主要是在实验操作过程中逐步 培养起来的 为此 首先 要求学生装配仪器 合理排布 有一些较为复杂的仪器需要首先 把仪器的各个零部件装配起来 要求装配的正确 合理 完善 每种部件 对号入 座 对于运用多种仪器 仪表的实验要合理摊布 其排布的原则为便于接线 便 于检查 便于操作和便于观测 正确地把各种仪器仪表联结起来 其次 要求掌握仪器调节的方法 在装配联结好各种仪器后 要对仪器仪表进 行预备性调节 要求学生掌握各类仪器的调节方法 再次 要求学生按实验规则进行实验操作 要根据实验的要求和各种仪器的使 用规则进行正确操作 要逐步训练学生操作动作规范 f 确 熟练快捷 动作干脆 1 矗 第2 章相关技术及理论基础 利落 再次 锻炼学生及时排除实验故障 顺利进行实验 当实验做不下去 数据很 不合理 说明实验过程出现了故障 出现故障要首先进行故障分柝 分析实验故障 一般可以用以下三种方法来寻找故障原因 一是从分析现象入手