虚拟仪器技术及其教学应用.doc

虚拟仪器技术及其教学应用朱敏1 张际平1 潘侃凯21华东师范大学教育信息技术学系，上海 200062； 2上海交通大学物理系，上海 200240【摘要】本文介绍了虚拟仪器的基本定义、发展阶段以及与传统仪器的比较，详细阐述了其开发原理和关键技术，并从虚拟仪器的三个主要特点出发，分析了其在教学上三个方面的重要应用。【关键词】虚拟仪器；VI；教学应用一、虚拟仪器概述1什么是虚拟仪器在现代科技发展的过程中，不断创新的计算机技术从各个侧面影响着不同领域技术的发展模式。虚拟仪器是在20世纪后期随计算机水平和软件技术的迅速进步而出现并发展起来的有别于传统仪器的新概念。虚拟仪器(Virtuallnstrument，简 称V1)技术突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，将日益普及的计算机技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使用户在操作计算机时，如同在操作自己定义的 仪器，可以方便灵活地完成对被测试量的采集、分析、判断、显示及数据存储等，是一种基于计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法，是除理论与实 物实验之外的第三种研究设计手段和形式。虚拟仪器技术充分利用了最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。2虚拟仪器发展阶段虚拟仪器经历了由模拟仪器、带GPIB接口的智能化仪器到全部可编程虚拟仪器的发展历程。虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的巨大推动作用。虚拟仪器发展至今可以大致分为三个阶段，这三个阶段的过程都是以计算机技术的持续发展为基础的，因此，各阶段之间没有明显的分界线，是一个较为连续和逐步发展的过程。(1)基于计算机技术来提升传统仪器功能阶段由于计算机技术可以很容易地实现数字化并与外界通信，因而开始有人设想运用计算机中先进且易用的软件，帮助增强仪器系统的功能、分析和处理特定的数据、显示和输出特定的结果，而不是局限于仪器的固定功能上。这个阶段是虚拟仪器开始出现的时期。(2)内在标准统一阶段随着虚拟仪器的普及，为了满足虚拟仪器市场不断增长的需求，人们希望尽可能地提高效率和重复使用各种技术，使设计过程变得更加简单。在这样一种需求的刺激 下，生产商和仪器提供商逐步实现了内在标准的统一，使得许多在仪器上通用的元器件也成为计算机工作的标准平台，这样，与特定仪器相关的模块化可重用代码可 以以文件形式存储在硬盘和软盘上，配合仪器在不同的计算机上使用，计算机真正成为了虚拟仪器灵活运用的一部分。(3)虚拟仪器软件封装及组合阶段在第二阶段的基础上，软件领域的面向对象技术把离硬件较近的接口程序和高级应用程序以及专门仪器的转换驱动程序封装起来，方便用户直接使用，同时，用户也可以根据需要任意取用软件中的某一程序。到了这一阶段，软件成为了数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键，也成为了虚拟仪器的灵魂。3虚拟仪器和传统仪器的比较下图是传统仪器和虚拟仪器体系对比图。从图中可以看出，传统仪器需要根据不同的要求连接不同的显示处理设备，例如示波器、频谱仪、锁相放大器等，得到的也仅仅是简单的原始数据。而虚拟仪器利用基于标准化接口技术的任意形式的数据采集装置，例如插入式DAQ卡、GPIB仪器等，将被测单元的信号采集到计算机，计算机上虚拟仪器软件系统由用户自行定义，可以反馈信号到被测单元进行实验状态控制，也可以根据需要对采集的信号进行处理和分析，再以不同形式输出， 例如函数计算值、拟合处理结果、图表表达形式等，并且支持网络传输，实现用户的异地实时控制实验仪器、获取实验数据等。传统仪器主要依赖不同功能的硬件设备来完成实验，由于硬件功能的单一和固定，实验仪器的功能受到限制。虚拟仪器的核心是软件，用户根据实验要求编写和重组软硬件系统模块，可以大幅提升和扩展仪器功能，满足实验的不同要求。由此可以看出，基于计算机软硬件发展水平、基于软件自定义来实现和扩展仪器功能等虚拟 仪器的开放式特点，使得虚拟仪器和传统意义上的仪器存在很大差别。 二、虚拟仪器的开发1虚拟仪器的基本开发原理从开发角度来看，虚拟仪器系统由计算机、应用程序和仪器硬件组成，仪器硬件通过标准的接口与计算机连接，可通过计算机获取仪器 硬件(如DAQ、GPIB、VXI、RS232)测量结果的可重复使用的源码库函数构成了基本的软件模块，用户可以通过软件技术构造自己的虚拟仪器系统， 当用户的实验要求变化时，可以方便地通过增减硬软件模块或重新配置现有系统满足实验要求。2运用LabVIEW开发虚拟仪器LabVIEW(LaboratoryVirtuallnstrumentEngineefingWorkbench,实验室虚拟仪器工程平台)是一个图形化软件开发环境。LabVIEW程序分为前面板和程序框图两部分。前面板是用户接口，用于向程序中输入各种控制参数(控制部件)，并以数字或图形等形式输出测试结果(显示部件)，一般有表头、按钮、拨盘等各种元件，非常形象地模拟了传统仪器的面板。程序框图是以图形表示的程序源代码，是实现程序功能的核心部分，类似于传统仪器中用来实现仪器功能的零部件。”前面板中的各种控制部件和显示部件在程序框图中都有对应的端子，各端子之间按照用户的需要用数据 线、函数节点、结构等以一定的数据关系和数据方向连接起来。这就是运用LabVIEW开发虚拟仪器的基本原理。3开发虚拟仪器的关键技术(1)确定函数关系在开发虚拟仪器的过程中，最重要的就是如何确定各元件之间的函数关系。通常来讲，在实验教学中，基本的教学目的有两种，一种是对已知定律或公式进行验证； 另一种是测量物质的某些物理量，通过分析和处理测量数据获得对物质特性等的了解。对于第一种情况，可以直接在程序中加入已知定律或公式中的函数关系，甚至 是直接调用LabVIEW中已有的函数加以修改；对于第二种情况，一般的做法是由实验教师和设计者事先进行反复实验，将获得的实验数据进行计算，获得数据 之间的函数关系，再将这个函数关系写入程序中。(2)随机数的巧妙运用虚拟仪器应用程序有一个特点，那就是当程序中数据之间的函数关系一旦确定后，用户每次输入特定的初始值都将得到完全一致的精确结果。但是在实际的实验中， 由于仪器、环境等各种因素，每次测量的结果是不可能完全一致的，并且由于实验误差总是存在的，实验结果必然存在着误差范围内的波动。为了确保这种必要误差 的存在，笔者在开发虚拟仪器的时候，加人了对随机数的运用，即在程序中将用户输入的初始值加上一个控制在一定范围的随机数，每次运行程序随机数都在一定范 围内随机取值，使得每次的实验结果都有一定的波动，从而避免了不同的学生使用虚拟仪器做实验时总是得到相同的实验结果，也让学生充分认识到实验误差总是存在的，从而增加了实验的可信性。(3)拟合计算处理实验数据LabVIEW具备的曲线拟合功能可以对各类实验曲线进行拟合，通常包括线性拟合、指数拟合、多项式拟合等。在实验中得到的一般是一系列离散的数据，对这些数据按照合理的模型进行拟合处理，可以找出数据之 间的内在关系，并以表格和曲线的形式表现出来，非常直观明了。在虚拟仪器中把这一功能附加进去，可以帮助学生更好地理解实验现象、认识物质特性，也是课后重复实验和撰写实验报告时分析和检验实验数据的有效工具。三、虚拟仪器的特点及其在教学上的应用1基于日益发展的计算机技术，使实验具备先进性和精确性虚拟仪器是以计算机和软件为核心的，通过软件将计算机硬件资源与仪器有机地融合为一体，能够把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起。对于实验课程教学来说，提高教学内容的先进性是帮助学生学习前沿科学知识的重要手段。验证现有理论的正确性与探索未知领域的现象和规律是实验的两大首要任务，但一直以来，由于供学生使用的实验仪器相对落后，而先进的仪器价格又过于昂贵，阻碍了学生探索和认识世界的进程。要使得学生能够接触到前沿的科学知识，就必须提供先进的实验仪器帮助学生学习和理解。如何在现有基础上提升实验仪器性能，在不增加或增加少量开支的基础上使实验仪器在精确性、灵敏度、可测范围等方面有一个大的飞跃，让先进的实验内容走进实验教学课堂是摆在从事实验课程教学的教育者面前的一个难题。虚拟仪器充分利用了最先进的计算机技术来提 升和完善实验仪器的性能，具备精确性和科学性，同时使用成本又相对低廉，这为前沿科学知识走进实验教学课堂提供了基本却是非常重要的条件。2软硬件结合，功能模块重组配置，具备灵活性和开放性虚拟仪器包括两大部分：硬件和软件，硬件是仪器的基础，软件是仪器的灵魂，软硬件结合的方式使得仪器功能易于增减和修改，改变了以前仪器功能固化在硬件上，无法升级的缺点。在实验课程教学中，引入先进的教学内容、开发新的实验项目、开设学生自学基地等都需要完备的实验平台作为基础。目前的实验教学设备一直存在着易损坏、功能 单一、重复利用率低等问题。虚拟仪器采用软硬件结合、功能模块重组配置的方法，大大提升了实验仪器设备的功能和重复利用率，增强了实验课程教学平台的可扩 展性。3网络传输和远程控制，具备时间和空间可扩展性运用虚拟仪器软件，如LabVl2W自带的网络发布功能，可将Intemec与虚拟仪器结合起来，通过网络来传输数据和控制仪器，从而实现异地实时操作，使得实验项目的进行具备了时间和空间的扩展性。实验课程的远程教学一直是一个很大的难题，它不像理论课的远程教学，可以通过下载教学课件、教学资料、在线点播、收看电视教学节目等形式进行。目前，解决 这一问题的途径主要有两种。第一种是目前国内普遍采取的方法，就是让参与远程教学的学生在一个集中的时间到学校参与实验课教学。由于时间紧、课程过于集中 等原因，这种方法存在的弊端是显而易见的；第二种方法是让学生邮购专为教育制造的廉价实验仪器，学生自己在家中做实验，目前国外一些远程教育机构采用的就是这种方法。虽然采用这种方法能够让学生自由操作仪器，培养学生自主学习的能力和创新能力，但是由于缺少教师的有效指导，很难保证达到如期的教学目的。另外，人手一套实验教学仪器将耗费大量的资金，对于发展与推广远程教育不是行之有效的方法。利用虚拟仪器，学生可以在个人电脑上安装虚拟仪器软件，即可以实现本地甚至是基于网络的远程操作和实验仪器控制，以及实时真实的数据传输，如同实地操作实验仪器一样方便灵活，同时由于教师或设计者事先定义了虚拟仪器的 功能和实验步骤，可以有效地帮助学生完成预定的教学目标。从这个意义上说，虚拟仪器技术在实验教学上的应用是实验课程远程教育发展的突破点和转折点。综上所述，笔者认为虚拟仪器的诸多特点从实验教学内容、平台建设、模式革新三个方面推动了实验教学的发展：(1)虚拟仪器以先进的计算机技术为基础，使得 前沿科学知识走进实验教学课堂成为可能；(2)虚拟仪器采用软硬件