Ｌａｂｖｉｅｗ在測試技術實驗教學中的應用

摘要： 本文將虛擬儀器引入教學實驗，闡述了虛擬儀器的特點，并通過開放式虛擬儀器開發平臺（LabVIEW）針對具體事例，探討虛擬儀器在實驗教學中的優勢。

關鍵詞： 虛擬儀器 LabVIEW 實驗教學

1 前言

虛擬儀器（Virtual instrumentation）是二十世紀九十年代發展起來的一項新技術，其核心思想為“軟件即儀器”［１］［２］。它是指通過應用程序，將通用計算機與功能化模塊硬件結合起來，由用戶根據友好界面來操作計算機，自己定義和設計儀器。在測控領域應用越來越廣泛，利用NI虛擬儀器技術，用戶可快速組建自己的測試系統，從而完成對被測試量的采集、分析、處理、判斷及顯示等一系列功能。開放式虛擬儀器開發平臺（LabVIEW）在教育領域也得到迅速推廣與發展，許多高校建立了相關的虛擬儀器的課程。它給傳統的教學研究帶來了巨大的變化，尤其在實驗教學和科研中起著越來越重要的作用，它不僅是大學教學活動的重要實踐環節，而且是教育部本科教學評估的一項重要內容。因此，進一步加強實驗室建設，不斷改革實驗教學是十分必要的。

2 虛擬儀器特點及優勢

傳統儀器的硬件是其關鍵，功能由廠商定義，因此其擴展性能較低。而虛擬儀器由于其面向應用的系統結構，所以功能可由用戶定義，軟件是其關鍵。主要特點如下:

(1)由于其以PC為核心，使得許多數據處理的過程不必像過去那樣由測試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用PC機CPU的強大的數據處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測試系統的測試精度、速度大為提高，可實現自動化、智能化、多任務測量。

(2)可方便地存貯和交換測試數據，測試結果的表達方式更加豐富多樣。

(3)虛擬儀器可在較高性價比的條件下，降低系統開發和維護費用，縮短技術更新周期。

(4)近年來，隨著網絡技術的發展，已經形成了網絡虛擬儀器。這是一種新型的基于Web技術的虛擬儀器使得虛擬儀器測試系統成為Internet/Intranet的一部分實現現場監控和管理［３］。

虛擬儀器與傳統儀器的優勢主要體現在以下幾個方面［４］：

虛擬儀器技術發展非常迅速，所有測量測試儀器的主要功能可由數據采集、數據測試和分析、結果輸出顯示等三大部分組成，其中數據分析和結果輸出完全可由基于計算機的軟件系統來完成，因此只要另外提供一定的數據采集硬件，就可構成基于計算機組成的測量測試儀器。基于計算機的數字化測量測試儀器就稱之為虛擬儀器。注意：這里所指的虛擬儀器和EDA仿真軟件中的虛擬儀器概念完全不同，它可以完全替代傳統臺式測量測試儀器。而EDA仿真軟件中的虛擬儀器是純軟件的、仿真的。

虛擬儀器在實驗教學中的優勢主要體現在［５］：

（1）在一些實驗條件不具備或不完全具備的高校，能夠開設虛擬儀器的實驗教學。由于學校的人力、實驗設備的數量和時間的限制，導致不可能讓每個學生都能單獨地完成若干次實驗，而虛擬儀器能省時、有效地解決實驗設備短缺三方面的問題。

（2）在虛擬的實驗平臺上，能夠方便、具體地進行各種參數的設置和操作，對于虛擬儀器本身不受實驗環境、條件及設備精度的影響，測量的數據穩定、可靠。

3 虛擬儀器在大學實驗中應用

虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術綜合集成的產物，代表了現代測試技術和儀器技術發展方向。在大學實驗中，主要針對測試技術、機電專業等相關專業。利用LabVIEW功能強大的圖形化的開發環境，完成仿真、數據采集、儀器控制、測量分析和數據顯示等任務。在配備數據采集卡的基礎上，使用LabVIEW即可在單個環境下提供廣泛的采集、分析和顯示功能。因此，通過大學實驗，與理論更好地結合起來，更好地發揮學生主觀能動性和加深對硬件、軟件的理解，這樣使教學達到事半功倍的效果。對于一般的物理量（速度、位移、力等等）的測試過程都是差不多的。下面舉一個綜合性測試技術應用實例：利用位移傳感器和數據采集卡，通過LabVIEW來完成數據采集、電機的控制、數據處理與顯示。

具體的操作步驟如下：

（1）安裝：把電感式位移傳感器安裝在某一結構上，該結構與電機連接，主要是為了能自動的測量某一圓管的直徑。

（2）標定：為了保證測量的準確性，對于任何傳感器在使用之前，必須先對其進行標定。針對該實驗使用的電感式位移傳感器的標定方法是如圖1所示：通過測量標準圓管兩次，即可算出該組傳感器的靈敏度。

（3）測量與控制：通過數據采集卡來獲取傳感器的測試的數據，利用LabVIEW來對這些數據進行處理，然后直接顯示在界面上如圖2所示。為了能實現自動測量的目的，同樣利用LabVIEW來控制脈沖的數量，即可控制電機的速度，如圖3所示。

這個應用實例包括了三個基本的實驗：傳感器數據的采集、數據處理和結果顯示。經過這些基本的實驗訓練，學生能夠更好地掌握自動控制的內容和虛擬儀器編程技術；能夠在LabVIEW這個功能強大又方便靈活的虛擬儀器開發平臺上，創造出比傳統的測試儀器具有更高智能、更高性能價格比、更加可靠及便于操作的先進儀器。也有些學生根據課程上學到的知識，自己選擇實驗內容，或者另行設計實驗方案，在LabVIEW環境中，進行自己感興趣的實驗，這樣既拓寬了學生的知識面，又增加了學生的積極性。由于我們的實驗環境軟硬件完全是工業標準的產品，學生在實驗中開發的許多虛擬儀器完全可以直接應用到生產實踐中去，對于提高他們的工程素質帶來極大的好處，使他們在未來工作中能夠從容面對測試技術領域的挑戰。

4 結論

利用虛擬儀器技術，通過大學實驗的方式，學生可以自己開發實驗的虛擬儀器，來完成實驗，在這個過程中LabVIEW起到了不可替代的作用。這樣不僅顯著降低了實驗設備投資，而且培養了學生的創新精神，提高了學生的工程素質，為高等工程教育實驗教學帶來了革命性的變化。人機交互的特點尤其適用于個性化教育，是因人施教、因材施教，培養高素質的綜合型人才的重要手段。

在LabVIEW這個高效的虛擬儀器開發平臺上，學生自己可以用圖形語言開發出各種儀器，綜合應用所學過的各學科知識，在普通的計算機上構建一個個人實驗室［６］，從而完成實際測試過程，達到與用實際儀器教學的相同目的。這樣教師和學生既可以擺脫功能單一、固定和不易重新配置的現成儀器的束縛，還可以充分發揮自己的積極性和創造性。總之，開發和利用虛擬儀器教學實驗系統更快、更新地構建出集成度高、適應性強的實驗室虛擬儀器系統，是高校實驗教學改革的一個新的發展方向。

參考文獻：

［1］汪敏生.LabVIEW基礎教程［M］.北京：電子工業出版社，2002.

［2］楊樂平，李海濤，肖凱等．虛擬儀器技術概論［M］.北京:電子工業出版社，2003.

［3］裘偉延.基于LabVIEW的虛擬儀器和虛擬實驗［J］.新技術應用，2002，(5):17-20.

［4］葉德云，曹薇.基于LabVIEW的測量與控制系統及其在教學中的應用［J］.電子工程師，2005，31(3)：3-4.

［5］伊妍萍，王健，李天石.LabVIEW在教學測試實驗中的應用［J］.實驗室研究與探索，2002，21(1):63-64.

［6］陸綺榮．基于虛擬儀器技術個人實驗室的構建［M］.北京:電子工業出版社，2006.