虛擬儀器技術引入高職教學的思考

[摘 要] 本文從高職學生就業出發，提出虛擬儀器技術在工業應用中的潮流和趨勢，結合Labview軟件開放性對高職類院教學工作給出一種參考思想，也通過用舉出Labview設計和替代幾種常用教學儀器來說明Labview在學校中測量儀器方面有著廣泛的應用，說明作為教學內容將Labview補充到教學中的必要性。

[關鍵詞] 高職教學 虛擬儀器 Labview

引 言

隨著改革開放的不斷深入，我國大學生的就業制度由“統包統配”發展到“自主擇業”。高職學生就業形式嚴峻，尤其是畢業后大多高職學生就業質量低下。產業化的進一步深化，使生產企業和技術服務性企業對就業人員的要求不再像過去動輒要求大學本科那樣的高素質類型，而是更加務實，不要求“全才”，而要求“專才”。產業化發展使得很多行業過去認為是精英人才參與的工作崗位，變為對某些具體技術熟練度的要求，從“白領“工作變為”灰領“工作。從而使高職學生有了更大的就業市場。

近年來，我國高職教育發展迅猛，出現了辦學資源不足、辦學定位不準、辦學質量上不去等一系列問題。《關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見》中明確指出，高職教育在專業改革與建設、課程建設與改革、人才培養模式改革、實習實訓基地建設、專兼結合的專業教學團隊建設等方面要加強校企合作，以解決目前高職教育所面臨的問題。作為學校本身，除了購買新設備，還應該從自身角度出發，將科研與本校實際情況相結合，引導教師把一些科學技術研究工作應用于學校舊設備改造和實驗室改革，以便更好地利用教學資源，為教學服務。

虛擬儀器是一種全新的儀器概念，在自動化檢測領域的應用正方興未艾，而LabVIEW是科學家和工程師們進行虛擬儀器應用開發的首選工作平臺。將虛擬儀器引入高校的教學不但可以提高教學內容的實用性，也為降低實驗儀器成本提供了有效的途徑和方法。

傳統電子儀器的缺點

從普通意義上看，傳統電子儀器主要由三大模塊組成：即對被測信號的采集與控制、分析與處理、測量結果的表達與存儲。傳統電子儀器的這些功能塊都是以硬件或者固化的軟件的形式存在的，因此具有一些弱點。

首先，靈活性和可擴展性差。傳統意義的電子儀器是自封閉系統，具有固定的用戶界面、組成模塊和數據處理能力。

其次，成本高，技術更新慢。一般傳統意義的電子儀器價格較貴，動輒十幾萬幾十萬甚至更多。開發周期較長，技術更新也較慢，而且存在元器件老化等問題，維護費用高，使用壽命短。

第三，數據顯示、分析和存儲功能不夠強大。傳統意義的電子儀器的圖形顯示界面比較小，依靠人工讀取數據從中獲得的信息量小。由于硬件設備的限制往往無法實現更靈活、更特殊的數據分析功能，更難以進行數據編輯、存儲、打印等功能。

隨著莫爾定律的持續發展及計算機技術的日新月異，虛擬儀器系統的功能也越來越強大，這都有利于“虛擬”測量和自動化系統的發展。成本低廉的計算機系統被廣泛應用到實驗室的產品研發及生產線上產品的制程中。個人計算機的不斷發展使得虛擬儀器系統成為一種低成本、高彈性的解決方案，更大大提升了企業生產率，這是傳統獨立的儀器設備所無法比擬的優勢。虛擬儀器正在大規模地替代傳統的測控儀器，尤其在新建項目中的非標測控儀器。

虛擬儀器及Labview介紹

虛擬儀器(Virtual Instrument)的概念是美國國家儀器公司(NI)于20世紀80 年代中期提出來的。核心是以計算機作為儀器的硬件支撐，充分利用計算機的運算、存儲、回放、調用、顯示以及文件管理等智能式的功能，把傳統儀器的專業化功能軟件化，這樣便構成了一臺從外觀到功能都完全與傳統硬件儀器相同，同時又充分享用了PC 機資源的全新儀器系統。LabVIEW是目前國際上唯一的基于數據流的編譯型圖形編程環境，它把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標提示的方法選擇功能（圖形）， 并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術人員都可以按照測試要求和任務快速“畫”出自己的程序，“畫”出儀器面板，這大大提高了工作效率，是一種優秀的虛擬儀器軟件開發平臺。2007年美國NI公司推出的LabVIEW8.5版本。通過狀態圖設計模塊對系統行為進行建模和實現，并提供了專用于工業監控的全新FO庫和分析函數，從而將LabVIEW平臺進一步擴展到嵌入式和工業應用。

應用案例

利用普通聲卡作為信號采集硬件，以美國Nl公司的虛擬儀器軟件LabVIEW8.5作為開發平臺，可以實現多種實驗教學設備的設計。波形分析、頻譜分析、相關分析等信號分析理論是測試技術課程教學中的難點，傅立葉變換公式、卷積分定理等常常讓學生很頭疼。為提高教學效果，我們借助虛擬儀器實驗將這些理論知識進行可視化表達。

1.虛擬示波器的實現

虛擬示波器對采集信號進行時域分析，可以實時顯示波形，并實現對信號的頻率、周期和幅值的測量。程序主體部分由數據采集和數據分析構成，程序使用while循環結構。設計的函數有Sound Aquire.vi、Sound Iutput Configure.vi、Sound Iuitput Start、Sound Iutput Read.vi、 Iutput Stop.vi、Sound Iutput Clear.vi等。

可以通過名為幅值控制和時間軸控制的旋轉按鈕分別來動態控制Y軸量程和X軸量程大小以及測量游標顯示的位置，同時根據通道的選擇(通道A或通道B)相應顯示對應的波形。設計方法主要是通過波形控件的屬性節點來實現。

采用PC機技術、聲卡技術和虛擬儀器技術， 實現了對音頻信號實時、高保真的采集與處理。整個系統性價比高， 通用性強， 界面友好， 性能穩定可靠。如果在上配置多塊聲卡并行工作， 該軟件稍加修改， 完全可以構成一個多通道音頻數據采集處理系統， 滿足音頻數據采集及處理的需要。如果采用筆記本電腦則無需添加任何硬件就可以構成便攜式測量系統。

總之，用聲卡作為數據采集硬件，在LabVIEW開發環境中構建的數據采集系統和信號發生系統，能夠做到擁有較高的采樣精度和中等采樣頻率，能夠把聲卡的廉價性和LabVIEW的靈活性很好地結合起來，在特定的應用場合是一種明智的選擇。

2.虛擬頻譜分析儀的實現

頻譜分析是信號的一種頻域分析方法，其目的在于了解信號的頻率成份以及每種成份的強度大小。該分析儀實現了對采集信號的幅值譜分析、相位譜分析、功率譜分析、FFT變換等功能，程序與虛擬示波器的程序較為相似，都是分為數據采集和數據分析兩大部分。信號濾波部分，可以采用Butterworth濾波器進行低通濾波，采樣頻率根據需要設定，頻率的上限設為200 kHz，下限設為50 Hz，或設為可調。信號加窗中，可以對信號進行加窗處理，包括矩形窗、漢寧窗、漢明窗等。

3.虛擬信號發生器的實現

其主要是結合聲卡驅動函數，在LabvIEW開發平臺下，可以產生雙通道信號，信號包括常用的正弦波、三角波和方波等。并且能實現頻率粗調、微調、頻率掃描等功能。

虛擬信號發生器程序的主體部分處于while循環結構中，由While循環體實現波形參數設置，數據緩沖音量控制和波形產生功能。可實現100 Hz～15 kHz范圍內信號的實時采集、時域分析和頻域分析功能。聲卡A／D轉換性能優越，技術成熟，配合LabView強大的數據采集與處理功能，可構建一個性價比高、通用性強、界面友好、數據存儲方便的數據采集系統。

測量系統歷來被稱為“自動化的荒島”，因為您必須為每個單一的應用專門設計一套獨立的系統。有了虛擬儀器系統，模塊化的硬件組成及開放式的工程應用軟件可以簡單地使一套系統同時符合各種測量應用的要求。

小 結

隨著測量和控制應用領域對系統性能和靈活性要求的不斷提高，軟件的設計功能也日漸重要。購置工程應用開發平臺并擁有其最佳性能，可以使企業大大縮短開發時間并提高每個工程師的工作效率。配備了這樣強有力的工具，企業才能在劇烈的競爭中贏得最終勝利。而高職將“廠中有校”、“校中有廠”，廠校結合，合作辦學作為主流辦學理念，將相關專業的學生培養成企業滿意的員工，在教學中我們始終應根據行業的動態和趨勢實時引入切實有益的新技術新工具，不“閉門造車”。這樣我們高職學生走出校門才能在就業市場找到更加廣闊的用武之地，更好地為社會服務。

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作者單位：陜西工業職業技術學院 陜西咸陽