高職《虛擬儀器技術》課程教學實踐探索

賈佳

（西安航空職業技術學院 陜西 西安 710089）

高職《虛擬儀器技術》課程教學實踐探索

賈佳

（西安航空職業技術學院 陜西 西安 710089）

虛擬儀器設計已經成為測試和儀器技術發展的一個重要方向，是一門具有較強實用性的專業課。文章從增強學生對該課程的實踐能力、提高學習興趣入手，通過教學實例介紹自行開發虛擬儀器實驗設備及相應實驗教學項目的方法及意義。

高職；虛擬儀器技術；教學實踐

隨著計算機技術的迅猛發展，儀器技術由模擬儀器、數字儀器、智能儀器逐步發展到了虛擬儀器。虛擬儀器越來越受眾多科研及技術人員的關注，其應用領域遍及教育、通訊、工業等各個行業。在此背景下，越來越多的高職院校組建虛擬儀器技術實驗室，開設相關課程，培養虛擬儀器技術類科研與應用人才。然而，在虛擬儀器技術重要特點的數據采集處理方面，多數高職院校限于使用現有的儀器設備完成固定的實驗項目，阻礙了學生創新能力和可持續發展能力的發展。我院通過將虛擬儀器技術與Proteus仿真技術相結合，在虛擬串口軟件的支持下實現了單機硬件通信仿真，不但培養了學生虛擬儀器技術的基本理論知識、實踐技能、工程應用能力，還加強了學生對課程間相互聯系的理解，取得了較好的效果。

虛擬儀器概念及特點

虛擬儀器的概念 虛擬儀器主要由通用的計算機資源、應用軟件和儀器硬件等構成。使用者利用應用軟件將計算機資源和儀器硬件結合起來，通過友好的圖形界面來操作計算機，完成對測試信號的采集、分析、判斷、顯示和數據處理等功能。虛擬儀器中的硬件主要用于解決信號的調理以及輸入、輸出問題。而軟件主要用于實現對數據的讀取、分析、處理、顯示以及對硬件的控制等功能，這些功能在傳統電子儀器中往往通過硬件來實現。常見的虛擬儀器組建方案如圖1所示。

圖1 典型的虛擬儀器結構圖

虛擬儀器的特點 虛擬儀器技術是目前測控領域中最為流行的技術之一，它的硬件部分往往具有很大程度上的通用性，軟件是系統的核心，這樣使其實現不是強調物理形式。它利用接口設備完成信號的采集、測量與調理，利用I/O計算機軟件實現信號數據的運算、分析和處理，利用顯示器豐富的顯示功能來多形式地表達和輸出檢測結果。虛擬儀器具有傳統儀器的基本功能，同時又能根據實驗要求隨時進行定義，實現多種多樣的應用需求，具有擴展靈活、界面友好、操作簡便、性價比高等特點，特別適合于高校的教學實踐。因此，虛擬儀器相對于傳統儀器的優勢是顯而易見的，如表1所示。

表1 虛擬儀器與傳統儀器區別表

虛擬儀器課程教學實踐探索

本實例通過使用虛擬儀器開發軟件LabVIEW進行上位機開發，下位機使用Proteus硬件仿真軟件開發，完成虛擬儀器與單片機的通信，控制LED有序工作。

LabVIEW簡介 LabVIEW是NI公司開發的虛擬儀器應用程序編程環境，是一種圖形化的編程語言，特別適合測控應用軟件的開發。它具有所有通用編程環境的標準功能，如數據結構、循環結構和事件處理。其內置的各種專業工具軟件包可滿足工程應用開發的需要。因此，LabVIEW不僅僅是一門編程語言。

Proteus簡介 Proteus是由英國Labcenter公司開發的一款可以實現數字電路、模擬電路、微控制器系統仿真以及PCB設計等功能的EDA軟件。通過Proteus軟件的虛擬仿真技術（VSM），用戶可以對基于微控制器的系統包括外圍接口電子器件一起仿真，可在原理圖設計階段對所設計電路和編寫程序進行驗證、評估，避免了傳統電子電路設計中修改方案帶來的重復工作。

基于虛擬儀器的單片機LED控制器 現以應用實例說明基于虛擬儀器的單片機LED控制器的設計方法。

圖2 LabVIEW前面板圖

圖3 LabVIEW程序框圖

1.虛擬儀器控制面板。圖2和圖3分別是使用LabVIEW編寫的上位機通信程序的前面板和程序框圖。可以看到，以0x39為握手信號，結合 LabVIEW前面板上的8位LED信號，組成2個字節的控制信號，共同輸出到VISA串口控制器，即PC機的RS232串口，傳送至單片機串行接口。其中，8位的LED控制器，0、1、2、3號LED控制器表示選擇單片機控制的LED燈燈號，如0001表示選擇1號燈，0101表示選擇5號燈；4號LED控制器表示選擇的燈是亮還是滅；5號LED控制器表示單片機控制的LED燈以流水燈形式亮起，且循環兩遍；6號LED控制器表示單片機控制的LED燈全滅；7號LED控制器表示單片機控制的LED燈全亮。優先級由7號LED控制器依次降低。另外，在發送數據之前，首先完成串口數據配置，設置波特率為9600b/s，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗。這樣，一個基于LabVIEW環境下的單片機串口通信系統就建立起來了，在前面板中輸入相應的控制值，就可以看到單片機做出響應。

2.基于Proteus的單片機仿真界面。圖4為使用Proteus軟件編寫的單片機LED控制器，通過P2口接8個LED燈，使用上位機發送來的控制數據實現亮滅控制。由于PC機的串口和單片機的串口電平不同，需要使用MAX232芯片做電平轉換，但是這里使用Proteus軟件進行模擬，不需要加芯片，同樣可以正常運行。對圖5COMPIM控件進行配置，完成與上位機相同波特率等參數的設置。在完成了電路仿真設計后，可以將在Proteus軟件上設計的單片機硬件電路實物化，從而大大提高學習效率。

圖4 Proteus仿真界面圖

圖5 Proteus COM通訊端口配置圖

3.虛擬串口軟件Virtual Serial Ports Driver XP（VSDP XP）。在完成基于虛擬儀器和Proteus軟件的應用開發后，需要使用兩臺PC機進行串口通信，實現虛擬儀器與Proteus軟件編寫的單片機應用程序的上下位機通信。VSDP XP是一款虛擬串口仿真軟件，可以和Proteus、LabVIEW結合使用，通過虛擬非調試解調器電纜模擬RS232串口連接，可使虛擬串口看起來就像標準的硬件串口一樣。這樣，就可以使用一臺PC機，在安裝虛擬串口軟件VSDP XP下，實現虛擬儀器上位機與單片機下位機之間的數據通信，不僅提高了實驗設備利用率，也為學生進行虛擬儀器數據采集設備開發創造了便利的條件。

以上一個簡單的應用示例幫助學生更加了解虛擬儀器的特點，打破了實驗設備的局限，提高了學生對虛擬儀器課程的學習興趣，鍛煉了學生自主開發基于虛擬儀器應用系統的綜合設計能力。學生可以在此基礎上進行擴展，開發出更加復雜的虛擬儀器控制系統，通過已經學習的單片機課程完成數據采集設備開發，實現D/A、A/D、電路控制等多種功能。

虛擬儀器是當前測量儀器發展的一個重要方向，它為各行業、各學科提供了一個通用的設計、研究、實驗環境，同時它也是學生多門理論課程融合、理論與實踐結合的一個很好的環節。對虛擬儀器課程教學的實踐探索，不僅讓學生在實踐中深化對理論的認識，也提高了學生的創新能力，自己設計虛擬器件激發了學生的積極性和主動性，取得了較好的教學效果。

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G712

A

1672-5727（2012）05-0173-03

賈佳（1980—），女，陜西西安人，碩士，西安航空職業技術學院講師，主要從事電子電路、虛擬儀器以及FPGA的教學和研究。

（本欄責任編輯：謝良才）