虛擬儀器課程實驗建設與改革

詹惠琴，古 軍

(電子科技大學 自動化工程學院，四川 成都 611731)

建設“虛擬儀器技術”精品課程，應當強調實踐教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和綜合素質，建設目標是[1]：(1)具有綜合性、階段性、創(chuàng)新性、開放性的現代實驗教學體系；(2)具有先進性、通用性、多功能、低成本的現代實驗教學平臺；(3)具有虛擬化、自動化、網絡化、規(guī)模化的現代實驗教學環(huán)境。

虛擬儀器課程實驗建設的基本思路是：將計算機技術和虛擬儀器技術應用于實踐教學中，建立先進的實驗教學平臺和現代化的實驗教學環(huán)境，建設有利于學生創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)的實踐課程。目前電子科技大學已完成了實驗課程體系的建設，研制了實驗教學平臺，開發(fā)了多個實驗教學項目，開設了“虛擬儀器基礎實驗”和“虛擬儀器綜合實驗”兩門實驗課程。

1 虛擬儀器技術用于實驗教學的優(yōu)勢

虛擬儀器是一種以通用計算機和測試模塊硬件為基礎、以計算機軟件為核心構成的計算機儀器。虛擬儀器的儀器面板和儀器功能都可由用戶軟件來定義[2]。虛擬儀器技術用于實驗教學的優(yōu)勢是[3-6]：(1)作為一種先進的、創(chuàng)新的技術，適合培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的人才；(2)作為一種綜合的、集成的技術，有利于培養(yǎng)學生的綜合應用能力和實踐能力；(3)作為一種經濟的、實用的技術，有利于教學實踐基地的規(guī)模化建設，能真正把實踐能力的培養(yǎng)落到實處。

虛擬儀器實驗課程的優(yōu)勢還體現在“軟件定義儀器”的虛擬性，可給學生一個充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力和展示才能的空間，非常適合作為現代實驗教學內容，并按照嶄新的教學模式進行學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[7-8]。

2 虛擬儀器實驗系統(tǒng)組成

虛擬儀器實驗系統(tǒng)可劃分為硬件和軟件兩大部分[9](見圖1)，其中硬件系統(tǒng)包含個人計算機、測試硬件平臺和多種實驗電路子板3部分。

(1) 通用個人計算機(PC)：它應具有運行圖形化編程軟件的能力。

(2) 通用測試硬件平臺：它具有數據采集、信號產生、定時計數、與計算機進行數據通信等多種功能。模擬輸入有3路，包括2路8位/100 MHz的高速ADC和1路低速的12位的雙積分ADC。模擬輸出包括2路12位/100 MHz的高速DAC。數字I/O還包括16路高速數字信號的輸入通道和輸出通道。此外，在FPGA芯片內還有1組計數器/定時器的邏輯電路。

(3) 多種實驗電路子板。

圖1 虛擬儀器實驗平臺系統(tǒng)的基本組成

軟件也包括3部分：(1)虛擬儀器軟件開發(fā)平臺labVIEW和labWindows/CVI；(2)虛擬儀器庫，包含示波器、信號源、電壓表、計數器等10余種虛擬儀器驅動程序；(3)多個學生實驗程序。

虛擬儀器設計與實驗課程的內容包括軟件開發(fā)平臺(LabVIEW)技術、虛擬儀器基本硬件平臺技術、測試信號分析與處理技術、典型虛擬儀器設計與調試技術、系統(tǒng)集成技術幾大部分。

3 基于虛擬儀器技術的實驗項目

實驗項目包括軟件編程實驗、硬件實驗和綜合設計實驗3類。

(1) 軟件編程實驗類：①創(chuàng)建和編寫VI程序；②循環(huán)和子VI；③控制結構、順序結構和公式結點；④數組和圖形；⑤文件操作；⑥仿真信號的產生和分析；⑦虛擬儀器設計實驗。

(2) 硬件實驗類：①虛擬多波形信號源的原理和應用；②電子計數器測頻和測周原理；③雙積分式A/D原理和直流電壓測量；④R、L、C元件參數測量；⑤信號頻譜分析和測試；⑥邏輯分析儀實驗；⑦數據采集及數據處理系統(tǒng)設計；⑧人機對話接口電路的設計與調試。

(3) 設計性綜合實驗類：①數字頻率計設計；②直流電壓表設計；③虛擬數字交流電壓表設計；④數字存儲示波器的設計；⑤實用信號源設計；⑥頻率特性測試儀的設計和調試；⑦溫度檢測與控制的設計與調試；⑧應用邏輯分析儀的CPLD設計及功能測試。

實驗內容的設計性、綜合性強，涉及的課程有：電子測量原理、模擬與數字電路、虛擬儀器、微機原理及接口技術、電子設計自動化(CPLD技術)、傳感器原理、信號與系統(tǒng)、軟件程序設計等。實驗設計內容包括測試技術及儀器、模擬和數字電路設計、微機接口及系統(tǒng)、軟件設計及調試、軟硬件聯(lián)調和測試。

4 基于虛擬儀器技術的學生綜合能力培養(yǎng)

用虛擬儀器技術進行學生綜合能力培養(yǎng)，采取分段、分級進行[10]。學生從基本功練起，由易到難、由局部到整體，以“虛擬儀器技術”課程為基礎和起點，逐步學習虛擬儀器原理、圖形化軟件編程、標準總線技術、數字信號處理的應用、硬件模塊的開發(fā)與系統(tǒng)集成等，最后達到提高綜合能力的目的[11]。

綜合能力培養(yǎng)可劃分成4個階段。

(1) 熟悉階段。本科教學計劃中的“虛擬儀器技術”，以學生上機實驗為主，學習虛擬儀器的原理及使用，掌握圖形化編程的虛擬儀器開發(fā)平臺。學生在學完本課程后，應熟悉虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，具有初步應用LabVIEW開發(fā)虛擬儀器的能力。

(2) 掌握階段。學生可選用某種現成的虛擬儀器硬件平臺(SJ-8002B綜合實驗平臺等)，利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺[12]和數字信號處理技術，獨立開發(fā)幾種典型的虛擬儀器——數字多用表、示波器、計數器、信號發(fā)生器等，并使之達到實用化。這一層次主要是軟件開發(fā)，不需要深入了解硬件接口。

(3) 設計階段。學生在學完微機原理及接口技術、C語言、模擬與數字電路、電子測量等課程后，可利用課外科技活動或課程設計，開發(fā)虛擬儀器及系統(tǒng)，掌握軟硬件設計與調試技術，接受較全面的訓練。硬件平臺除PC機外，還有傳感器、執(zhí)行機構、信號調理、各種模入/模出或數入/數出功能的接口板；軟件平臺為LabVIEW或LabWindows/CVI。學生除了設計制作少量外圍電路外，基本上不需制作硬件模板，但需分析、掌握所選用模板的工作原理和接口電路。

(4) 應用階段。學生自主開發(fā)一個虛擬儀器或測控系統(tǒng)。系統(tǒng)要完成什么功能、采用什么體系結構和標準總線、如何設計制作硬件接口板、采用什么軟件平臺等均由學生自己決定。把虛擬儀器技術與計算機、單片機實驗相結合，在實驗平臺上開展數據采集、過程控制的綜合實驗，進行計算機綜合應用能力的培養(yǎng)。實驗內容包括硬件接口技術、標準總線技術、儀器驅動技術和用戶界面的設計、各種測量和控制算法研究、DSP技術在虛擬儀器中的應用等。

5 典型實驗項目簡介

(1) 電路板頻域特性測試。用實驗平臺提供的DDS產生掃頻正弦信號，作為被測濾波器電路板的激勵信號源，用實驗平臺的高速采集通道采集被測濾波器的輸出信號，計算出不同頻率點下的輸出信號與輸入信號的幅值比，即為濾波器的幅頻特性(見圖2)。

(2) 溫度檢測與控制實驗。溫度實驗電路板上包括溫度傳感器、加熱燈泡和控制電路。將實驗電路板連接測試平臺的62芯插座，溫度傳感器把溫度信號轉換為電壓信號，送入測試平臺的信號調理電路，再經A/D轉換送入計算機。數據經處理后以數字溫度計和曲線形式顯示在屏幕上，再根據設定的目標溫度和控制方式控制加熱器的通斷。實驗界面如圖3所示。

(3) 信號的頻譜分析。學生使用本實驗平臺提供的正弦波、三角波和方波等常用信號進行頻譜分析，還可對自己設定參數產生的任意組合波形進行頻譜分析。圖4是對包含三次諧波的組合波形進行頻譜測試的結果。

圖2 濾波器頻率特性測試(掃頻)實驗界面

圖3 溫度檢測與控制系統(tǒng)實驗界面

圖4 組合波形的產生和頻譜分析

6 結束語

基于虛擬儀器技術的實驗教學改革，把計算機技術、測試技術與電子技術緊密融合在一起，實現課程實驗內容和教學方法的革新。由于自行研制的虛擬儀器綜合實驗平臺多功能、多用途、低成本，因此能在投資省的情況下實現本科實驗規(guī)模化的建設，并實現實驗環(huán)境的虛擬化、自動化和網絡化，具有鮮明的時代特征。這些建設成果，已在我校本科實驗教學中應用多年，培養(yǎng)了大量人才，取得了良好的效果。該虛擬儀器綜合實驗平臺還在國內多所高校中推廣應用，具有地域輻射和廣泛的示范作用。

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