虛擬儀器技術在實驗室建設中的應用

鄒志斌

摘 要： 本文介紹了虛擬儀器技術的概念，分析了在實驗室建設中應用此技術的優點，探討了將虛擬儀器技術與仿真技術、網絡技術相結合進行實驗教學的具體應用。

關鍵詞： 虛擬儀器 實驗室建設 實驗教學

一、虛擬儀器技術簡介

計算機技術和現代微電子技術的發展與普及，促進了電子測量儀器的快速發展，在儀器領域發生了巨大的變化。1986年美商國家儀器公司（National Instruments）提出了虛擬儀器的概念，代表了今后測量儀器發展的新方向。

所謂的虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通訊及圖形用戶界面（GUI）的控制軟件組成，在軟件控制下，由模塊化儀器硬件進行測量信號的數據的采集，數據采集完畢后，傳輸給計算機，軟件再進行數據的分析處理，通過圖形用戶界面等方式將結果顯示給用戶。數據分析這一方面，若使用智能儀器，則可由其完成一定程度上的分析。虛擬儀器框架結構圖參見圖1。

與傳統儀器相比，雖然虛擬儀器需要硬件支持，但硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出問題，軟件才是整個系統的核心，所以當基本硬件確定以后，可以通過不同的軟件（如NI公司的Labwindows/CVI）實現不同的功能。利用虛擬儀器技術，用戶可以在計算機屏幕上虛擬出儀器的面板，通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關和按鍵，設置各種工作參數，啟動或停止儀器，測量結果可以從虛擬儀器面板上讀出。所以用戶可以根據自己的需要，設計自己的儀器系統，滿足多種多樣的應用需求。另外，利用計算機豐富的軟、硬件資源，不僅可以大大突破傳統儀器在數據的處理、表達、傳遞、儲存等方面的限制，達到傳統儀器無法比擬的效果，而且可以為數據的快速共享提供可能。

二、實驗室建設中運用虛擬儀器技術的優點

虛擬儀器是全新的儀器概念，將其應用于實驗室建設中，可構造出一個全新的教學平臺，使學生利用最先進的技術積極主動地學習，培養學生的創造性思維，提高教學質量，主要有如下優點。

1.降低實驗室建設費用

由于各種測試、測量儀器、設備的價格隨著其性能的不斷提高而增加，實驗室建設經常會受到建設費用升高的困擾。

如果運用虛擬儀器技術，以計算機為基礎，并添加少量硬件（如數據采集卡等），構建一個虛擬儀器平臺。一方面，可替代常規測量儀器、儀表，可以滿足一般電子、電工實驗教學的需要。另一方面，虛擬儀器平臺具有替代性高的特點，它既可以作為示波器，又可以作為函數發生器、頻譜分析儀及各種測量儀表等，還可以降低購置這些儀器的費用。

2.大大降低設備的使用、維護費用

在實驗室建設中，我們可用虛擬儀器軟件開發平臺開出發各種由計算機軟件模擬的不帶相關功能硬件的“虛擬設備”，該方法不但簡單易行，而且交互性、可操作性和真實感與實際的設備基本相同。由它們完成教學任務，不但可以讓學生快速掌握這些設備的操作、使用方法，而且可以減少設備的損壞，降低維護費用。

3.教學效果好

目前國內很多院校的實驗教學中普遍存在技術落后、靈活性低、實驗設計合理性差、內容死板的問題，因此大大地降低了學生對實驗教學的學習興趣。為此可將虛擬儀器引入實驗教學，一方面利用虛擬儀器軟件在計算機屏幕上虛擬出的儀器的面板，形象、直觀、可操作性強，測量的數據還可利用計算機來分析、處理，方便、快捷。另一個方面虛擬儀器技術可拓展傳統儀器的功能，讓學生根據自己的要求，設計和制造出適合自己使用的各種儀器系統，滿足不同的應用需求。因此可大大提高學生的學習興趣，同時培養學生的動手能力和解決實際問題的能力。

三、虛擬儀器技術在教學中的具體應用

1.虛擬儀器作為測量分析儀器在實驗教學中的運用

實驗教學需要大量的測量分析儀器，然而在傳統模式的實驗教學中，由于經費的原因，普遍存在儀器設備缺乏和過時陳舊等現象，嚴重影響教學、實驗的質量與效率。

將虛擬儀器技術引入實驗教學為我們提供了新的思路。我們可以充分利用現有的計算機資源，開發屬于自己、適用于各種教學實驗目的和內容的虛擬儀器及教學、實驗軟件。圖2是利用虛擬儀器開發軟件LabWindows/CVI制作的《虛擬頻譜分析儀》的實驗教學課件。

2.虛擬儀器技術結合仿真技術在設備教學中的運用

為讓學生掌握設備的操作、使用方法，傳統教學方法是讓學生在教員的指導下進行實際的操作使用，教學效果不好且容易造成設備的損壞。

利用虛擬儀器技術，結合計算機仿真技術，可模擬出部分設備的操作使用。學生可以通過虛擬儀器開發軟件制作的面板進行操作從而掌握該設備的使用方法。由此可見，在實際教學中，用虛擬儀器開發平臺結合計算機仿真技術開發出各種虛擬的設備，不但簡單易行，而且交互性、可操作性和真實感與實際的設備基本相同，既可降低教員的勞動強度，減少設備的損壞，又可提高教學質量與效果。

3.虛擬儀器技術與網絡技術結合在遠程教育中的運用

將網絡與虛擬儀器結合起來，可為遠程實驗教學提供新的模式。利用網絡與虛擬仿真實驗室組成一個基于Web的虛擬實驗室，使遠端的學生不受時空的限制，通過網絡利用瀏覽器在自己的計算機上進行各種基礎學科的虛擬實驗，或學習掌握各種設備的操作使用方法，從而為遠程教育解決實驗教學難的問題提供新的解決方案。

四、結語

虛擬儀器技術是未來儀器技術領域的主導技術，將其引入實驗室建設及教學，可促進相關實驗儀器設備的更新換代，為教學、實驗儀器設備現代化提供強有力的手段。同時通過基于虛擬儀器的教學、實驗，可以讓學生了解先進的測試、測量技術，全面提高工程素質。

參考文獻：

[1]劉剛，蔡十華.虛擬儀器技術及其在電工電子實驗中的應用[J].江西教育學院學報（綜合），2007，6（3）：15-18.